Плазменный станок с ЧПУ: устройство, виды, принцип работы

Плазменная резка и ее особенности

Процесс плазменной резки представляет собой уникальную технологию раскроя листового металлопроката, которая применима для конструкционных, легированных сталей, чугуна и цветных металлов (медь, алюминий, их сплавы). Заключается она в обжимании плазменной дуги при ее прохождении через сопло.

Существует несколько схем резания:

Плазменно-дуговая резка – более эффективная технология, которая применяется для обработки электропроводных материалов. Здесь дуга прямого действия образуется при протекании электротока от электрода на обрабатываемый металл.

Рисунок 1. Дуга прямого действия

Резка плазменной струей – используется для резания материалов, не обладающих электрической проводимостью. Дуга косвенного действия возникает между катодом и соплом – т.е. разрезаемая заготовка не включена в электрическую цепь.

Рисунок 2. Дуга косвенного действия

Плазменно-дуговая резка считается одним из самых эффективных с экономической точки зрения методов раскроя листового проката малых и средних толщин (до 50 мм). При работе с таким материалом плазменный станок с ЧПУ обеспечивает наиболее высокое качество и точность реза. Однако погрешность небольшая и при резании более толстого металла (до 100 мм и более в зависимости от вида оборудования).

Плазменные газы в дуге частично диссоциируются и ионизируются, поэтому становятся электропроводными. Повышенная плотность энергии и температура обеспечивают расширение плазмы и ее движение к обрабатываемому изделию со скоростью, превышающей почти в 3 раза скорость звука. Большая температура плазменной дуги (до 30 тыс. К) в сочетании с высокой кинетической энергией обеспечивают повышенную скорость резания металлов.

Начинается процесс раскроя с поджига дежурной дуги между соплом и катодом, которая вызывает частичную ионизацию, необходимую для подготовки пространства между плазмотроном и заготовкой. Поджигается она за счет подачи повышенного напряжения. При ее контакте с материалом автоматически повышается мощность и зажигается режущая дуга. Тепловая энергия дуги плавит и частично испаряет металл. Под воздействием кинетической энергии расплавленный материал удаляется из зоны реза.

Фото 3. Процесс плазменно-дуговой раскроя

Принципы работы плазменного сварочного аппарата

Для глубокого понимания вопроса о том, для чего же, все таки, предназначен этот инструмент, вам необходимо тщательно изучить особенности его конструкции и основы функционирования.

Как правило, данное орудие состоит из нескольких частей, среди которых:

Горелки, то есть плазматроны. Их конструкции очень сложные, а все потому что это главный элемент всей системы. Именно здесь создается плазма, с помощью которой и происходит сварка. Основными частями горелки являются трубопровод, по которому подается газ и охлаждающая жидкость, электрические кабели с помощью которых подается ток и создается рабочее напряжение.
Источники электропитаний (инверторы). Из названия понятно, что эта часть отвечает за подачу электрического напряжения на оборудование.
Баллоны с плазмообразующими газами. Следует отметить, что плазма создается именно под воздействием кислорода, аргона и азота.
Баллоны с защитными газами. Так как сварка довольно опасное занятие, было предусмотрено наличие специальных газов, которые бы защитили сварочные ванны. Здесь используются газы инертного вида, то есть азоты, аргоны, спиртовые массы пара и вещество ацетона.
Системы водяных охлаждений. Для снижения температуры сварки используют специальную охлаждающую жидкость, которая подается по специальным трубкам. Именно они и составляют всю эту систему.
Пакеты кабелей. Конечно, такие устройства очень требовательны к подаче электрической энергии, поэтому качественный прибор содержит в себе несколько кабелей. В наличии трубки подающие рабочий и защитный газ, подающие охлаждающие жидкости, кабеля которые отвечают за подачу основной массы тока, кабеля отвечающие за запуск плазменных дуг и системе цепей управления.

В целом, можно понять, что конструкция такого прибора очень сложная и новичок не сможет разобраться в каждом элементе самостоятельно. Поэтому, при возникновении вопросов лучше всего обращаться к специалистам.

Устройство и принцип работы оборудования

Для плазменной резки используется станок, состоящий из таких конструктивных элементов:

Источник питания – служит для подачи тока и напряжения для поджига пилотной и режущей дуги.

