2

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Политехнический институт

Кафедра «Сварка, литье и технология конструкционных материалов»

Теоретические материалы для самостоятельного изучения

по дисциплине

Технология конструкционных материалов Раздел №12 «Термическая резка»

Направление подготовки:

Специальность:

Формы обучения очная

Тула 2011 г.

Раздел 12. Термическая резка

План:

12.1. Основные способы резки

12.2 Физико-химические основы резки

12.3. Оборудование для резки

12.1. Основные способы резки

Процесс резки заключается в разделении целого на части или же в получении деталей определенной формы из исходного материала с целью их дальнейшей механической обработки и получения конечного продукта.

По принятой в технической литературе классификации существует два основных способа разрезания металлических и неметаллических материалов:

– резка механическим воздействием: разрезание ножницами, фрезерование, сверление, штамповка, пиление и т.д.;

– резка термическим воздействием: кислородная, кислородно-флюсовая, электродуговая, плазменная, лазерная;

– резка электрохимическим, электрофизическим или физико-химическим воздействием.

Некоторые способы резки, например, такие, как электродуговая, кислородным копьем и т.д., морально устарели и применяются в единичных случаях. Им на смену приходят новые современные технологии разделения материалов, которые из экзотических быстро становятся незаменимыми для большинства предприятий. В связи с постоянным совершенствованием существующих и разработкой новых технологий разделения материалов понятие "термическая резка" в технической литературе все чаще заменяется современным более точным определением – "резка струей". В соответствии с изложенным подходом рассмотрим различные способы резки струей материалов:

– струей кислорода (иногда с добавлением порошка железа) – кислородная резка;

– плазменной струей (потоком ионизированных частиц) – плазменная резка;

– потоком фотонов – резка лазером;

– струей воды под очень высоким давлением (иногда с добавлением абразива) – резка водой.

При резке водой отсутствует термическое воздействие на разрезаемый материал.

Фундаментальное различие механического и термического способов резки заключается в том, что при термическом воздействии абсолютно отпадает необходимость применения силы, независимо от толщины разрезаемого материала. То есть термический способ можно назвать бесконтактным и, рассматривая явления, происходящие в зоне взаимодействия "струя - деталь", в качестве режущего инструмента будем подразумевать струю газа, ионов, воды и т.д. В современных способах резки струей часто совмещают несколько технологий резки и получают комбинированные (или так называемые гибридные) технологии разделения материалов, как, например, лазерная резка со струей кислорода, узкоструйная плазменная резка и т.д.

В зависимости от вида формоизменения обрабатываемой заготовки различают разделительную и поверхностную резку. При разделительной резке результатом обработки является относительно узкий сквозной прорез на всю толщину металла, а при поверхностной резке производится сжигание или расплавление металла лишь на поверхности заготовки на относительно небольшую глубину с одновременным удалением жидкого окисла или расплава посредством сдувания струей газа (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Пример разделительной и поверхностной кислородной резки: 1 – мундштук; 2 – заготовка; 3 – поверхность реза; 4 – грат; 5 – подогревающее пламя; 6 – режущее пламя; 7 – фронт резки

В табл. 12.1 приведены основные способы резки струей, их преимущества, недостатки и области применения. Четких границ между областями применения различных способов резки струей не существует, и поэтому при их определении должна производиться комплексная технико-экономическая оценка эффективности способа резки для каждого конкретного случая. Основные тенденции развития термической и механической резки, сложившиеся к началу 2000-х гг., представлены на рис. 12.2. Приоритеты обработки заготовок переместились от кислородной и механической резки к лазерной и плазменной. На толщинах до 25 мм лазерная резка становится доминирующей.

Рис. 12.2 Структурные изменения в резке конструкционных материалоыв, сложившиеся к началу 2000-х годов

Сравнительный анализ способов резки по критериям материала деталей и параметрам установки представлен в табл. 12.2, 12.3.

Таблица 12.1

Основные способы резки струей

Способы резки	Достоинства	Недостатки		Области применения
Кислородная	– Диапазон разрезаемых толщин 3 – 1000мм – Низкая стоимость оборудования для резки и его простота – Возможность резки одновременно несколькими горелками	– Резка только углеродистых и низколегированных сталей – Широкий разрез – Значительная зона термического влияния – Невысокая точность получаемых заготовок – Ухудшение санитарно-гигиени-ческих характеристик процесса		– Резка углеродистых и низколегированных сталей; прямолинейная и криволинейная резка заготовок различной формы из листового проката в диапазоне толщин 3 – 1000 мм – Одно- и двусторонняя разделка кромок сварных швов – Вырезка дефектных участков сварных швов, обрезка технологических планок
Кислородно - флюсовая	То же	То же		Резка заготовок из хромоникелевых и коррозионно-стойких сталей толщиной до 450 мм, чугуна, цветных металлов и сплавов
Плазменная	– Диапазон разрезаемых толщин 0.4 – 150 мм – Высокая скорость резки – Стабильность качественных показателей – Малые зона термического влияния, деформации металла и количество грата	– Низкая скорость резки толщин свыше 50 мм; – Высокая стоимость оборудования – Ухудшение санитарно-гигиени-ческих характеристик процесса и высокий уровень шума	– Резка малоуглеродистых, хромоникелевых сталей и цветных металлов – Случаи, когда требования по качеству находятся между требованиями к лазерной и кислородной резке
Лазерная	– Высокие скорость, точность вырезки деталей и малое количество грата – Малые зона термического влияния и теплодеформации – Возможность выполнения малых отверстий – Возможность выполнения резки, сверления и фрезерования на одном оборудовании	– Высокая стоимость обработки для толщин свыше 15 мм – Высокая стоимость оборудования	– Возможность резки практически любых материалов и сплавов от металла, до стекла и пластика – Случаи, когда требуется особая точность обработки детали – Обработка сложных профилей
Гидро-абразивная	– Отсутствие перегрева выше 100 °С, структурных изменений и термических деформаций заготовок – Возможность резки любых материалов с высокой прочностью – Высокие скорость и точность вырезки деталей – Возможность выполнения резки, сверления и фрезерования на одном оборудовании – Экологическая чистота, полная пожаро- и взрывобезопасность	– Высокая стоимость оборудования – Сложность оборудования и условий его эксплуатации – Высокий уровень шума	Неограниченная номенклатура материалов: бумага, картон, ткани, кожа, резина, древесина, полимерные материалы, фольгированная и металлизированная пластмасса, металлы и сплавы, в том числе труднообрабатываемые, композиционные материалы, керамика, натуральный и искусственный гранит и мрамор, стекло и др.

Таблица 12.2

Способы резки для различных материалов

Способы резки	Материал
	Углеродистые стали	Коррозионно-стойкие стали	Алюминий	Титан	Пластмасса	Керамика
Газовая	+++	-	-	++	-	-
Плазменная	+++	+++	+++	++	+	-
Лазерная	+++	+++	++	+++	++	++
Механическая	+++	+++	+++	+++	+++	+
Водяной струей	+	+	++	+	+++	++

Таблица 12.3

Типичные скорости резки для различных способов

Материал	Толщина, мм	Скорость резки, мм/мин
		Газовая резка	Плазменная резка	Лазерная резка	Резка водяной струей
Углеродистая сталь	5	850	4500 (1)	2700 (3)	200
	20	660	2000 (1)	700 (4)	50
Коррозионно-стойкая сталь	3	-	5000 (2)	3000 (4)	200
	40	-	500 (2)	-	10-120
Алюминий	2	-	> 600 (2)	4500 (4)	800
	40	-	1200 (2)	-	80