5.25. Термическая резка
Кислородная резка (называемая также газовой или газокислородной)заключается в сжигании металла в струе кислорода и удалении образующихся окислов этой струёй.
Для начала горения металл подогревают до температуры его воспламенения в кислороде (например, сталь до 1200°C), после чего подают струю режущего кислорода, под действием которой нагретый металл начинает гореть, выделяя при этом значительное количество дополнительной теплоты. Например, при горении железа выделение теплоты происходит по реакции
3Fe + 2O2 = Fe3O4 + Q.
Дополнительная теплота вместе с подогревающим пламенем нагревает лежащие ниже слои металла на всю его толщину. Образующиеся окислы расплавляются и выдуваются струёй режущего кислорода из зоны реза. В процессе резки струю перемещают по траектории, соответствующей необходимой конфигурации реза.
Кислородная резка может быть ручной и машинной. Инструментом для выполнения резки служит резак. Для ручной резки в настоящее время наиболее широкое применение получили универсальные резаки, которые обеспечивают возможность резки стали толщиной от 3 до 300 мм в любом направлении, имеют малую массу и удобны в обращении. При резке металла толщиной от 300 до 2000 мм используют специальные резаки.
Как и сварочные горелки (рис. 5.14), универсальные резаки имеют инжекторное устройство. При этом инжекторный резак отличается от инжекторной горелки тем, что имеет отдельный канал для подачи режущего кислорода и специальную головку, которая включает в себя два сменных мундштука – внутренний и наружный.
Универсальный газокислородный резак (рис. 5.45) состоит из рукоятки 1, внутри которой расположены трубка для подачи кислорода 2 и трубка для подачи газа 3, которые на входе в рукоятку имеют ниппели для присоединения кислородного и газового (обычно ацетиленового) рукавов. Трубка для подачи газа 3 проходит через регулировочный газовый вентиль 4, а трубка для подачи кислорода 2 проходит через вентиль 5 для регулировки кислорода, подающегося на подогрев, и через вентиль 6 для регулировки режущего кислорода. На выходе из рукоятки трубки для подачи режущего кислорода и газа, смешанного с кислородом, образуют наконечник 7, который после изгиба под прямым углом заканчивается мундштучной головкой 8.
Работает газокислородный резак следующим образом. Кислород из баллона через редуктор и рукав с ниппелями поступает в резак и в его рукоятке разветвляется по двум каналам. Одна его часть, проходя через вентиль 5, направляется в инжектор 9, выходя из которого с большой скоростью, создает разрежение и подсасывает горючий газ из трубки 3, образующий с кислородом в смесительной камере 10 горючую смесь, которая, проходя через охватывающий зазор мундштучной головки 8 (см. увеличенный рис.), сгорает, образуя подогревающее пламя 11.
Другая часть кислорода через вентиль 6 поступает в трубку режущего кислорода, и, выходя через центральный канал мундштучной головки 8, образует струю режущего кислорода 12.
|
7 8
2 1 О2 5 6 3 4 С2Н2 8 11 9 10 С2Н2+О2 О2
12
Рис. 5.45. Газокислородный резак: 1 – рукоятка; 2 – кислородная трубка; 3 – газовая трубка; 4 – газовый вентиль; 5 – вентиль подогревающего кислорода; 6 – вентиль режущего кислорода; 7 – наконечник; 8 – мундштучная головка; 9 – инжектор; 10 – смесительная камера; 11 – подогревающее пламя; 12 – струя режущего кислорода |
С помощью обычной кислородной резки хорошо разрезают заготовки из железа, низкоуглеродистых и низколегированных сталей. А для успешной резки высокоуглеродистых и высоколегированных, в частности, коррозионно-стойких сталей, чугуна и цветных металлов применяют кислородно-флюсовую резку, при которой в зону реза вместе с режущим кислородом вдувают порошкообразные флюсы, которые дополнительно увеличивают тепловыделение, образуют с перечисленными металлами достаточно легкоплавкие шлаки и, летя с большой скоростью, механически удаляют тугоплавкие окислы этих металлов.
Для удаления прибылей крупных отливок, прожигания круглых отверстий в толстом металле, бетоне или железобетоне, а также для разрезания бетона или железобетона толщиной до 1200 мм применяют резку кислородным копьём. Копьё образуется (рис. 5.46-а) стальной трубкой1, имеющей диаметр 10…35 мм, толщину стенки порядка 5 мм и длину 3…6 м, вставленной в рукоятку2, снабжённую штуцером3для подачи кислорода внутрь трубки1. Процесс начинается с подогрева конца трубки газовой горелкой4или сварочной дугой до температуры воспламенения материала трубки в кислороде. При достижении нужной температуры в трубку1подают кислород, её конец начинает гореть, и его прижимают к поверхности прорезаемого материала5; дальнейший подогрев при этом становится не нужен. В результате горения конца трубки образуются жидкотекучие окислы железа, реагирующие с прорезаемым материалом и образующие шлаки, которые выдуваются из полости реза (рис. 5.46-б). Копье при резке периодически поворачивают и по мере сгорания трубки перемещают в глубину реза. Для усиления эффективности резки в трубку1кроме кислорода с помощью дополнительного штуцера6может подаваться газо-флюсовая смесь. Такой процесс называютрезкой порошковым копьем.