Фото 4. Внешний вид источника питания

Плазмотрон – устройство, генерирующее плазму. В нем электрический ток преобразуется в плазменную дугу. Его основными конструктивными элементами являются электрод (он же катод) со вставкой из тугоплавкого металла, сопло и завихритель. Обычно в плазмотронах предусмотрено водяное охлаждение. Катод и сопло – расходные материалы, периодичность замены которых зависит от интенсивности работы, вида и толщины разрезаемого металлопроката.

Фото 5. Внешний вид плазмотрона

Портальная система – состоит из портала с продольными направляющими, механизма для поперечного перемещения плазмореза. Движение обеспечивается благодаря реечному приводу, также портал оборудован системой динамической виброзащиты для повышения эксплуатационного ресурса комплекса и увеличения качества реза.

Фото 6. Портальная конструкция без рабочего стола

Координатный стол – представляет собой стабильную основу для укладки обрабатываемого металлопроката. В зависимости от типа оборудования могут иметь разные размеры – стандартная ширина составляет от 1,5 до 8 м.

Фото 7. Автоматический комплекс для раскроя с раскроечным столом

Система числового программного управления – компьютеризированная система для автоматического управления приводами оборудования. Включает рабочую консоль (для ввода программ воспроизведения и управления режимами работы), консоль оператора (для визуального наблюдения за рабочим процессом) и контроллер (для управления движущейся оснасткой).

Фото 8. Внешний вид системы ЧПУ

Основные рабочие параметры процесса – сила тока, скорость резки, зазор между соплом резака и заготовкой, вид используемого газа. Самым доступным и простым плазмообразующим газом считается воздух, но он оптимально подходит только для раскроя углеродистых и нержавеющих сталей. Также при его применении наблюдается незначительное обесцвечивание и нитрирование кромки, что несколько усложняет последующую мехобработку из-за увеличения твердости.

Не менее важен такой параметр, как давление газа. Выбор оптимально подходящего значения обеспечивает длительный срок службы расходных элементов плазмотрона и высокое качество реза. Однако при работе на повышенном давлении снижается эксплуатационный ресурс катода, наблюдаются проблемы в начале процесса резания. Пониженные значения ведут к недостаточному охлаждению плазменного резака, что может стать причиной образования двойной дуги и даже разрушения сопла.

За перемещение технологической оснастки портальной системы отвечает контроллер. Но предварительно в систему ЧПУ нужно загрузить разработанную технологом управляющую программу. Использование числового программного управления обеспечивает возможность воспроизведения контуров любой сложности.

Разработка управляющих программ выполняется для вырезания как единичных заготовок, так и целых комплектов деталей разных размеров и форм. Карты раскроя разрабатываются на ПК при помощи специального программного обеспечения. Изначально прочерчивается каждая деталь с учетом всех припусков, затем заготовки раскладываются на виртуальном листе металла определенных габаритов в специальном ПО. Благодаря этому максимально рационально используется металлопрокат, минимизируется количество отходов.

Советы и рекомендации при выборе плазморезов

Существует несколько рекомендаций от специалистов, которые могут помочь выбрать оптимальную модель. Вот на что необходимо обращать внимание перед покупкой:

толщина металла. В характеристиках указывают максимальную толщину. Но требуется понимать, что у разных металлов различная плотность, поэтому данные в инструкции являются унифицированными;
продолжительность работы позволяет понять, как долго плазморез может работать без перегрева. Для бытового использования можно использовать модели с показателем 40%, но для производства нужно не менее 60-80%;
мощность устройства должна быть минимум на 20% выше, чем требуется для обработки конкретно взятой заготовки. Это позволит снизить нагрузку на инструмент и повысить скорость обработки металла;
длина шлангпакета. Она варьируется от 1,5 до 8 метров. При работе с большими заготовками лучше покупать максимальную длину, чтобы не тратить время на то, чтобы переставить плазморез.

Видео — Как выбрать плазморез

Важно! Также стоит обратить внимание на комплектацию, если бюджет сильно ограничен. Устройства со встроенным компрессором стоят дороже. Но при его отсутствии в комплекте нужно будет совершить дополнительную покупку, потому что без компрессора не получится использовать плазморез. Дисплей может быть полезной функцией, но он не влияет на рабочие характеристики прибора.

Это основные нюансы, которые стоит помнить при покупке плазмореза. Выбирая из указанных выше инструментов, можно совершить отличную покупку по достойной цене. Но на рынке постоянно появляются новые модели, поэтому важно понимать, на что обращать внимание при выборе. Это позволит купить инструмент, который будет действительно необходим в конкретно взятом случае.

