گروه صنعتی پویا برش طراح و سازنده دستگاه های برش cnc هواگاز، برش پلاسما، راسته بر ، واترجت، گیوتین هیدرولیک، دستگه نورد تمام هیدرولیک چهار غلطکه و نورد 3 غلطکه، نورد ورق، خم لوله و پروفیل 09133130096 و 03195026601



مقالات جوش و برش و لیزر و برش cnc

برشکاري معمولي توسط قوس پلاسما

 

 برشکاري معمولي توسط قوس پلاسما

از جت پلاسمايي که توسط تکنيک‌هاي انقباض قوس خشک معمولي توليد مي‌شود، مي‌توان براي برش هر فلزي با سرعت برشي نسبتاً بالا استفاده کرد. همچنين رنج ضخامت‌هايي که مي‌توان عمليات برشکاري را در مورد آنها انجام داد، از 8/1 اينچ شروع شده و حداکثر آن به ظرفيت شدت جريان مشعل و خصوصيات فيزيکي فلز بستگي خواهد داشت. مثلاً، يک مشعل با مکانيزم خوب و ظرفيت شدت جريان هزار Amp مي‌تواند فولاد زنگ نزن را تا ضخامت 5 اينچ و آلومينيم را تا ضخامت 6 اينچ، برش دهد. در اکثر کاربردهاي صنعتي، ضخامت ورق‌ها به ندرت از 1 تا 2/1 اينچ تجاوز مي‌کند. در اين رنج، پلاسماهاي معمولي سطوح برش را شيب‌دار و لبه فوقاني را گرد مي‌کنند.

 کيفيت برش

کيفيت لبه‌هاي برش پلاسما، مشابه فرايند برشکاري توسط اکسيژن است. با توجه به اينکه عمليات برشکاري در فرايند پلاسما توسط ذوب صورت مي‌گيرد، يکي از مشخصه‌هاي ويژه آن، توزيع گرماي غيرمتعادل بر سطوح برش است. لذا مقدار بيشتري از ذوب به سمت فوقاني سطح فلز رفته و باعث مي‌شود لبه‌هاي بالايي گرد شده و سطوح برش شيب دار شوند. از ديگر خصوصيات اين نوع برش، ايجاد تفاله [16] زيرسطح تحتاني فلز است که دليل آن جارش مذاب مي‌باشد.

همانطور که در شکل 5 مشاهده مي‌شود، اگر گرماي اعمال شده به بالاي سطح برش، بيشتر از گرماي اعمال شده به پايين آن باشد، زاويه برش مثبت ايجاد خواهد شد. براي کاهش اين زاويه مي‌بايستي تا حد امکان قوس پلاسما را منقبض کرد. افزايش انقباض پلاسما باعث مي‌شود پروفيل دماي جت پلاسما يکنواخت‌تر شده و متناظر با آن، سطح برش قائمه شود. متاسفانه نازل‌هاي معمولي به برقراري ايجاد دو قوس (يک قوس بين الکترود و نازل و ديگري بين نازل و قطعه کار) دارند که باعث صدمه زدن به الکترود و نازل مي‌شود.

در صورت استفاده از دستگاه‌هاي برشکاري پلاسماي معمولي براي برشکاري انواع مختلف فلزات با ضخامت‌هاي مختلف، مشکل ايجاد خواهد شد. مثلاً، اگر از اين دستگاه‌ها براي برش فولادهاي زنگ نزن، فولادهاي معمولي و يا آلومينيم استفاده شود، مي‌بايستي سه نوع گاز متفاوت موردنياز براي برش اين فلزات، روي دسته مشعل نصب شود تا حالت بهينه کيفيت برش تحقق يابد. اين تجهيزات نه تنها فرايند را پيچيده مي‌کند بلکه به ذخيره گازهاي گران‌قيمت نظير آرگون و هيدروژن نياز دارند. به همين دليل، از چنين دستگاه‌هايي صرفاً براي کاربردهاي خاص استفاده مي‌شود.

