Das Scheren gehört zu den häufigsten Arbeitsgängen in der Metallbearbeitung. Beim Schneiden relativ einfacher Konturen sind Scherschneidetechniken auf Scheren und Stanzen eindeutig im Vorteil. Die Realisierung dieser Technologie erfordert jedoch eine beträchtliche Anzahl von Arbeitswerkzeuggrößen, was bei zahlreichen Werkstückwechseln von einer Konfiguration zur nächsten nicht immer praktisch ist. Unter diesen Umständen bietet das Plasmaschneiden klare Vorteile.
Inhalt des Artikels:
- 1 Beschreibung des Schneidprozesses
- 1. 1 Schneiden mit ungeformten Elektroden
- 1.2 Schneiden mit Sauerstoff oder Luft
- 1.3 Abtrennung mit Inertgasstrahl
- 1.4 Lichtbogentrennung
- 2 Schlussfolgerung
Beschreibung des Schneidprozesses
Was ist Plasmaschneiden? Die Technologie des Plasmaschneidens basiert auf dem Prinzip einer lokalen Wärmequelle mit hoher Leistung, die ähnlich wie beim Schweißen das Material in der Prozesszone mit hoher Geschwindigkeit zum Schmelzen bringt. Dementsprechend wird zwischen den beiden Arten von Verfahren unterschieden:
- Plasma-Luft-Sauerstoff-Schneiden, bei dem der Plasmamodus durch Ionisierung von Luft erreicht wird, die mit hoher Geschwindigkeit auf die gewünschte Temperatur erhitzt wird.
- Plasmaschneiden, bei dem das Plasma mit Hilfe einer Hochleistungsbogenentladung erzeugt wird.
- Nicht profiliertes Elektrodenschneiden, das auf dem Prinzip der elektrischen Wechselwirkung zwischen dem Werkstück und einem Draht aus hoch abbrandfesten Werkstoffen wie Kupfer oder Messing beruht.
- Gasplasmatechnologie, bei der Maschinen Plasma in einem Strom von hochdichten Inertgasen (z. B. Argon) erzeugen.
Jede der oben genannten Methoden zum Trennen von Metall (meist Blech) hat ihre eigenen Vorteile und Grenzen. Eine Gemeinsamkeit besteht darin, dass keine spezielle Ausrüstung erforderlich ist, dass eine Trennung in einer beliebig komplexen Kontur möglich ist und dass technologische Abfälle in Form von geschmolzenen und dann erstarrten Partikeln anfallen, die anschließend entfernt werden müssen. Daher ist das in diesem Artikel betrachtete Verfahren (insbesondere auch mit Handgeräten) vor allem für die Kleinserien- und Einzelfertigung zweckmäßiger und effizienter, wenn die Anzahl der Schnitte pro Schicht nicht mehr als 2000 - 4000 beträgt.
Abtrennung mit nicht profilierten Elektroden
Die Wärmequelle für die Plasmaerzeugung ist in diesem Fall eine Funkenentladung mit vergleichsweise geringer Intensität, die durch einen Spalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück entsteht.
Das Arbeitsprinzip dieser Art von Plasmaschneider ist wie folgt. Messing- oder Kupferdraht mit kleinem Querschnitt (max. 1 mm) wird von einer Spule zur anderen aufgewickelt und bewegt sich entlang der Schnittlinie. Wenn der Spalt zwischen den Elektroden geöffnet wird (manuell oder mechanisch), kommt es im Plasmaschneider zu einer Funkenentladung, die ein lokales Schmelzen bewirkt. In dem Moment, in dem die Energie für den nächsten Impuls gespeichert wird, bewegt eine spezielle Vorrichtung den Draht um eine bestimmte Strecke, die in Abhängigkeit von den thermophysikalischen Eigenschaften des Werkstücks und seiner Dicke berechnet wird. Durch die Bewegung des Drahtes in der Maschine werden Gefahren beim Schweißen vermieden und eine gleichmäßigere Abnutzung der nicht profilierten Elektrode gewährleistet.