Преимущества аппарата

Плазморезы или плазменные станки с ЧПУ отличаются такими преимуществами:

Высокое качество реза – за счет использования качественных плазмотронов, правильного выбора плазмообразующего газа обеспечивается малая ширина реза, минимальное угловое отклонение и чистые кромки без наплывов и окалины.
Технологическая гибкость – подходят для прямолинейного и фигурного раскроя разных металлов и сплавов.
Повышенная скорость резки – в зависимости от марки металла и толщины может достигать до 6 м/мин.
Минимальная зона термического влияния, направленное воздействие плазменной дуги – обеспечивает возможность вырезания заготовок из тонколистового металлопроката без их тепловой деформации.
Невысокая себестоимость процесса – актуальна при работе с листовым прокатом толщиной до 50 мм.
Малое время прожига в отличие от воздушно-кислородной резки, где требуется длительный предварительный подогрев.

Фото 9. Автоматизированный раскрой листового проката

Виды плазморезов

Несмотря на большое количество моделей на рынке, есть несколько способов их разделения по видам.

По типу резки ручные и автоматические. Первые подходят для гаража и занимают мало места. Сфера применения вторых шире. В зависимости от технических характеристик, их могут использовать в небольших мастерских ли на крупных фабриках. Часто производители позволяют автоматизировать работу устройства с помощью станка ЧПУ.
По типу газа. Производители предлагают устройства, работающие на сжатом воздухе, аргоне, кислороде, азоте или различных смесях.
По способу поджига дуги: контактные, пневматические и высокочастотные. Контактный способ применяется в бытовых моделях. Пневматические используются чаще всего, так как этот тип легко использовать, а также можно экономить газ.
По способу охлаждения воздушные и жидкостные. Воздушное охлаждение используется на полупрофессиональных моделях. Скорость остывания значительно ниже, чем при использовании жидкости.

Это основные способы разделения плазморезов.

Приемы плазменного раскроя

Машины для плазменного раскроя с ЧПУ могут комплектоваться разным дополнительным функционалом и системами. Одной из самых полезных считается автоматический контроль высоты, так как зазор между соплом и обрабатываемым материалом оказывает влияние на скос кромок. При увеличении расстояния повышается и угол скоса, а при уменьшении – снижается срок службы электрода и сопла. Резка с поддержанием постоянной высоты положительно влияет на качество кромок и эксплуатационный ресурс расходных элементов.

Скорость перемещения плазмотрона в процессе работы должна обеспечивать угол отставания прорезания нижней кромки от верхней не более 3-5°.

При разработке управляющих программ технологу рекомендуется придерживаться следующих требований для обеспечения минимальных деформаций:

Первоочередно вырезаются отверстия.
Вырезание заготовок начинается от одной кромки, последовательно перемещаясь от одной детали к другой в направлении противоположной кромки.
При разработке карт на резку комплекта заготовок используются совмещенные резы, при которых линия реза разрезает сразу 2 детали.
Длинные заготовки располагаются ближе к кромке листа, от которой будет начинаться резка, а короткие – ближе к середине и противоположной кромке.
Вырезание заготовок длиной более 3 м и шириной больше 0,5 м выполняется с угла, а начинается с длинной кромки.
Детали, занимающие большую часть листа, вырезаются в первую очередь.

Фото 10. Процесс вырезания детали

Применение установок

За счет высокой технологической гибкости и производительности, станки с ЧПУ для плазменной резки применяются преимущественно крупными и средними заводами по производству промышленного оборудования, металлоконструкций и т.д.

Плазменное оборудование с числовым программным управлением используется для резки таких металлов:

Углеродистые стали – обычно при раскрое листов до 40-50 мм применяется сжатый воздух, а также азот, смеси на основе азота и кислорода.
Низкоуглеродистые – для толщин до 40 мм наиболее эффективен сжатый воздух, но при резании металлопроката толщиной более 20 мм может использоваться азот и азотно-водородные смеси.
Нержавейка – используется азот (до 20 мм), смеси на азоте и водороде (до 50 мм). Допускается применение сжатого воздуха.
Стали с большим содержанием легирующих элементов – для толщин 50-60 мм используется воздушно-плазменная резка, для более толстых листов рекомендованы азотно-кислородные смеси.
Медь и ее сплавы – для обработки металлопроката малых и средних толщин подходит сжатый воздух. При его использовании на кромках образуется грат, но при этом излишки металла легко удаляются с поверхности. Азот подходит для вырезания заготовок толщиной от 5 до 15 мм. Латунь режется с такими же газами, однако на более высоких скоростях (до 20-25 %). Также следует учитывать, что медь отличается высокой теплопроводностью и теплоемкости, поэтому для работы нужна более мощная дуга, чем для обработки сталей.
Алюминий и сплавы на его основе – сжатый воздух обычно используется исключительно для разделительного резания с обязательной последующей мехобработкой деталей. При этом качественный рез возможен только при резке изделий толщиной до 30 мм на рабочем токе до 200 А. Также для резания листов до 20 мм может использоваться азот, от 20 до 100 мм смеси из азота и водорода, более 100 мм – аргоно-водородные смеси.

