Khởi đầu là một quy trình đơn giản để cắt kim loại giờ đây là một công cụ hiệu quả

Tất cả chúng ta đều biết câu nói đùa về bán hàng: Bạn có thể có nó tốt, nhanh hoặc rẻ, vì vậy hãy chọn hai. Cắt plasma độ chính xác cao cũng từng như vậy, chỉ có các tùy chọn là tốc độ cắt, chất lượng và tuổi thọ của các bộ phận.

Ngày nay, các nhà chế tạo được hưởng những gì tốt nhất trên thế giới (xem Hình 1 ). Trên 0,25 inch. thép, tốc độ cắt hàng đầu đạt 100 inch mỗi phút. (Tốc độ có thể đạt tới 150 IPM trở lên nếu vết cắt có cạnh dài, thẳng hoặc chất lượng vết cắt không quan trọng.) Một hệ thống có độ chính xác cao có thể đạt được độ chính xác vết cắt từ ±0,01 đến 0,05 inch và chiều rộng vết cắt hẹp tới 0,05 inch. Vật tư tiêu hao có thể kéo dài từ 1.300 đến hơn 3.700 lần khởi động hồ quang và các hệ thống có thể cắt bất kỳ vật liệu dẫn điện nào có độ dày từ 10 khổ đến 2 inch.

Khả năng tiếp tục mở rộng quá. Công nghệ cắt lỗ (xem Hình 2 ) mang lại lỗ hoặc bán kính chính xác với độ côn tối thiểu hoặc không có độ côn trên thép nhẹ từ 10 ga. đến 1 inch. Ngoài ra, công nghệ cắt vát plasma mới giúp giảm thời gian và chi phí chuẩn bị mối hàn.

Hệ thống plasma có độ chính xác cao tập trung nhiều năng lượng hơn trong một khu vực nhỏ hơn và mật độ plasma tăng lên tạo ra vết cắt chính xác với vết cắt hẹp hơn, ít làm tròn cạnh trên hơn và ít vát hơn (xem thanh bên Chất lượng cắt ). Để đánh giá đúng mức độ phát triển của công nghệ plasma, hãy xem xét rằng ngay cả các phương pháp mô phỏng hiện đại cũng không thể mô hình hóa đầy đủ và hiệu quả hành vi của hồ quang plasma mà không đơn giản hóa đáng kể các giả định. Cắt plasma chắc chắn đã phát triển từ khi ra đời trong phòng thí nghiệm để trở thành một công cụ chế tạo hiệu quả đóng vai trò quan trọng trong thành công của nhiều nhà sản xuất.

Hạn chế một Arc

Các nhà khoa học tại Bộ phận Linde của Union Carbide đã phát triển quy trình cắt hồ quang plasma vào những năm 1950 khi họ hạn chế hồ quang TIG để tăng mật độ năng lượng và tập trung động lượng của nó, tạo thành hồ quang cắt chứ không phải hồ quang hàn.

Tiến sĩ James Browning, giáo sư tại Đại học Dartmouth, đã thành lập Thermal Dynamics vào năm 1957 và phát triển một số nguồn năng lượng và đèn pin plasma đầu tiên. Vào thời điểm đó, các hệ thống cắt plasma chỉ sử dụng một loại khí trơ duy nhất là khí plasma vì điện cực vonfram bị xói mòn nhanh chóng khi có oxy. Không có khả năng sử dụng oxy để hỗ trợ quá trình oxy hóa và phản ứng tỏa nhiệt tự duy trì liên quan, quá trình này có rất ít lợi thế để cắt thép.

Browning bắt đầu thay đổi điều này vào năm 1963 khi ông đưa một loại khí thứ cấp bao quanh hồ quang plasma chính. Khí bảo vệ này hạn chế và tập trung hơn nữa hồ quang để tạo ra mật độ năng lượng cao hơn. Trong các ứng dụng thép dòng chảy kép, sự kết hợp khí plasma/khí bảo vệ thường là nitơ/không khí hoặc nitơ/O ₂ . Cắt dòng chảy kép tăng tốc độ trên thép nhẹ, giảm độ tròn trên cùng, đẩy hồ quang vào sâu hơn trong vết cắt và giảm thiểu cặn ở đáy vết cắt. Hình 3 cung cấp cái nhìn về sự kết hợp khí plasma/khí bảo vệ được sử dụng trong các ứng dụng cắt plasma độ chính xác cao ngày nay.