|
О2
Воздушно-флюсовая струя 2 3 4 5 6 1
а)
б)
Рис. 5.46. Резка кислородным копьём: а – начало работы; б – процесс резки; 1 – трубка копья; 2 – рукоятка; 3 – кислородный штуцер; 4 – газовая горелка; 5 – прорезаемый материал; 6 – дополнительный газо-флюсовый штуцер |
По назначению и соответствующему направлению режущей кислородной струи различают два вида резки.
|
Рис. 5.47. Разделительная резка |
Рис. 5.48. Поверхностная резка |
При разделительной резке(рис. 5.47) режущая струя направлена по нормали к поверхности заготовки и прорезает её на всю толщину. Разделительной резкой разрезают отливки и профили, раскраивают листовую сталь, вырезают круги, фланцы, сквозные отверстия.
При поверхностной резке(рис. 5.48) режущая струя направлена под малым углом к поверхности заготовки и позволяет делать пазы или канавки, выполнять грубую строжку или обдирку, а также удалять поверхностные дефекты отливок.
Резку плазменной струёй,плазменной дугойилазернуюможно применять практически для всех материалов.
При плазменной резке в качестве резака используют плазмотрон. При разделительной резке плазменной струёй (рис. 5.11-а) сопло плазмотрона располагают в непосредственной близости (1,5…2 мм) от поверхности заготовки и проводят локальное выплавление или сжигание материала. Ширина реза при этом весьма незначительна: 1…2 мм, шероховатостьRz= 30…40 мкм. Резку плазменной струёй применяют для разрезания неэлектропроводных материалов (например, керамики), тонких стальных листов, алюминиевых, медных и жаропрочных сплавов.
Для резки токопроводящих материалов большой толщины с целью увеличения тепловой мощности используют плазменную дугу (рис. 5.11-б), которой разрезают листы алюминиевых и медных сплавов, а также высоколегированную сталь толщиной до 200 мм. Плазменно-дуговая резка более эффективна и используется чаще, чем резка плазменной струёй.
По сравнению с кислородной резкой плазменная обладает значительно более высокой скоростью резки и даёт более точные и высококачественные резы, при которых в большинстве случаев исключается или заметно сокращается последующая механическая обработка. Однако для плазменной резки требуется более дорогое и сложное оборудование, а максимальная толщина плазменного реза значительно уступает кислородной резке.
В настоящее время большое распространение получает лазерная резка, которая легко управляется с помощью компьютера, обеспечивает малую зону нагрева (0,1…0,2 мм), незначительную ширину реза (0,2…0,8 мм), шероховатость Rz= 20…30 мкм и практически неокисленные разрезанные кромки.
По сравнению с механическими методами лазерная резка обеспечивает значительно более высокую производительность при раскрое материала как по простому, так и по сложному контуру, и при этом отсутствует износ инструмента. А по сравнению с кислородной или плазменной резкой лазерная даёт более высокие точность и чистоту реза, исключая необходимость дальнейшей механической обработки. Однако толщина разрезаемого материала при лазерной резке значительно меньше и обычно не превышает 25 мм.
Электроэрозионное разделение обеспечивает аналогичные качество и точность, но значительно (примерно в 10 раз) уступает лазерному в производительности.
С помощью лазерной резки не только изготавливают машиностроительные детали, раскраивают листовой материал в самолёто-, судо- и автомобилестроении, но также изготовляют мозаичные и декоративные панно для украшений и облицовки мебели. Особенно целесообразно применение лазерной резки в единичном и мелкосерийном производстве, например, для вырезки в уже отштампованных обечайках проёмов под иллюминаторы. Лазерная резка используется для пробивки отверстий, нанесения размерных шкал на мерительные инструменты, а также для гравировки различных поверхностей.
При нагреве лазерным лучом некоторых хрупких материалов типа керамики или стекла в них возникают значительные напряжения, обусловленные высоким перепадом температуры. В результате в таких материалах возникают трещины, которые следуют за перемещающимся лазерным лучом с некоторым запаздыванием, в результате чего происходит процесс разделения, называемый термораскалыванием.
Процесс скрайбированиязанимает промежуточное положение между резкой и термораскалыванием. Он заключается в нанесении лазерным лучом на поверхность материала концентраторов напряжений в виде надрезов или трещин глубиной 25…350 мкм с последующим разламыванием материала вдоль этих трещин механическим воздействием.