Дослідження змін виробничого та економічного стану
Вівторок, 03 травня 2016 р., 18:00.
Ключовим питанням промислового виробництва з точки зору якості та економічності є вибір технологічної технології, яка буде використана у виробництві, та її впровадження. Конструктори верстатів призначають високоміцні матеріали, щоб забезпечити більш високі питомі показники та втрату ваги.
Ці матеріали надзвичайно важко або неможливо обробити звичайними механічними методами різання. Спеціальна механічна обробка - це процес розділення матеріалу, який відрізняється від звичайних процесів різання та невизначеного кромки своїми фізичними кромками та технологічними характеристиками [4, 9, 12]. Метою нашого дослідження є пошук відповідних налаштувань верстата (оптимізація) на верстаті з ЧПУ типу Thermocut 2060 із плазмовим та полум'яним різанням - забезпечується Ferro Gép '99 Kft., З яким толерантність до розмірів готових деталей буде настільки точною, як можливо.
Плазмове різання - це один із процесів термічного різання та нарізки. Плазма - це повністю іонізований газ (іон атомів світла), де вся речовина складається із вільних ядер та електронів, і вони відокремлюються від орбіти навколо ядра якимось збудженням. Збудження може бути на основі тепла або удару. Вимогою до встановлення стану плазми є те, що ступінь збудження повинен бути на рівні, що перевищує рівень енергії зв'язку атомів газу та пов'язаних з ними електронів. Коли ця умова досягнута, слід подбати про те, щоб температура плазми не була занадто високою, щоб запобігти ланцюговій реакції. Після твердого, рідкого та газоподібного станів речовини це називається четвертим станом речовини.
Під час плазмового різання інтенсивна та висококонцентрована плазма в зазорі, який потрібно вирізати, плавить метал, а кінетична енергія газів виводить розплавлений метал із ріжучого зазору. При плазмовому різанні не відбувається екзотермічного процесу, тому матеріали, що не є полум’ям, можна різати.
Якість поверхні, отримана різанням, приблизно така ж, як і якість поверхні різання полум’ям, але під час плазмового різання поверхня різу завжди має деяке кутове відхилення, як правило, порядку декількох градусів. Причиною появи кутового відхилення є те, що тепловіддача плазмової дуги більша в області ріжучого зазору ближче до гармати. Однак це явище відбувається лише при звичайній технології різання дугою плазмою.
Якщо заготовку занурити (різання плазмовою дугою з водяним покриттям) або використовувати ріжучий пістолет із подвійним розливом (наприклад, подвійне різання плазмової дуги з газовим подаванням), це явище можна усунути.
Однак економічність операції сильно погіршується тим фактом, що інструменти та обладнання, необхідні для проведення процесу різання, є дуже дорогими, тому перед операцією різання необхідно продумати, яку технологію використовувати залежно від економічних показників [3, 4, 5].
Серед статей, знайдених у рецензованій вітчизняній та міжнародній літературі, з обраної нами теми було небагато статей, які можна було б оцінити для нас. Переважна більшість статей досліджує плазмове різання газоподібним азотом [1, 9] для оцинкованих сталей та прописує математичні моделі для різання зразків [11, 12].
Кілька статей стосуються вивчення будови плазмового сопла та мікроструктурного вивчення катодного плазмового різання гафнію та різання аустенітних сталей [6, 10]. У багатьох статтях можна провести порівняння плазмового різання, лазерного різання та абразивного променя [2, 15, 16].
Є статті, в яких поведінку алмазного покриття досліджується експериментально [7, 8, 14]. Таким чином, можна сказати, що література з плазмового різання є досить обширною, але неповною стосовно завдання оптимізації. Тому ми хочемо зменшити цей розрив за допомогою наших досліджень.
Презентація експериментальних інструментів
Умови експерименту: нормальний клімат DIN50014 та ISO554-1970
Кліматичний сигнал: Звичайний клімат DIN50014 - 20/65 - 1
Верстат для плазмового та полум'яного різання Thermocut 2060 з ЧПУ (рисунок 1) розроблений для різання м'якої сталі невеликої, середньої та великої товщини. Оброблювана сировина: сталь, лиття під тиском, алюміній, нержавіюча сталь, легована сталь, інші метали, крім магнію. Машина для плазмового різання має як автоматичний, так і ручний режими, обидві функції додатково розділені, режими не можна змінювати під час механічної обробки.