Thiết kế lại điện cực và cắt thép

Hai phát minh bổ sung của Browning vào năm 1963 đã kéo dài thêm tuổi thọ của điện cực: nhét bộ phát (sau đó là vonfram) vào đầu của một hình trụ bằng đồng và làm rỗng mặt sau của hình trụ để nước có thể truyền nhiệt ra khỏi điện cực và kéo dài tuổi thọ. Được cấp bằng sáng chế vào năm 1963, thiết kế của điện cực plasma ngày nay vẫn tương tự, ngoại trừ việc sử dụng vonfram làm bộ phát.

Do vonfram giảm chất lượng khi có oxy nên việc sử dụng không khí hoặc oxy cho khí plasma đã bị loại bỏ. Điều đó đã thay đổi vào cuối những năm 1960 khi các nhà khoa học Nga phát hiện ra rằng hafnium và zirconi chống lại sự xuống cấp nhanh chóng. (Hiện nay, hầu hết các điện cực đều sử dụng hafnium làm chất phát xạ.) Kết quả là, các nhà chế tạo có thể sử dụng không khí làm khí plasma và tiết kiệm được chi phí đáng kể; sử dụng oxy cho khí plasma sẽ mang lại chất lượng cao nhất và vết cắt nhanh nhất trên các phần thép mỏng.

Cắt chính xác cao

Một hệ thống plasma có độ chính xác cao tập trung năng lượng hồ quang trong một khu vực nhỏ, tạo ra một công cụ cắt sắc bén hơn. Người Nhật đã phát minh ra các hệ thống có độ chính xác cao đầu tiên vào những năm 1980 và các công ty Hoa Kỳ bắt đầu phát triển các hệ thống vào đầu những năm 1990. Những thách thức buộc các công ty công nghệ cắt plasma phải quay trở lại các nguyên tắc cơ bản của thiết kế và vận hành mỏ cắt.

Trong khi một số mỏ cắt ban đầu có lỗ khoảng 0,1875 in., giờ đây các vòi phun có lỗ từ 0,040 đến 0,045 in và cung cấp năng lượng cắt lên tới 60.000 ampe trên mỗi inch vuông. ( Hình 4 cho thấy ý nghĩa của những tiến bộ này đối với hiệu suất cắt.) Tuy nhiên, mật độ hồ quang tăng lên sẽ dẫn đến tuổi thọ vật tư tiêu hao rất ngắn nếu không có các thiết kế mỏ hàn mới đưa dòng chất làm mát hoàn toàn xuống lỗ của vòi, cũng như cho phép 1,6 gallon mỗi phút chất làm mát chảy qua vòi phun. Chất làm mát trước đây chảy vào thân mỏ cắt và không chảy hết vào vòi phun.

Cách hồ quang plasma được bắt đầu và kết thúc ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của điện cực. Hầu hết các ngọn đuốc sử dụng một xung điện áp cao trong thời gian ngắn (10 đến 20 mili giây ở 6.000 V trở lên) để làm cho không khí dẫn điện, do đó cho phép thiết lập một hồ quang thử (có thể sử dụng 150 V). Lượng điện áp được kiểm soát và hẹn giờ cẩn thận để giảm hao mòn.

Trong quá trình chấm dứt, độ mài mòn của điện cực được giảm thiểu bằng cách giảm dòng điện, điện áp và lưu lượng khí để làm sụp đổ hồ quang ở tốc độ được kiểm soát, từ đó làm mát miếng chèn hafnium ở tốc độ được kiểm soát. Trước đây hồ quang bị đứt. Khi đó, chân không được tạo ra ở vị trí trước đó bị plasma chiếm giữ đã hút một phần hafnium nóng chảy ra ngoài, gây ra sự mài mòn nhanh hơn nhiều.

