Cięcie metali - serwis informacyjny o technologiach cięcia, historii metali przemysłowych i ciekawostkach technicznych z dziedziny wynalazków, oraz obróbki metali.

cięcie metali

Początki technologii cięcie mechaniczne

Piła jako podstawowe narzędzie znana była już w starożytności. Grecy ten wynalazek przypisują Talosowi, który uchodził za syna Perdiks i siostrzeńca Dedala . Konstruując pierwszą piłę podobno wzorował się na szczęce węża. I coś w tym chyba jest…..Oceńcie sami (rys.) – klikaj w obrazki by powiększyć >>

  • Rozróżniamy trzy podstawowe rodzaje cięcia mechanicznego –  plastyczne za pomocą krawędzi tnących narzędzia na prasach lub nożycach (gilotynowych, krążkowych lub dźwigniowych),
  •  kuźnicze (operacja kucia mająca na celu rozdzielenie kutego materiału na części, wykonywana przecinakami i zabijakami),
  • skrawające – najpopularniejsze, wykonywane piłami.

A oto definicja naszego bohatera:

Piła –  narzędzie lub element maszyny/urządzenia w formie ząbkowanego ostrza służące do cięcia materiałów takich jak drewno, kamień, metal i innych ciał stałych. Ostrze to wprawiane jest w ruch w zależności od rodzaju piły, np. za pomocą mięśni ( cięcie ręczne) lub energii elektrycznej, parowej czy wodnej (cięcie mechaniczne). Piła zwykle składa się z zębatego ostrza zwanego brzeszczotem napiętego w ramie lub zaopatrzonego w jeden lub dwa uchwyty służące do jego poruszania. Piły w formie stalowej taśmy napiętej w ramie lub zaopatrzonej w uchwyty pracują ruchem posuwisto – zwrotnym wykorzystując jeden (pchanie lub ciągnięcie) lub obydwa cykle robocze.

Nowe technologie cięcia

cięcie wodą metali

cięcie wodą metali

Cięcie metalu wodą 

jest procesem ubytkowym. Odbywa się przez skierowanie bardzo wąskiego strumienia wody pod wysokim ciśnieniem, który skupia całą swoją energię na niewielkiej powierzchni materiału ciętego, usuwa materiał na swojej drodze i dokonuje przecięcia. Energia kinetyczna strumienia jest przekształcana w pracę dekohezji materiału. Szerokość szczeliny po cięciu wynosi 0,2 do 1,5 mm, a szybkość strumienia wody u wylotu

dyszy dochodzi do 1.000 m/s. Uzyskiwane ciśnienie wynosi około 400 MPa, w zależności od użytej pompy. Cięcie wodą zdecydowanie różni się od pozostałych metod tym, że odbywa się na zimno – temperatura procesu nie
przekracza 40 oC .

Cięcie materiałów (szczególnie metalu) wodą nie należy do najtańszych technologii, aczkolwiek jest popularne ze względu na swoje niepodważalne zalety . Skrawany materiał nie podlega mechanicznym przeciążeniom i oddziaływaniom termicznym, a uzyskany  półfabrykat nie potrzebuje dalszej obróbki. Po tym procesie uzyskujemy produkt – materiał o niezmienionych własnościach fizyko-chemicznych. Ponadto strumieniem wody możemy ciąć wszystkie gatunki stali

maszyna o cięcia metali

woda-cięcie

Technologia cięcia strumieniem wody opisywana jest jako technologia przyjazna środowisku, ponieważ:

  • – do napędu urządzenia wykorzystywana jest energia elektryczna;
  • – do cięcia używana jest woda (tylko specjalnie uzdatniona i przefiltrowana);
  • – proces cięcia wspomaga naturalny piasek (minerał garnetu);
  • – podczas cięcia nie powstają żadne szkodliwe substancje, gazy itp.;
  • – odpady po cięciu są łatwe do segregacji, a tym samym – przystosowane do segregacji profesjonalnej.