Малюнок 1. Терморізальна машина для плазмового та полум'яного різання з ЧПУ 2060
Демонстрація інструментів, використаних для експерименту
Плазмове різання в основному залежить від типу плазмотрона (рис. 2), який включає утримуючий ковпачок, обертове кільце, екран, сопло та електрод. Термін служби цих частин обмежений.
Рисунок 2. Деталі плазмотрона
Термін служби електрода здебільшого визначається силою струму різання, довжиною утримуваної дуги, кількістю запалювань дуги та типом використовуваного газу (у нашому випадку стисненого повітря). На термін служби сопла (рис. 3) та екрану впливають домішки у використаному газі та відкладення розплавленого металу, що утворюються під час різання.
Рисунок 3. Мідні форсунки
Форсунку та щиток слід вибирати залежно від сили струму, необхідної для різання пластини. Якщо будь-яка зношена деталь згоряє або вольфрамовий електрод згоряє від струмовіддачі, неточність заготовки, яку потрібно вирізати, прямо пропорційна її зносу. Початковий боковий перекіс і шорсткість поверхні поверхні зрізу також збільшуються, при цьому розмір зрізу наближається до краю поля допуску. Висота займання плазмового різака (6 мм), швидкість подачі інструменту (500 мм/хв) і висота різання (4 мм) зберігаються на заданих значеннях, не встановлюються.
Для експерименту я обрав деталь пластини розміром 100 × 70 мм із отвором Ø30 мм для своєї заготовки з різною товщиною пластини (рис. 4). Деталь включає як зовнішні, так і внутрішні вирізи. Плазмове різання може бути використано для виконання іншої операції підкачки, яка не використовується в експерименті.
Рисунок 4. Заготовка, що використовується для експерименту
Устаткування для плазмового різання може різати сталь до 25 мм, але, починаючи з Ferro Gép '99 Kft. Щорічно використовує перераховані товщини пластин для більшості своїх виробів, починаючи з якості матеріалу S235JRC + N, ми вибрали товщини пластин, які найчастіше знімаються з виробництва.
Для випробувань використовувались наступні вимірювальні прилади:
- звичайний супорт (150 мм, 1/20);
- стандарт порівняння шорсткості поверхні.
Для готових вирізаних плазмових заготовок був виготовлений вимірювальний пристрій (рис. 5), призначення якого - можливість вимірювати кожну заготовку в одній точці. На стороні 70 мм я виконую 9 вимірювань на деталь, а на стороні 100 мм - 5 штук. Я вимірюю отвір у 4 точках, тоді як положення отвору вимірюється у 2-2 точках. Для вимірювань були підготовлені протоколи.
Рисунок 5 Вимірювальний пристрій
Вимірювальний пристрій складається з шести частин (рис. 6), з яких основна пластина, плоска пластина, вимірювальна пластина та опори вирізані з пластини 3 мм на матеріалі з лазерним різанням з ЧПУ, якість матеріалу S235JRC + N. Вимірювальна пластина вимагає подальшої механічної обробки, вона зігнута під кутом 90 ° за допомогою гнучкового кромки з ЧПУ.
Рисунок 6. Будова вимірювального приладу
Презентація експериментальної конструкції
Посібник обладнання для плазмового різання був покладений в основу експериментальної конструкції (рис. 7) [13.]. Для кожного зрізу на верстаті було змінено чотири параметри та дві деталі. Використовуючи комбінацію заводських налаштувань за замовчуванням та значень досвіду з моменту використання, ми визначили оптимальні налаштування машини для найбільш точних деталей. Введені налаштування за замовчуванням неправильні, деталі були неточними, поле допуску близьке до IT16.
Для звуження експериментальної конструкції застосовували метод Тагучі.
Рисунок 7. Експериментальне проектування
Вимірювання та оцінки
Оцінки готових заготовок виконувались наступним чином. Допуск нетолерантних розмірів заготовки (MSZ ISO 2768-c) вказаний на кресленні компонента, в цьому випадку необхідно передбачити ± 0,5 мм до 6–30 мм і ± 0,8 мм до 30–120 мм. Виходячи з цих допусків, для кожної товщини пластини було обрано загальний допуск (± 0,5 мм).