Điều khiển chiều cao mỏ hàn chính xác cũng giúp kiểm soát đáng kể độ mài mòn của điện cực và độ chính xác của đường cắt. Kiểm soát chiều cao là một chức năng của điện áp hồ quang, tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa đầu điện cực và tấm. Bộ điều khiển độ cao có thể cài đặt theo gia số 0,1-V và được điều khiển với độ phân giải đo là ±0,02 V. Các hệ thống tiên tiến sử dụng lấy mẫu điện áp để thích ứng với sự mài mòn của vật liệu tiêu hao, giữ cho đầu phun ở khoảng cách chính xác so với tấm trong suốt thời gian sử dụng của điện cực. Ví dụ: hãy tưởng tượng điều khiển độ cao được đặt thành 150 V và điện áp đó tương đương với khoảng cách từ đầu đến tấm là 5 mm. Tuy nhiên, khi điện cực mòn, hồ quang trở nên dài hơn. Lấy mẫu điện áp di chuyển mỏ hàn dần dần đến gần tấm khi điện cực mòn, do đó duy trì độ rộng vết cắt và chất lượng vết cắt nhất quán.

Khi lắp ráp một hệ thống plasma tự động, một nhà chế tạo kim loại không nên bỏ qua bộ điều khiển độ cao, bộ nâng mỏ hàn, các ổ đĩa và động cơ liên quan. Nếu chiều cao mỏ hàn thay đổi, chất lượng cắt sẽ thay đổi từ bộ phận này sang bộ phận khác và thậm chí trong một bộ phận. Ở mức tối thiểu, nhà chế tạo nên sử dụng bộ điều khiển có chức năng kiểm soát độ cao xuyên, độ trễ xuyên và rút lại lỗ xuyên. Các chức năng này kéo dài tuổi thọ vật tư tiêu hao bằng cách giảm mài mòn điện cực trong quá trình bắt đầu và dừng hồ quang, cũng như bằng cách giảm thiểu lượng kim loại nóng chảy bắn ra trong quá trình bắt đầu hồ quang.

Bộ điều khiển khí tự động cũng kéo dài tuổi thọ của điện cực. Cả dòng khí plasma thiếu và thừa đều làm xáo trộn vũng hafni nóng chảy thay vì giữ nó ở chính giữa. Ngoài ra, những thay đổi đột ngột trong dòng khí tạo ra sự mất ổn định của hồ quang, do đó có thể gây ra hư hỏng ngay lập tức cho vật tư tiêu hao (chưa kể đến việc làm giảm chất lượng vết cắt).

Trong 20 năm qua, tuổi thọ của điện cực đã tăng hơn gấp đôi (xem Hình 5 ). Để cắt ở 400 ampe, các điện cực sử dụng miếng chèn nhiều hafnium đã kéo dài tuổi thọ của điện cực từ 400 đến 900 lần khởi động hồ quang. Vì tuổi thọ của điện cực là yếu tố đóng góp lớn nhất vào chi phí mỗi lần cắt, nên chi phí của plasma có độ chính xác cao đã tiếp tục giảm.

Vấn đề tích hợp

Một hệ thống tích hợp đầy đủ bao gồm nguồn năng lượng plasma, CNC, điều khiển chiều cao mỏ hàn, bộ nâng mỏ hàn và các động cơ và bộ truyền động liên quan của nó, và bảng điều khiển khí tự động. Một số nhà chế tạo có quan niệm sai lầm rằng sử dụng nguồn cung cấp năng lượng plasma có độ chính xác cao sẽ cho phép họ tiết kiệm các bộ phận khác. Trong một hệ thống plasma tự động, các bộ phận tích hợp hoạt động trơn tru để kiểm soát cường độ dòng điện cắt, chiều cao mỏ cắt, tốc độ và áp suất khí.