Cięcie wodą idealnie nadaje się dla obróbki materiałów trudno obrabialnych innymi metodami, dla produkcji jednostkowej lub krótkoseryjnej. Jak wspomniałem, powierzchnia (przekrój) cięcia w większości przypadków nie wymaga dalszej obróbki. Technologia cięcia strumieniem wody pozwala na obróbkę materiałów o różnej grubości – maksymalna grubość uzależniona jest od wielu czynników, niemniej np. stal nierdzewną można ciąć do grubości 90 mm – 180 mm. Z uwagi na koszt medium roboczego, technologia cięcia wodą jest kosztowna zarówno dla klientów, jak i firm oferujących w/w usługę.

Ponadto należy zwrócić uwagę na fakt, iż:

  •  jest to bardzo wolna metoda (można przyjąć prędkości cięcia od 1mm/min dla materiałów ciętych o grubości powyżej 100mm i większych „twardych” do prędkości około 2500 mm/min i więcej dla materiałów cienkich i „miękkich”)
  • nie ma polskich producentów maszyn do ciecia wodą, a tym samym materiały eksploatacyjne (uszczelnienia, dysze, części zamienne itp.), z zasady bardzo precyzyjne i wykonane z drogich komponentów, są naturalnie bardzo drogie w zakupie.

Ważnym zagadnieniem w tej metodzie obróbki materiału jest recycling ścierniwa, który polega na ciągłym odbiorze ze stołu wodnego plotera masy po cięciu (piasek ścierny, drobiny materiału ciętego, woda), podanie tej masy do wstępnej segregacji (odseparowanie odpadu o granulacji poniżej ca 80 mikronów), następnie osuszeniu pozostałej masy i dalszej segregacji na czysty piasek ścierny o granulacji 80 – 100 mikronów oraz pozostały odpad. Woda z procesu recyklingu powraca do stołu wodnego.

ZALETY PROCESU CIĘCIA WODNEGO:

  • wspomniana wysoka jakość krawędzi ciętej,
  • wysoka precyzja procesu cięcia,
  •  uniwersalność zastosowania,
  •  możliwość cięcia twardych materiałów o znacznej grubości,
  • koszt cięcia – niższy od cięcia laserowego w przypadku cięcia elementów o grubości powyżej 4-5 mm, niższy od cięcia i obrabiania metodą tradycyjną,
  •  krótki okres realizacji od momentu otrzymania projektu,
  •  niska temperatura procesu – max 40°C (eliminuje to ryzyko zmian w strukturze materiału, nie przypala krawędzi elementu wycinanego).

Materiały, które można obrabiać za pomocą technologii cięcia wodą, to: stale węglowe, nierdzewne, kwasoodporne, narzędziowe, trudnościeralne typu Hardox, Xar, pancerne, blachy platerowane; metale kolorowe.

Fast Extreme Water Jet Cutter Machine Working, Modern Technology Waterjet Cutting CompilationFast Extreme Water Jet Cutter Machine Working, Modern Technology Waterjet Cutting Compilation

cięcie metali

Generalnie definicją cięcia jest pokonanie spójności materiału. Proces ten wymaga dostarczenia energii i ze względu na jej rodzaj, rozróżniamy cięcie mechaniczne, cięcie wiązką promieni lasera,  cięcie strumieniem wody,  cięcie gazowe (tlenem, plazmą). Wszystkie te metody opisane są w niniejszym serwisie, ale najwięcej miejsca poświęcę właśnie temu procesowi, jako aktualnie najpopularniejszemu …

sponsor serwisu *

ul. Guido Henckela Donnersmarcka 5 41-807 Zabrze

Cięcie metalu laserem 

To rodzaj obróbki materiałów mający obecnie coraz większe zastosowanie w przemyśle. Jest to metoda termicznego dzielenia materiału, która może następować poprzez:

– sublimację,
– topienie,
– wypalanie

Standardowo stosuje się kombinację w/w trzech czynników . Wg definicji cięcie laserem to punktowe wprowadzenie energii  w postaci wysokoenergetycznego strumienia tnącego.

Podstawową zaletą cięcia laserowego jest produkt, który bez dodatkowych procesów technologicznych nadaje się do dalszej przeróbki. Warunkiem uzyskania dobrej jakości cięcia i wysokiego stopnia utrzymywania wymiarów ciętych elementów konstrukcyjnych jest dokładność prowadzenia strumienia tnącego, oraz zastosowanie  najwyższej jakości urządzeń – maszyn do cięcia laserem.  Uzyskujemy wtedy  dużą odporność na drgania i wręcz świetną powtarzalność . Lasery są obecnie szeroko stosowane zarówno do cięcia materiałów metalowych jak i niemetali. Są wykorzystywane w procesie cięcia stali niestopowych i wysokostopowych, aluminium, tytanu, tworzyw sztucznych, drewna , ceramiki, oraz wielu innych materiałów.