Для оптимізації a Бокс-Вільсон використовуючи метод, дані продемонстрували тенденцію до поліпшення, коли значення почали погіршуватися, що означає, що оптимальні налаштування вже були включені в вимірювані дані. Таким чином, ми шукали допуски, присвоєні значенням, записаним у протоколі, і ці допуски були побудовані на діаграмах, вказуючи визначене поле допуску, з якого крива для даного параметра не могла перейти межу. Розміри вирізаної заготовки позначені на горизонтальній осі, а допуски у звіті вказані на вертикальній осі на основі виміряних значень. Ці допуски на вимірювання були пов'язані для полегшення видимості. Коди вимірювань були присвоєні кривим, перша цифра яких вказує товщину пластини, друга розмір сопла, третя струм і четверта швидкість подачі. З результатів різання ми обрали криву, яка не перетинає поле допуску, яка містить розміри для оптимальних налаштувань.
На діаграмах, що називаються «експериментальними налаштуваннями», горизонтальною віссю є швидкість подачі, під нею ширина плазмової дуги як швидкість подачі, а вертикальна вісь як струм, а ширина плазмової дуги як функція струму. При оцінці результатів різання оптимальні налаштування відображалися червоним кольором, неправильні налаштування чорним кольором, а також налаштування необрізаної заготовки без крапки, які більше не були необхідними за методом Бокса-Вільсона.
На додаток до оптимальних налаштувань, можливі також параметри налаштування, які можна використовувати для забезпечення заданого поля допуску під час різання. Тут також можуть виникнути проблеми: конусність, спричинена дугою плазми, виникає більшою мірою, шорсткість поверхні може бути шорсткою, а тріщини поверхні виникають більшою мірою через розбризкування. Бюджети експериментів можуть цього не дозволяти, і час обмежений, ви можете шукати додаткові налаштування роками. Оскільки було виміряно кілька товщин пластин, через брак місця представлена лише одна товщина пластини (2 мм).
На рисунку 8 показані результати різання 2-міліметрової пластини. Одне налаштування (код вимірювання 2-45-37-2100) перетер поле допуску, але все одно виявилося прийнятним. Два налаштування залишились повністю в межах поля допуску (коди вимірювань 2-45-37-2200 та 2-45-37-2300). На основі значень, найближчих до номінального розміру, було обрано оптимальну настройку (номер коду вимірювання 2-45-37-2300).
Порівняння шорсткості поверхні все ще залишалося проблемою через товщину плити. Конусність, спричинена плазмовою дугою, вже була помітно присутня, але її ще не можна було виміряти, вона вплинула на виміряні значення при неправильних налаштуваннях. Сканування шорсткості поверхні є неточним, оскільки через товщину пластини недостатньо місця. Налаштування в експерименті показані на малюнку 9. При 40 А, використовуючи останню швидкість подачі, показану на малюнку (2400 та 2500 мм/хв), більше не було необхідності вирізати заготовку в експерименті за методом Бокса-Вільсона.
Рисунок 8. Результати різання 2-міліметрової пластини
Рисунок 9 Оптимальні настройки для пластини 2 мм
Оптимізовані дані налаштування верстата для товщини пластини 2 мм (S235JRC + N):
Після плазмового різання всіх пластин можна зробити наступні спостереження:
Для товщини між оціненою товщиною пластин струми знаходяться в оптимальному діапазоні (наприклад, розмір 1,5 мм знаходиться в межах від 1 до 2 мм. Його струм може становити від 30 до 37 А. Як видно з експериментальної конструкції, це, безумовно, 34 Це буде).
Основною проблемою плазмового різання є конусність, спричинена плазмовою дугою, яку неможливо усунути. Основним фактором, що впливає на нього, є ТГК, поведінка якого під час роботи вимагає подальшого дослідження. Зі збільшенням товщини пластини збільшується і конусність, спричинена плазмовою дугою в пластинах.
Порівняння шорсткості поверхні зі збільшенням товщини пластини є більш точним, оскільки доступно більше місця для сканування.
Навіть для товстіших плит (5 мм, 8 мм, 12 мм) також виникала перпендикулярність кутів заготовки. Плазма не ріжеться під кутом, але на пластинах відбувається округлення внаслідок швидкого розвороту та перегріву. Якщо ви хочете пластину з перпендикулярним краєм, ви повинні зробити деталь з припуском і переробити її.
Для дірок плазмовий різак не починає абзац з центру. Для товстіших пластин отвори приймають овальну форму. Чим товщі пластини, тим більший отвір ми можемо зробити лише за допомогою плазмового різака у формі. Емпіричне значення принаймні втричі перевищує товщину пластини або вище.
Схильність пластин до деформації внаслідок нагрівання також залежить від розміру деталей, в яких велику роль відіграє об’єм деталей. Зі збільшенням товщини пластини деформація зменшується для тих самих заготовок.