Một số nhà chế tạo cũng chùn bước trước chi phí của máy CNC và phần mềm liên quan. Nhưng khả năng của chúng mang lại khả năng hoàn vốn nhanh, đặc biệt nếu một công ty thiếu người vận hành có kỹ năng lập trình và kinh nghiệm cắt plasma (cả hai đều cần thiết nếu không có máy CNC). Lợi ích của CNC và phần mềm bao gồm:

• Năng suất cao hơn và giảm lỗi . Máy CNC tự động thiết lập và kiểm soát các tham số cho “chất lượng cắt tốt nhất” hoặc “cắt nhanh nhất” sau khi người vận hành chọn loại vật liệu, độ dày vật liệu và tổ hợp khí cắt. Người vận hành trở nên hiệu quả sau nhiều giờ đào tạo thay vì hàng tuần.
• Công nghệ tối ưu hóa lỗ/quy trình. Sau khi chương trình cắt được tải (hoặc thậm chí chỉ một tệp DXF vào bộ điều khiển từ ổ flash USB), CNC sẽ kiểm tra tệp và xác định những tham số nào cần được tối ưu hóa. Sau khi chúng được xác định, bộ điều khiển sẽ tính toán lại tham số tối ưu và các đường cắt. Các công nghệ tương tự tối ưu hóa thứ tự cắt và phương pháp đâm, cũng như vị trí cho các tổ phức tạp.
• Công cụ làm tổ tự động. Đối với các nhà chế tạo không có bộ phận kỹ thuật riêng biệt, các công cụ lồng tự động là vô giá để giảm lãng phí tấm và thời gian chu kỳ.
• Dụng cụ cầu. Các công cụ cầu nối thường làm giảm số lần xỏ lỗ trong một chương trình cắt. Chúng tự động chỉ định các đoạn cắt giữa các bộ phận để giảm số lần xỏ và thời gian chu kỳ.

Vát và bù vát

Vát plasma cắt các góc vát V, Y, X và K trên thép dày từ 0,25 đến 2 inch là một chủ đề nóng trong ngành. Hiện tại, hầu hết các nhà chế tạo sử dụng không đúng cách vát mép plasma vì các hệ thống vát mép cũ hơn yêu cầu người lập trình bù cho góc mỏ hàn, chiều cao mỏ cắt, chiều rộng vết cắt và tốc độ cắt trong chương trình chi tiết hoặc tổ hợp. Do đó, người vận hành không thể thực hiện bất kỳ điều chỉnh cần thiết nào cần thiết để sản xuất các bộ phận chính xác. Để thực hiện các điều chỉnh, người vận hành phải quay lại bộ lập trình và cập nhật chương trình hoặc tổ. Điều này có thể lãng phí một lượng thời gian đáng kể và gây trở ngại cho việc sản xuất các bộ phận chất lượng.

Công nghệ vát mới tích hợp liền mạch các chức năng plasma, CNC, phần mềm, điều khiển chiều cao, đầu vát và giàn để các nhà chế tạo có thể tận dụng tối đa hệ thống plasma của họ và tối đa hóa năng suất.

Công nghệ mới cung cấp mức độ tự động hóa cao cho người lập trình bằng cách kết hợp các trình tự cắt vát thực hành tốt nhất vào phần mềm lồng ghép và lập trình CAD/CAM. Nó cũng đặt tất cả dữ liệu bù vát vào máy CNC, không phải phần mềm lập trình. Do đó, chương trình chi tiết hoặc lồng đại diện cho hình dạng chi tiết mong muốn thực tế mà không cần bù góc xiên. Điều này giúp loại bỏ nhu cầu lập trình thử và sai. Thay vào đó, người vận hành có thể nhanh chóng và dễ dàng thực hiện bất kỳ điều chỉnh cần thiết nào trên máy.

Các nhà cung cấp công nghệ plasma tích hợp cũng đang nghiên cứu công nghệ bù cho độ vát vốn có trên bề mặt cắt. Ngay cả những hệ thống có khả năng cắt chính xác nhất cũng tạo ra một số mức độ vát. Những tiến bộ này sẽ cho phép plasma cạnh tranh hiệu quả hơn với việc cắt laser không có góc xiên. Công nghệ này chưa sẵn có, nhưng thật tốt khi biết rằng các nhà phát triển công nghệ cắt plasma có độ chính xác cao tiếp tục phấn đấu để đạt được chất lượng và năng suất cao hơn nữa.