Nie tylko metal

Nie tylko metale mogą być obrabiane laserem. Przykładowo  laserem CO2 ciąć można również wiele materiałów niemetalicznych, takich jak pleksi, PoliChlorek Vinylu, PoliEtylen, drewno, szkło, ceramika, papier, tekstylia itd. W przemyśle spożywczym możliwe jest nawet bezdotykowe, a więc absolutnie higieniczne, porcjowanie żywności. Również materiały specjalne jak np.: tytan, są cięte laserem CO2. W tym przypadku użycie gazu – argonu daje cięcie o najwyższych parametrach i jakości.

Cięcie laserowe można podzielić na następujące metody:

Cięcie przez odparowanie, które polega na tym, że materiał poddany działaniu zogniskowanej wiązki ulega odparowaniu w atmosferze gazu obojętnego. Metoda ta jest stosowana do obróbki materiałów nie ulegających topnieniu np.: drewno, niektóre tworzywa sztuczne.

Cięcie przez topienie i wydmuchiwanie; materiał poddany do obróbki, pod działaniem zogniskowanej wiązki ulega stopieniu i jest usuwany strumieniem gazu obojętnego. Zastosowanie np.: metale, w szczególności dobre wyniki daje cięcie ciśnieniowe stali nierdzewnych.

Cięcie przez wypalenie, które polega na tym, że materiał poddany działaniu zogniskowanej wiązki jest wypalany przez strumień tlenu lub mieszaniny gazów zawierającej tlen. Zastosowanie: metale i inne materiały spalające się w wysokiej temperaturze. Jest to najczęściej stosowana metoda cięcia, standardowa metoda dla stali węglowych.

Generowanie pęknięć termicznych – zogniskowana wiązka wywołuje naprężenia cieplne, powodujące pękanie materiału. Zastosowanie: materiały kruche, zwłaszcza szkło.

 Procesy cięcia dzielimy na trzy etapy:

+ początek cięcia,
+ cięcie właściwe,
+ zakończenie procesu cięcia.

Podczas procesu cięcia, strumień gazu dostarczany do strefy cięcia z jednej strony blachy powoduje usuwanie stopionego i utlenionego materiału na drugą stronę (przeciwną). W przypadku gdy rozpoczynamy proces cięcia od brzegu blachy, sytuacja taka panuje od początku. Jednak gdy proces cięcia rozpoczynamy w pewnej odległości od brzegu ciętego materiału, wówczas pierwszym procesem cięcia jest wydrążenie otworu. Operacja ta jest trudna, gdyż zanim powstanie otwór, materiał musi być usuwany na tę samą stronę, z której działa gaz. Można stosować trzy metody drążenia otworów podczas procesu cięcia:

+ najprostsza metoda polega na stosowaniu tych samych wartości mocy i ciśnienia gazu, jak przy właściwym procesie cięcia. Dostarczone przez wiązkę ciepło tworzy najpierw jeziorko płynnego metalu o powiększającej się objętości, a następnie strumień gazu powoduje częściowe spalenie i gwałtowne usunięcie pozostałego płynnego metalu ze strefy oddziaływania wiązki. Otwór ma zwykle większe wymiary niż szerokość szczeliny. Jest to metoda szybka, może jednak powodować zanieczyszczenie dyszy. Powstały otwór jest duży i o nieregularnych kształtach. Zmniejszenie otworu początkowego można uzyskać stosując jako gaz roboczy powietrze zamiast tlenu;

+ druga metoda rozpoczęcia cięcia polega na drążeniu otworu metodą impulsową. Impulsy promieniowania o odpowiednio dobranych parametrach powodują kolejne topienie i odparowywanie małych ilości metalu i jednocześnie powstawanie małego otworu. Proces ten jest długi, ale uzyskany otwór jest znacznie mniejszy niż w poprzedniej metodzie;

+ trzeci sposób to metoda pośrednia – otwór powstaje wskutek działania kilku impulsów. Niebezpieczeństwo zabrudzenia dyszy lub soczewki zmniejsza się przez odpowiednie podniesienie dyszy przy pierwszych impulsach.