Die Produktivität und Geschwindigkeit dieses Plasmaschneiders ist gering, was sowohl auf die geringe Leistung der Quelle als auch auf den kleinen Durchmesser der Drahtelektrode zurückzuführen ist, die es unmöglich macht, eine hohe Energie in den Behandlungsbereich einzubringen: Der Draht verdampft einfach. Geringe Schnittverluste, der Wegfall des Fragmentschweißens und die gute Qualität der Blechtrennzone gelten als die unbestrittenen Vorteile des Verfahrens. Daher werden diese Maschinen für präzise Trennarbeiten, für die Bearbeitung dünner Werkstücke und für komplizierte Konfigurationen der Schnittstelle eingesetzt.
Schneiden mit Sauerstoff oder Luft
Plasmaschneidanlagen, die nach diesem Prinzip arbeiten, nutzen die Energie aus der Verbrennung von Sauerstoff (reine oder angereicherte Luft). Das Plasmaschneiden erfolgt aus folgenden Gründen:
- Die hohe Temperatur, die erreicht wird, wenn der Stoff im Medium Luft-Sauerstoff verbrennt (Berechnungen zeigen jedoch, dass die Temperatur den Schmelzpunkt nicht überschreiten darf, da das Metall sonst eher schmilzt als sich trennt).
- Während des Betriebs erzeugt der Plasmaschneider dieser Bauart zusätzliche Wärme, die zur Stabilisierung des Prozesses beiträgt.
- Hohe Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Gerät, wodurch die Aufprallzone auf das Material reduziert, spontanes Schweißen verhindert und die Qualität der Schnittstelle verbessert wird.
- Der Gasfluss während des Betriebs des Geräts nach einem speziellen Programm sorgt für eine effektive Evakuierung der Schmelzpartikel aus der Behandlungszone.
Der Betrieb von Plasmaschneidern mit einem längsgerichteten Gasstrom hat eine hohe Leistungsdichte und wird daher in Programmen zum Trennen von Blechen mit beträchtlicher Dicke (bis zu 60-80 mm), Rohren und anderen Profilen aus gewalztem Metall verwendet. Allerdings gibt es eine Reihe von Einschränkungen:
- Bei der Bearbeitung kommt es immer zu einer intensiven Oxidation der Oberfläche. Die Berechnung dieses Prozesses ist komplex, aber wichtig, da sonst die Qualität durch das Auftreten einer dicken Oxidschicht (wie beim Schweißen) leidet. Deshalb ist dieser Schneidprozess mit Flussmittelzuführungseinheiten ausgestattet, die Oxide in das Schmelzmaterial einbinden und anschließend entfernen. Die Zusammensetzung des Flusses wird durch Berechnung ermittelt. Dies eliminiert das Risiko des Verschweißens einzelner Partikel auf der zu schneidenden Kontur und bietet dem Bediener zusätzliche Vorteile. Das Plasmaschneiden von Aluminium, Kupfer und anderen hochleitenden Legierungen ist ohne Flussmittel nicht mehr möglich.
- Eine bessere Genauigkeit beim Plasmaschneiden kann nur durch eine Erhöhung des Gasdurchsatzes erreicht werden, so dass der Geräuschpegel hoch ist. Die Konstruktion der Schalldämpfer für solche Plasmaschneidanlagen ist nicht exakt.
- Die Trenntechnologie mit Plasma in entflammbarem Gas ist für das Schneiden von rostfreiem Stahl mit hohem Schmelzpunkt aufgrund seiner tatsächlichen Schneidkapazität und Schneidgeschwindigkeit nicht effizient.
- Plasmaschneidanlagen dieser Art erfordern erhöhte organisatorische Maßnahmen für den Brandschutz.
Die einfache Schaltung der Geräte und die kostengünstige Automatisierung der Plasmaschneidgeräte sorgen für eine relativ geringe spezifische Leistung der Geräte. In Ermangelung hoher Qualitätsanforderungen sind Gasschneidplasmabrenner für ihren niedrigen Preis bekannt und werden daher häufig verwendet. Es gibt handgeführte und tragbare Plasmaschneidgeräte des betreffenden Typs.