Резюме
Ключовим питанням промислового виробництва з точки зору якості та економічності є вибір технологічної технології, яка буде використана у виробництві, та її впровадження. Ми провели дослідження на сімейному підприємстві в Гедельйо, Ferro Gép '99 Kft., Темою якого є оптимізація процесу різання плазмового та полум'яного різального апарата з ЧПУ типу Thermocut 2060 для різної товщини пластин. Вирізані заготовки виготовлялися з якісного матеріалу, який найчастіше різав компанія, різної товщини плити. Під час скорочень експеримент проводився за методом Бокса-Вільсона. Після того, як були зроблені надрізи, заготовки зважували і реєстрували виміряні дані. Діаграми були зроблені з результатів вимірювань для кращої наочності. Горизонтальна вісь показує розміри вирізаної заготовки, а вертикальна - допуски у звіті на основі виміряних значень. З результатів різання ми обрали криву, яка не перетинає поле допуску, яка містить розміри для оптимальних налаштувань, знаходячи таким чином оптимізовані параметри налаштування.
Доктор Аттіла Карі-Горват
Університет Сент Іштван
Інститут технології машинобудування
Кафедра матеріалів та машинобудування
Нора Сіладжі
Використана бібліографія
[1.] Chang, J. S., Looy P. C., Broeilo Z D. et al: Характеристика частинок, що утворюються термічним плазмовим різанням оцинкованих сталей, J. Aerosol Sci. Vol. 30, Suppl, 1, p. 5681–5682, 1999
[2.] Даніель Крайкарц: Порівняння металевого водяного струменя з лазерним та плазмовим різанням, 24-й Міжнародний симпозіум DAAAM з інтелектуального виробництва та автоматизації, 2013, Procedia Engineering 69, pp. 838–843, 2014
[3.] Дудас І.: Технологія машинобудування І., Технологічні основи машинобудування, Видавництво Університету Мішкольца, 2000 р.
[4.] Ердеді Л.: Спеціальна механічна обробка, Університет Мішкольця, машинобудівний факультет. Рукопис. Видавництво підручників, 1990 рік
[5.] Йожеф Гаті, доктор: Кишенькова книга зварювання, Технічне видавництво, 1996 р.
[6.] Гуань Юбо, Гуруй Чжао, Сінінін Сяо: Проектування та експерименти плазмового реактивного запалювача для аеродвигунів, двигунів та енергетичних досліджень 2 (3) с. 188–193, 2013
[7.] Цзя П.: Дослідження критичної глибини різання скла BK7 при алмазному різанні, Форум з матеріалознавства Форум з матеріалознавства, Trans Tech Publ., С. 230–233, 2014
[8.] Кім С., Ле Д., Лі С., Сонг К., Лі Д.: Експериментальне статистичне прогнозування зносу алмазного інструменту в мікрорізьбових сплавах NiP, Діам. Relat. Матер. 41 (2014) 6–13
[9.] Маандль С., Ріхтер Е., Гюнцель Р., Меллер В.: Імплантація азотом занурення в іонну плазму у високошвидкісну сталь, Ядерні прилади та методи фізичних досліджень B 148, с. 846–850, 1999
[10.] Mansoureh Ebrahimi, Farzad Mahboubi, M. Reza Naimi-Jamal Зносова поведінка плівки DLC на плазмі нітрокарбонованої сталі AISI 4140 імпульсною постійною напругою PACVD: Вплив температури нітрокарбонізації, Diamond & Related Materials 52 pp. 32–37, 2015
[11.] Наріманян Арсен: Односторонні умови моделювання фронту зрізу під час плазмового різання: МКЕ-рішення, прикладне математичне моделювання 33 с. 176–197, 2009
[12.] Суббарао Чамарті, Н. Сініваса Редді, Манодж Кумар Еліпей, Д. В. Рамана Редді: Аналіз досліджень параметрів різання плазмової дуги на поверхні нерівностей матеріалу Hardox-400, Міжнародна конференція з ПРОЕКТУВАННЯ ТА ВИРОБНИЦТВА, IConDM 2013, Procedia Engineering 64, стор. 854–861, 2013
[13.] Totál-Gép Kft.: КЕРІВНИЦТВО З ПЛАЗМИ ТА ПЛАЗМИ ТЕРМОКУТУ 2060 З ЧПУ, Ньєредьхаза, 2014
[14.] Веньдзі Сю, Шуай Хуан, Фазе Чень, Цзіньлун Сонг, Сінь Лю: Властивості алмазного зносу в холодній плазмовій струмені, Алмази та супутні матеріали 48 с. 96–103, 2014