 Podczas kończenia procesu cięcia należy zwrócić uwagę na kilka problemów…

  • … m.in. na odpowiednie podparcie wycinanych części. Brak odpowiedniego podparcia może spowodować zaburzenie linii cięcia, gdy odcinana część będzie się odchylać.
  • Unikanie przegrzania w końcowej fazie – należy zwrócić uwagę, czy ciepło dostarczane przez zbliżającą się do krawędzi wiązkę może być zaabsorbowane przez otaczający materiał bez powodowania nadmiernego wzrostu temperatury.
cięcie metali laserem

cięcie metali- laser

Cięcie stali niestopowych i niskostopowych z zastosowaniem tlenu jako gazu tnącego jest procesem egzotermicznym. Zachodząca reakcja dostarcza 40% energii potrzebnej do procesu, pozostałe 60% dostarcza promień lasera. Ciśnienie tlenu tnącego przy cięciu tego typu stali nie przekracza 6 bar. Cięcie wysokociśnieniowe z zastosowaniem tlenu do 20 bar stosowane jest dla takich materiałów, jak brąz. Przepływ tlenu tnącego zależy od ciśnienia i średnicy dyszy. Dla cięcia niskociśnieniowego jest to przedział 20-110 l/min. Prędkość cięcia jest bardzo duża i sięga blisko 10 m/min i więcej. Gdy do cięcia stosujemy gaz obojętny np.: azot, cała energia musi pochodzić od promienia laserowego. Wymagana jest więc większa moc urządzeń. Taką metodę stosujemy do cięcia stali wysokostopowych. Tutaj materiał jest topiony przez promień i wydmuchiwany przez strumień gazu obojętnego. Ciśnienie gazu tnącego jest zdecydowanie większe niż przy cięciu tlenem. Ciśnienie azotu wynosi 5-25 bar. Konsekwencją większego ciśnienia jest też większe zużycie gazu. Wynosi ono od 100-600 l/min. Średnice dysz tnących są również większe.

W przypadku cięcia przez wypalanie strumień gazu spełnia następujące funkcje:

+ poprzez spalanie ciętego materiału dostarcza energię ponad energię wiązki,
+ usuwa stopiony i spalony materiał ze szczeliny,
+ chłodzi cięty materiał.

Parametry strumienia gazów wywierają – obok parametrów wiązki i prędkości posuwu wiązki laserowej – zasadniczy wpływ na proces cięcia. Jego prawidłowy przebieg zapewniają następujące czynniki:

+ odpowiednia czystość,
+ właściwe ciśnienie gazu,
+ właściwy stan i ustawienie dyszy.

Dla materiałów niemetalicznych stosuje się azot lub powietrze. Tlen jest stosowany głównie do cięcia gazowego i laserowego stali niestopowych i niskostopowych. Promień laserowy rozgrzewa stal do temperatury zapłonu. Spalanie materiału w strumieniu tlenu do cięcia generuje dodatkową energię cieplną, która wyraźnie przyspiesza proces cięcia laserem. Dzięki krótszemu czasowi obróbki można znacznie obniżyć koszty procesu. Tlenem można ciąć również aluminium. Azot stosowany jest przede wszystkim przy cięciu stali wysokostopowych, ale także przy cięciu aluminium i niemetali.

Przy cięciu z użyciem tlenu, poprzez spalanie materiału wytwarzana jest szczelina cięcia. Z kolei przy cięciu laserem metodą wytapiania, azot wydmuchuje metal ciekły ze szczeliny cięcia.


Jak każdy rodzaj obróbki materiałów, cięcie laserowe posiada wady i zalety.