فرايندهاي گوناگون برش پلاسما

اصولاً فرايندهاي گوناگوني براي بهبود کيفيت برش، پايداري قوس، کاهش سروصدا، دود، بخار و افزايش سرعت برش طراحي شده‌اند که در ادامه به‌طور مختصر به هر يک از آنها اشاره مي‌شود.   

1. جارش گاز دوتايي

اين تکنيک در 1965 توسعه يافته و به طور کلي مشابه فرايندهاي معمولي پلاسما عمل مي‌کند، اما تغييري بسيار کوچک در آن ايجاد شده است. همان‌طور که در شکل 6 مشاهده مي‌شود. گاز ثانويه پوششي، اطراف نازل را مي‌پوشاند. اثرات سودمند اين گاز ثانويه آن است که باعث انقباض قوس و کاهش تفاله‌ها زيرسطح برش مي‌شود. در اين حالت، گاز پلاسما معمولاً آرگون، آرگون- هيدروژن يا نيتروژن است و گاز ثانويه با توجه به نوع فلز موردنظر تعيين مي‌شود. براي برش فولادها، از هوا، اکسيژن و يا نيتروژن به عنوان گاز ثانويه استفاده مي‌شود. براي برش فولاد زنگ نزن و آلومينيم، از نيتروژن، آرگون- هيدروژن و دي اکسيدکربن استفاده مي‌شود.

  در صورتي که از هوا به عنوان گاز ثانويه استفاده شود، اکسيژن داخل هوا، انرژي اضافي را براي واکنش‌هاي گرمازا با فولاد ذوب شده ايجاد مي‌کند که اين انرژي اضافي، سرعت برش را تا حدود 25 درصد افزايش مي‌دهد. اگرچه از اين فرايند براي برش فولاد زنگ نزن و آلومينيم استفاده مي‌شود، اما سطح برش بسيار اکسيد شده و براي اکثر کاربردها قابل قبول نخواهد بود. در اين روش بايد از الکترودهاي «زيرکونيم» و «هف نيوم» استفاده کرد. زيرا در صورتي که گاز ثانويه اکسيژن باشد، باعث فرسايش الکترود تنگستني خواهد شد. در صورتي که از الکترودهاي تنگستني استفاده مي‌شود، دوره سرويس مي‌بايستي کوتاه‌تر از حالت روش پلاسماي معمولي باشد. در اين روش، سرعت برشي براي برش فولادها کمي بهتر از روش معمول است، اما کيفيت سطح برش پايين‌تر است. سرعت برشي و کيفيت براي برش فولاد زنگ نزن و آلومينيم تقريباً مشابه روش‌هاي معمولي است.

در اين روش نازل داخل يک محفظه سراميکي قرار دارد که گاز پوششي (ثانويه) از آن عبور کرده و به اين وسيله، نازل را از پديده دو قوسي محافظت مي‌کند. در صورتي که گاز پوششي وجود نداشته باشد، بار شعاعي بسيار داغي توسط جت پلاسما ايجاد شده و باعث صدمه ديدن محفظه سراميکي مي‌شود. مزاياي اين روش در مقايسه با روش‌هاي معمولي، عبارتند از:

1. کاهش ريسک پديده دوقوسي

2. سرعت بيشتر برش

3. کاهش گردي در لبه برش   

2. برش پلاسما توسط تزريق آب

در اين روش، از نيتروژن به عنوان گاز پلاسما استفاده مي‌شود. همان‌طور که در شکل 8 مشاهده مي‌شود، براي ايجاد انقباض بيشتر، آب به صورت شعاعي و يکنواخت، به داخل قوس تزريق مي‌شود تا کيفيت سطح برش افزايش يابد. اصابت شعاعي آب به اطراف قوس باعث انقباض بيشتر قوس نسبت به حالتي است که از ابزار معمولي براي انقباض قوس استفاده مي‌شود. همچنين، دما به طور نسبتاً زياد افزايش مي‌يابد و به حدود 30 هزار درجه سلسيوس مي‌رسد.