Abtrennung in einem Inertgasstrahl
Das Plasmaschneiden von rostfreiem Stahl wird auf diese Weise durchgeführt. Wenn die Blechdicke 50 mm nicht überschreitet, wird Stickstoff verwendet, bei größeren Blechdicken wird Argon eingesetzt. Das Prinzip dieses Verfahrens ist dem des Unterpulverschweißens ähnlich. Das Wesen dieses Verfahrens besteht darin, dass die Schneidzone durch einen Inertgasstrom lokalisiert wird, was eine Entzündung des Metalls verhindert und somit die Produktivität des Geräts erhöht. Ein besonders sauberer Schnitt wird mit bis zu 15-20% Wasserstoff im Hauptgas erreicht. Das automatische Plasmaschneiden wird auch aus wirtschaftlichen Gründen eingesetzt.
Dieser Maschinentyp wird über den Parameter Geschwindigkeit gesteuert. Mit zunehmendem Wert nimmt die Dicke der Schnittzone ab und die Temperatur steigt. Es wird ein sauberer Schnitt erzielt, und die kontinuierliche Erwärmung der Kante mit Plasmawärme stabilisiert den Prozess rechtzeitig und schließt die Möglichkeit von Schweißknoten aus, da die Plasmatemperatur automatisch auf dem richtigen Niveau gehalten wird. Die Steuerungsprogramme für diese Prozesse sind daher einfach und zuverlässig.
Das Plasmaschneiden erfordert eine gründliche Berechnung. Bei der Berechnung der Parameter geht es darum, die Verfahrgeschwindigkeit des Werkzeugmaschinenkopfes zu bestimmen und die Temperatur in der Schneidzone zu regeln, um mögliche Verschweißungen zu vermeiden. Anstelle von Berechnungen geben einige Maschinenhersteller in ihren Bedienungsanleitungen praktische Nomogramme an. Sie ermöglichen es, die Länge der Plasmasäule und die Menge des eingespritzten Inertgases in Abhängigkeit von der Dicke des Werkstücks, seiner Wärmeleitfähigkeit und der erforderlichen Kapazität der Maschine zu bestimmen.
Lichtbogen-Gastrennung
Diese Methode gilt als die fortschrittlichste und vielseitigste. Diese Art von Plasmaschneidgeräten zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:
- Vereinfachung der Werkzeugkopfanordnung, da der Lichtbogen nicht in den allgemeinen Stromkreis des Geräts einbezogen werden muss.
- Vielseitigkeit des Verfahrens, da die endgültige Konfiguration der Linie oder der Schnittfläche nur durch die Form der Elektrode bestimmt wird (sie kann z. B. aus Kupfer, Wolfram oder Graphit bestehen).
- Hohe Produktivität und Bearbeitungsgeschwindigkeit, da die thermische Leistungsdichte des Lichtbogens die höchstmögliche ist.
- Relativ niedrige Betriebskosten, da einfache, zum Schweißen verwendete Inverter als Quelle für die Lichtbogenbildung verwendet werden.
- Gute Qualität der Kanten, die z.B. keine zusätzliche Bearbeitung für das anschließende Schweißen erfordern
- Der Lichtbogen-Wärmeprozess kann leicht programmiert werden, indem der Lichtbogenentladungsstrom und die Pumprate des dielektrischen Mediums durch die Bearbeitungszone verändert werden. Bekannte Programme ermöglichen eine gute Kontrolle der Schnittgeschwindigkeit, des Elektrodenabstands und der Qualität der fertigen Metallkante.
Metallschmelzen im Plasmaschneidverfahren
Schneiden von Blechen mit Plasma
Musterschneiden mit Plasma
Schlussfolgerung
Das Plasmaschneiden eignet sich für alle elektrisch leitfähigen Materialien, unabhängig von ihren thermophysikalischen Parametern. Die Geräte der bekannten Modelle sind benutzerfreundlich und einfach zu bedienen, obwohl sie einen zusätzlichen Lärmschutz benötigen.