Cięcie laserowe charakteryzuje mała strefa wpływu ciepła, wąska szczelina cięcia, niewielka ilość wprowadzonego ciepła, minimalna deformacja, a także czyste i prostopadłe krawędzie oraz bardzo małe nierówności powierzchni rozdzielenia .Warunkiem uzyskania dobrej jakości cięcia i utrzymania tolerancji wymiarów ciętych elementów konstrukcyjnych jest dokładne prowadzenie strumienia tnącego w połączeniu
z dobrą, stabilną maszyną do cięcia o dużej odporności na drgania i o dobrej powtarzalności ruchów roboczych. REASUMUJĄC:

Do zalet można zaliczyć:

+ wąską strefa wpływu ciepła,
+gładką i czystą powierzchnię cięcia (nie wymaga obróbki wykańczającej),
+oszczędność materiału poprzez występowanie wąskiej szczeliny cięcia,
+ dużą szybkość cięcia,
+ szeroki zakres materiałów poddających się procesowi cięcia,
+ łatwość automatyzacji,
+ dużą elastyczność procesu cięcia laserowego 

cięcie laseremcięcie laserem

Natomiast do wad zaliczamy:

+ stosunkowo wysoki koszt inwestycyjny,
+ ograniczoną grubość ciętej blachy (jest to podyktowane wymogami jakościowymi).

Cięcie laserem NIE podlega:

+ ograniczeniom ilościowym,
+ wysokim kosztom jednostkowym,
+ ograniczeniom kształtowym elementów wycinanych.

Maksymalne wartości cięcia elementów:

+ stal konstrukcyjna do grubości 20 mm,
+ stal nierdzewna do 15 mm,
+ blachy aluminiowe do 10 mm,
+ szkło organiczne (pleksi) do 30 mm,
+ drewno do 35 mm,
+ wycinanie arkuszy blach o wym. 4000 x 2000 mm i maksymalnym ciężarze 1300 kg.

Nowe Trendy*

Do procesów cięcia, opisywania, znakowania, spawania miedzi i aluminium, a także do procesów powierzchniowych, takich jak napawanie, stopowanie, przetapianie, obróbka cieplna, stosowane są lasery krystaliczne Nd: YAG (Neodym: Itr–Aluminium–Granat). Coraz większe zastosowanie w produkcji przemysłowej mają lasery excimerowe (lasery gazowe w zakresie UV) [6,7], mające główne zastosowanie w medycynie. Lasery te pracują w zakresie długości fal 193÷351 nm.

—————————————–

*źródło :  Dr inż. Wacław MUZYKIEWICZ Mgr inż. Andrzej ŁACH
Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Metali Nieżelaznych, Kraków
„Analiza możliwości wykonania gęstych  perforacji blach niekonwencjonalnymi technikami wysokoenergetycznymi „
cięcie metali plazmą

cięcie metali – plazma

Cięcie metalu plazmą

Cięcie plazmowe – proces cięcia metali (stali, stopów aluminium, stopów miedzi itp.) przy zastosowaniu łuku plazmowego. Cięcie plazmowe prowadzone jest w sposób zmechanizowany lub ręczny. Procesy cięcia zmechanizowanego dotyczą głównie cięcia przy zastosowaniu przecinarek CNC lub robotów przemysłowych. Źródłem ciepła topiącym metal jest łuk plazmowy jarzący się między elektrodą a materiałem obrabianym.

Do przeprowadzenia procesu termicznego cięcia gazowego niezbędne jest podgrzewanie obszaru cięcia do odpowiedniej temperatury za pomocą gazu palnego (najczęściej acetylenu również propanu, propylenu, gazu ziemnego i propadienu metyloacetylenu). Proces prowadzi się za pomocą specjalnych palników, które mieszają gaz palny i tlen tworząc płomień podgrzewający oraz doprowadzają do obszaru cięcia koncentryczny strumień tlenu tnącego. Idealny proces cięcia to rozdzielenie wiązań atomowych w płaszczyźnie cięcia wzdłuż określonej linii bez wpływu na stan fizyczny materiału. Metody cięcia różnią się ilością zużytej energii, szybkością cięcia, wielkością ubytku materiału, wpływem cieplnym na cięty materiał, jakością ciętych krawędzi.

Powszechnie stosowanym gazem plazmotwórczym jest powietrze. W urządzeniach o dużych mocach z reguły używa się argonu, azotu, wodoru, dwutlenku węgla oraz mieszanki argon-wodór i argon-hel Strumieniem plazmy jest możliwe cięcie materiałów przewodzących prąd elektryczny – wykonanych ze stali węglowych i stopowych, aluminium i jego stopów, mosiądzu, miedzi oraz żeliwa.

Jak działa przecinarka plazmowaJak działa przecinarka plazmowa