راه ديگر انقباض قوس توسط آب، ايجاد حلقه‌هاي چرخشي آب در اطراف قوس است. اين تکنيک بخوبي شيوه تزريق شعاعي نيست. زيرا در اين حالت، مقدار انقباض قوس توسط سرعت‌هاي چرخشي زياد موردنياز براي توليد حلقه ثابت آب، محدود مي‌شود. نيروي گريز از مرکز ايجاد شده توسط سرعت‌هاي چرخشي بالا باعث پهن شدن فيلم آب (برخلاف سوراخ داخلي نازل) مي‌شود.

همان‌طور که در شکل 9 ملاحظه مي‌شود، گرچه نقاطي از قوس با آب برخورد مي‌کند، اما به دليل دماي بسيار بالايي که توليد خواهد شد، کمتر از 10 درصد از آب تبخير مي‌شود و 90 درصد بقيه به شکل مخروطي از نازل خارج شده و سطح فوقاني قطعه کار را خنک مي‌کند. اين خنك‌كاري اضافي، از اکسيد شدن روي سطح برش جلوگيري مي‌کند.

علت تبخير مقدار کمي از آب در قوس اين است که لايه مرزي ايزوله شده‌اي از بخار، بين پلاسما و آب تزريق شده شکل مي‌گيرد. نام اين لايه مرزي بخار، «Linden frost Layer» بوده و به طور کلي شبيه ريزش آب از سطح خارجي اطراف کتري داغ به جاي تبخير فوري آن است. عمر نازل در اين فرايند، بسيار افزايش مي‌يابد زيرا اين لايه مرزي بخار، نازل را از گرماي شديد قوس محافظت مي‌کند و آب، نازل را در نقاط حداکثر انقباض قوس، خنک مي‌کند. قسمت پايين‌تر نازل را مي‌توان سراميکي انتخاب کرد. در اين حالت، پديده دو قوسي (عامل اصلي تخريب نازل) واقعاً حذف خواهد شد.

برخلاف فرايندهاي معمولي، بهينه‌ترين حالت کيفيت برش تمامي فلزات، زماني است که از نيتروژن به عنوان گاز پلاسما استفاده شود، زيرا قابليت نيتروژن براي انتقال گرما از قوس به قطعه کار، بالاست و از لحاظ فيزيکي نيز ايده‌آل به نظر مي‌رسد. نيتروژن باعث مي‌شود تا فرايندها اقتصادي‌تر و آسان‌تر شوند. همان‌طور که در شکل 10 مشاهده مي‌شود، يکي از ويژگي‌هاي اين گونه برش‌ها، آن است که وقتي براي برش مستقيماً نگاه کنيم، سمت راست شکاف قائمه بوده و سمت چپ کمي شيب دار خواهد بود. اين حالت به دليل تزريق آب نيست بلکه نتيجه جهت چرخش گاز برش بوده و ناشي از اين نکته است که بيشتر انرژي قوس، روي سمت راست شکاف توسعه يافته است. اختلاف در زاويه برش به‌خاطر شيب زياد و گردي بالاي سطح برش، چندان بديهي نيست. لذا در برشکاري قطعات کاربردي، جهت حرکت مي‌بايستي به گونه‌اي انتخاب شود که لبه برش قطعات قائمه باشد.

زاويه برش طرف با کيفيت بالا، معمولاً 2 درجه با زاويه قائمه اختلاف داشته و به ندرت نياز به ماشين‌كاري براي عمليات نهايي دارد. براي برش ورق‌هاي ضخيم مي‌توان از 65 درصد آرگون و 35 درصد هيدروژن به جاي نيتروژن استفاده کرد، زيرا عمق نفوذ جت پلاسما را بيشتر مي‌کند. اين حالت براي برش فولادهاي ضخيم و ساخت مجراهاي هسته‌اي، کاربرد دارد.