Фото 11. Вырезание заготовок из алюминиевого листа

Виды станков

Плазменное оборудование с числовым программным управлением производится нескольких типов:

Переносное – установки относительно небольших размеров, на котором можно выполнять раскрой металлопроката ограниченных габаритов. Обычно ширина рабочей зоны у них составляет 1,5-3 м. При желании такие устройства можно перемещать в пределах цеха либо на другой производственный участок или объект.

Фото 12. Портативное устройство для плазменной резки

Стационарное – мощные автоматизированные линии с шириной координатного стола до 8 м. Устанавливаются стационарно, перемещение возможно только при условии предварительного демонтажа с использованием специальной грузоподъемной техники.

Фото 13. Стационарная машина

Стоимость станков с ЧПУ

Цены на плазменные установки с ЧПУ колеблются в широких пределах. Все зависит от разновидности и технических характеристик оборудования, функциональных возможностей, габаритных размеров рабочей зоны.

Стоимость полноценной автоматической линии начинается от 1,5 млн руб. Однако на большинство машин цена формируется по запросу с учетом индивидуальных потребностей заказчика, предполагаемых видов работ, комплектации установки и других параметров.

Дополнительно в общую цену могут быть включены расходы на вспомогательное оснащение (компрессоры, система вентиляции), а также на такие услуги, как монтаж, пуско-наладочные работы, обучение персонала, техническое обслуживание и др.

Производители оборудования

Сегодня плазменные ЧПУ выпускаются как зарубежными, так и отечественными производителями. В продаже есть машины разной ценовой категории, но то, что стоит дороже, не всегда является более качественным.

Отечественный производитель ПУРМ разрабатывает и производит плазменные станки ЧПУ с учетом суровых российских условий эксплуатации. Оборудование этой марки успешно используется предприятиями в средней полосе России и даже в условиях Крайнего Севера.

Фото 14. Оборудование отечественного производителя ПУРМ

Компания занимается не только изготовлением установок, но и поставками запасных частей, расходных материалов, комплектующих. При желании можно заказать шеф монтаж, пуско-наладку, послегарантийное обслуживание.

Как выбрать станок с ЧПУ?

Для правильного выбора плазменного станка ЧПУ необходимо определиться с такими моментами:

Виды работ – только прямолинейный раскрой или с возможностью вырезания деталей сложной конфигурации.
Максимальные размеры листового металлопроката – от этого зависят габариты рабочей зоны координатного стола.
Максимальная толщина материала – определяет номинальную мощность источника питания и тип используемого газа для резания.

Фото 15. Вырезание одиночной детали

Одной из основных характеристик оборудования является продолжительность включения (или ПВ). Этот параметр определяет интенсивность эксплуатации, а именно временной отрезок, на протяжении которого станок может работать без перерывов на охлаждение.

Обозначается ПВ в процентах – если продолжительность включения составляет 80 %, то это значит, что в течение 10-минутного рабочего цикла установка сможет работать 8 минут на максимальных нагрузках. В случае превышения этой нормы возможен ее перегрев и выход из строя. Однако большинство промышленных плазморезов с ЧПУ имеют продолжительность включения 100 %, поэтому рассчитаны на непрерывную работу на протяжении всей рабочей смены.

Не менее важной характеристикой установок является сила тока, которую выдает источник питания – именно она определяет предельную толщину обрабатываемого металлопроката.

Выбор плазмотрона ручной резки: как подобрать нужный и угадать в цене.

Однажды столкнувшись с проблемой выбора инструмента ручной плазменной резки мы, пытаемся понять каким образом правильно сделать выбор, и какие показатели являются определяющими и в полной мере характеризует оборудование. Пробуем разобраться в данном вопросе.

Толщины металла для раскроя и ток.