مزاياي اين روش در مقايسه با روش‌هاي معمولي عبارتند از:

1. بهبود کيفيت سطح (سطح تميز و نرم)

2. گونيا بودن سطح برش

3. افزايش سرعت برش

4. کاهش ريسک پديده دو قوسي و در نتيجه کاهش در فرسايش نازل

5. عدم ايجاد تفاله زير سطح برش در اکثر قطعات فولادي

6. قابليت استفاده از يک نوع گاز (نيتروژن) براي برش تمامي فلزات  

3. برش پلاسما توسط پوشش آبي

همان‌طور که در شکل 11 مشاهده مي‌شود، اين فرايند مشابه برش گاز دوتايي بوده و تنها در اين فرايند از آب به عنوان پوشش قوس استفاده مي‌شود. ظاهر سطوح برش و عمر نازل به‌خاطر اثر خنک‌کنندگي آب بهبود يافته است، اما قائم بودن سطح برش، سرعت برش و کاهش تفاله‌هاي زيرسطح برش، به‌طوري قابل ملاحظه افزايش نيافته‌اند زيرا آب نمي‌تواند باعث انقباض اضافي قوس شود. اين فرايند را مي‌توان حتي زماني که قطعه کار تا حدود 50 تا 75 ميلي متر زير سطح آب باشد نيز به کار برد. آب در مقايسه با پلاسماي معمولي، به عنوان مانعي براي تحقق مزاياي ذيل عمل مي‌کند:

1. کاهش گاز و دود

2. کاهش سروصدا

3. بهبود عمر نازل

مثلاً، سطوح صدا در سطوح جريان بالا در پلاسماي معمولي dB115 است، اما در اين روش تا dB96 و در برش زير آب تا dB85-52 کاهش يافته است.

4. پلاسماي هوايي

در اين فرايند، هوا مي‌تواند با گازهاي خنثي پلاسما مانند آرگون و نيتروژن جايگزين شود، اما مي‌بايستي الکترود مورداستفاده «هف نيوم» يا «زيرکونيم» بوده و روي نازل مسي سوار شده باشد. همچنين هوا به عنوان جايگزين آب براي خنك‌كاري مشعل به کار مي‌رود. مزيت مشعل پلاسماي هوايي آن است که در آن، از هواي ارزان‌قيمت به جاي گازهاي گران‌قيمت استفاده مي‌شود. به اين نکته مي‌بايستي توجه داشت که گرچه الکترود و نازل فقط قابل مصرف مي‌باشند، ولي نوک الکترود «هف نيوم» در مقايسه با الکترود تنگستني، گران‌قيمت است.   

5. پلاسماي با تلرانس بالا

براي بهبود کيفيت سطح و رقابت با کيفيت برش بالاتر از برش ليزري، سيستم‌هاي برش پلاسما با تلرانس بالا در دسترس بوده و با پلاسماي بسيار منقبض شده، کار مي‌کنند. شکل 13، پلاسماي با تلرانس بالا را نشان مي‌دهد. تمرکز پلاسما توسط نيروي اکسيژن توليدي براي پيچش، عملي شده است به‌طوري که اکسيژن وارد لوله پلاسما شده و جريان گاز ثانويه از قسمت پايين نازل پلاسما تزريق شده است.

بعضي سيستم‌ها داراي ميدان مغناطيسي جداکننده‌اي هستند که قوس را احاطه مي‌کند. اين ميدان، جت پلاسما را توسط نگهداري چرخش القا شده توسط گاز پيچشي، بالانس مي‌کند. اين روش تکنيکي مکانيزه است که نياز به دقت و تجهيزات سرعت بالا دارد. مزاياي اين روش عبارتند از:

1. افزايش کيفيت برش بين پلاسماهاي معمولي و برش توسط ليزر

2. باريک بودن پهناي شکاف

3. کمترين اعوجاج به علت کوچک بودن منطقه HAZ

عيب عمده اين روش آن است که مي‌تواند قطعات تا حداکثر ضخامت 6 ميلي‌متر را برش دهد و سرعت برشي آن کمتر از فرايندهاي پلاسماي معمولي بوده و تقريباً معادل 60 تا 80 درصد از سرعت برش ليزري است.   