Определяющим показателем при выборе аппарата ручной резки листового черного и цветного металла является диапазон толщин металла, который мы предполагаем обрабатывать. Данные характеристики производители как правило указывают в технической документации на оборудование и что интересно – определенному показателю толщины материала соответствует некоторое усредненное значения тока. Поэтому фиксируем – толщина металла и значения тока при котором производится резка являются величинами взаимозависящими. И понять какой именно источник подходит для решения Ваших задач можно по одному из эти показателей.

Дополнительно ориентироваться можно на следующее соотношение — для раскроя 20 мм «черной стали» необходимо порядка 80 ампер. При резке нержавеющих сталей толщина резки будет составлять 80%, а для алюминия 70% от показателя толщины заявленного выше. Дополнительно необходимо обратить внимание на способ регулировки тока. Возможны по сути два варианта: ступенчатая или плавная.

Плавная регулировка тока предпочтительнее, поскольку не смотря на то, что значения токов мы выставляем по таблице значений, которые предоставляет производитель в мануалах на оборудования при плавной регулировке мы имеем возможность империческим путем подобрать режим, который будет оптимальным для решения именно нашей задачи.

ПВ% (продолжительность включений ), рабочий цикл.

Не будем говорить техническим языком учебников и предложим следующую формулировку данного довольно важного показателя, который действительно расшифровывается, как «продолжительность включений» и говорит нам о том, сколько времени непрерывно может эксплуатироваться аппарат на номинальном токе при цикле, обычно 10минут. Т.о. если в характеристиках на оборудование ПВ характеристика заявлена 60% это говорит о том что из цикла 10 минут непрерывно аппарат может работать 6 минут, 4 минуты ему необходимо «отдыхать».

Ряд производителей могут приводить ПВ характеристику для различных токов и это довольно удобно. Для понимания следует отметить, что чем на меньших токах происходит процесс резки тем больше ПВ характеристика источника и наоборот.

Например, если вы планируете непрерывно эксплуатировать установку для оказания услуг по раскрою металла, то Вам необходимо ПВ=100%. Но это конечно теория, поскольку на практике практически невозможно. К чему следует отнестись с настороженностью, так это к оборудованию производителей где данная характеристика не указана по «какой либо причине». Причина очень проста. ПВ характеристика данного аппарата может составлять 10-15%. А это поверьте совсем не нормально для комфортной работы.

Основные поломки машин

При эксплуатации плазменных станков с ЧПУ не наблюдается особых проблем с их работоспособностью. Однако есть несколько факторов, которые могут способствовать нарушению правильного функционирования оборудования:

Короткое замыкание в электросети – может стать причиной перегорания основных управляющих плат.
Перепады напряжения, если они превышают диапазон, установленный производителем – тоже могут привести к выходу из строя электрических компонентов.
Физический износ механизмов либо чрезмерное превышение установленного ресурса деталей.

Фото 16. Резание тонколистового металла

Любые нарушения в работе плазмореза можно устранить в сжатые сроки, но лучше своевременно выполнять техобслуживание, менять детали с большим износом и расходные элементы. Это обеспечит стабильную его работу, высокую производительность и качество реза.

Плазмотроны для ручной резки: как охлаждать

Процесс ручной резки представляет собой процесс разделения металла высококонцентрированной плазменной дугой температура которой достигает 20000 градусов. Поэтому совершенно очевидно, что при таких температурах рабочий инструмент (в нашем случае плазмотрон) требует дополнительного охлаждения. Это необходимо по ряду причин.

Плазмотрон находится в руках оператора и особенно это важно для переносных аппаратов, и его температура должна быть приемлемой для работы руками (пусть и с дополнительными средствами защиты). Конструкция и отдельные компоненты плазматрона, находящиеся непосредственно в зоне образования дуги также требуют дополнительного охлаждения для увеличения срока их службы. Понятно, что катоды, сопла и другие компоненты плазменных резаков изготавливаются с применением специальных тугоплавких материалов, которые способны выдерживать высокие температуры тем не менее эти компоненты являются расходными материалами при резке и через определенное время требуют замены для поддержания качества реза на уровне заявленном производителями в технической документации.

Поэтому необходимо отметить тот факт, что наличие жидкостного охлаждения благоприятно сказывается как на сроке службы самого плазмотрона так и расходных материалов, особенно при работе на максимальных токах в жестких производственных условиях. Но как показывает практика, жидкостное охлаждение плазмотронов применяют в источниках, которые предназначены для работы на токах от 120 ампер и ПВ характеристикой от 60%.