6. برش پلاسما توسط تزريق اکسيژن

اين فرايند، مسئله عمر الکترود مربوط به برش هوا توسط استفاده از گاز نيتروژن به عنوان گاز پلاسما و استفاده از گاز اکسيژن عبوري به صورت جريان پايين از سوراخ نازل را حل کرده است. اين فرايند منحصراً براي فولادها به کار برده مي‌شود. در صورت استفاده از 80 درصد نيتروژن و 20 درصد اکسيژن، سرعت برش تا 25 درصد افزايش مي‌يابد. از جمله معايب اين روش، عدم عمود بودن سطح برش، عمر کوتاه نازل و محدوديت همه‌کاره بودن (فقط براي برش فولاد) آن است. گرچه اين فرايند هنوز در بعضي از موقعيت‌ها به کار مي‌رود، اما فرايند تزريق توسط آب تقريباً جايگزين آن شده است. شکل 14 اين فرايند را نشان مي‌دهد.

3-برشکاری با ماشين های واتر جت

مشخصات کلی ماشين های واتر جت

o        قابليت برش فلزات و غير فلزات

o        عمق برش بسيار بالا ( تا 15 سانتیمتر )

o        قابليت برش مواد شکننده مانند سنگ و سراميک

o        قابليت برش در مواردی که تنش حرارتی نبايد وجود داشته باشد

o        سرعت بالای برش در مقايسه با ساير روش های برش کاری

دستگاه های صنعتی برش واتر جت، ابتدا در حدود سال 1980 مورد استفاده قرار گرفتند. واتر جت دستگاهی است برای برش که با جريان بسيار پر فشار آب کار می کند. گرچه عجيب به نظر می رسد، اما اگر سرعت آب به حد کافی افزايش يابد، می تواند حتی فلزات و سنگ را نيز برش دهد. واتر جت را می توانيد دستگاهی در نظر بگيريد که فشار آب آن حدودا 30 برابر فشار آب کارواشی است که خودروی خود را در آن می شوييد. کليد برش فلزات يا سنگ توسط آب در اين است که آب خروجی نبايد پخش شود و بايد در يک خط مستقيم حرکت کند. علت اين که دستگاه های واتر جت می توانند برش بزنند، در اين است که آب خروجی در يک نازل بسيار باريک ساخته شده از سنگ قيمتی با فشار بسيار بالايی هدايت می شود تا به صورت مستقيمی خارج شود.

دستگاه های واتر جت هيچ گاه بر خلاف اره های صنعتی به خاطر گرم شدن از کار نمی افتند.

از دستگاه های واتر جت برای برش طيف وسيعی از مواد می توان استفاده کرد که عبارتند از :

          سنگ مرمر، سنگ گرانيت و ساير سنگ ها

          انواع فلزات  مانند تيتانيوم و آلياژهای فلزی مانند استينلس استيل

          پلاستيک

          پلکسی

          لاستيک

          چوب

دستگاه های واتر جت می توانند چندين لايه از ورق که روی هم قرار گرفته اند را نيز برش دهند. اين دستگاه های برش بی بو، بدون غبار و تقريبا بدون حرارت، علاوه بر امکان برش تا ضخامت های بسيار بالا، امکان برش ورقه های تا ضخامت 0.1 ميلی متر را نيز دارند. ضخامت بسيار کم آب خروجی باعث می شود که لبه برش واتر جت بسيار صاف بوده و نيازی به پرداخت مجدد نداشته باشد.

واتر جت ها به دو روش کار می کنند :

          برش با آب خالی

          برش با آب و مواد ساينده مخلوط شده با آب

روش اول برای برش مواد نرم و روش دوم برای برش مواد سخت به کار می رود.

در واترجت ها، فشار آب بين 20000 تا 55000 PSI است. آب در اين دستگاه ها از روزنه ای به اندازه 0.26 تا 0.28 ميلی متر در يک سنگ قيمتی عبور می کند.

 

 منابع:

1-كتاب نمونه‌سازي و ابزارسازي سريع، دكتر عبدالرضا سيم‌چي، مهندس اميرحسين توكلي

2-كتاب فناوري نمونه‌سازي سريع، دكتر صادق رحمتي، مهندس مجتبي سليمي

3- سايت دانشکده ی مهندسی صنايع دانشگاه علم و صنعت

4- پايگاه اطلاع‌رسانی مهندسی ساخت و توليد ايران

برگرفته از mohandesan.com

 

Real Time Web Analytics