ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Важным направлением исследований в области плазменной резки металлов является получение поверхности реза металла, характеризующейся минимальными шероховатостью и геометрическими отклонениями. Немаловажным также является минимизация изменений структуры металла под поверхностью реза, вызванных температурным воздействием плазменной струи, в том числе образование окалины. Решением задачи получения качественного реза является оптимизация параметров процесса резки. Среди основных параметров, определяющих качество реза, рассматриваются ток и напряжение плазменной дуги, высота резки, скорость резки. Однако процессам плазменной резки металлов толщин свыше 20 мм уделено недостаточное внимание, что связано с ограничениями, обусловленными условиями работы плазмотронов на токах прямой полярности. Исходя из этого для резки больших толщин перспективным представляется использование плазмотрона, работающего на токах обратной полярности. Целью работы является отработка методики плазменной резки листового проката меди, титанового и алюминиевого сплава толщиной до 40 мм с использованием плазмотрона, работающего на токах обратной полярности. Результаты и обсуждение. Исследования показывают, что для резки сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 можно в широком диапазоне регулировать скорость резки, в то время как для проката меди М1 и сплава Д16Т толщиной 40 мм диапазон регулирования скорости резки достаточно узок. Вместе с тем для сплава Д16Т по причине избыточного выпадения легирующих элементов из твердого раствора в зоне термического влияния отмечалось падение микротвердости, для сплава ОТ4-1 характерным являлся рост микротвердости, обусловленный закалкой материала. Изменение параметров режима резки позволяет получать более однородную макрогеометрию поверхности реза, меньшую глубину зоны переплава материала и зоны термического влияния и меньшие изменения механических свойств материала в зоне реза.  Для сплава ОТ4-1 практически все использованные режимы резки являлись близкими к оптимальным. Для сплава Д16Т и меди марки М1 определены режимы, обеспечивающие в рассматриваемом диапазоне параметров наилучшее качество реза. По результатам работы можно сделать вывод о том, что плазменная резка на токах обратной полярности является эффективной для резки проката больших толщин, однако методика требует дальнейшей отработки с целью повышения качества получаемого реза.

1. Akkurt A. The effect of cutting process on surface microstructure and hardness of pure and Al 6061 aluminium alloy // Engineering Science and Technology, an International Journal. – 2015. – Vol. 18, iss. 3. – P. 303–308. – DOI: 10.1016/j.jestch.2014.07.004.

2. Ilii S.M., Coteata M. Plasma arc cutting cost // International Journal of Material Forming. – 2009. – Vol. 2. – P. 689–692. – DOI: 10.1007/s12289-009-0588-4.

3. Optimization of surface roughness in plasma arc cutting of AISID2 steel using TLBO / P. Patel, B. Nakum, K. Abhishek, V. Rakesh Kumar, A. Kumar // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5, iss. 9 (3). – P. 18927–18932. – DOI: 10.1016/j.matpr.2018.06.242.

4. Experimental study of the features of the kerf generated by a 200A high tolerance plasma arc cutting system / R. Bini, B.M. Colosimo, A.E. Kutlu, M. Monno.// Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 196, iss. 1–3. – P. 345–355. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.05.061.

5. Hoult A.P., Pashby I.R., Chan K. Fine plasma cutting of advanced aerospace materials // Journal of Materials Processing Technology. – 1995. – Vol. 48, iss. 1–4. – P. 825–831. – DOI: 10.1016/0924-0136(94)01727-I.

6. Modeling of surface roughness in plasma jet cutting process of thick structural steel / I. Peko, B. Nedic, A. Djordjevic, D. Dzunic, M. Jankovic, I. Veza // Tribology in Industry. – 2016. – Vol. 38, № 4. – P. 522–529.

7. Characterization of heat affected zones produced by thermal cutting processes by means of Small Punch tests / D. Andrés, T. García, S. Cicero, R. Lacalle, J.A. Álvarez, A. Martín-Meizoso, J. Aldazabal, A. Bannister, A. Klimpel // Materials Characterization. – 2016. – Vol. 119. – P. 55–64. – DOI: 10.1016/j.matchar.2016.07.017.

8. Gariboldi E., Previtali B. High tolerance plasma arc cutting of commercially pure titanium // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 160, iss. 1. – P. 77–89. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2004.04.366.

9. Nandan Sharma D., Ram Kumar J. Optimization of dross formation rate in plasma arc cutting process by response surface method // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 32, pt. 3. – P. 354–357. – DOI: 10.1016/j.matpr.2020.01.605.

10. An experimental analysis of cutting quality in plasma arc machining / M. Gostimirovic, D. Rodic, M. Sekulic, A. Aleksic // Advanced Technologies and Materials. – 2020. – Vol. 45, N 1. – P. 1–8. – DOI: 10.24867/ATM-2020-1-001.

11. Plasma arc cutting dimensional accuracy optimization employing the parameter design approach / J. Kechagias, M. Petousis, N. Vidakis, N. Mastorakis // ITM Web of Conferences. – 2017. – Vol. 9. – P. 03004. – DOI: 10.1051/itmconf/20170903004.

12. Cinar Z., Asmael M., Zeeshan Q. Developments in plasma arc cutting (PAC) of steel alloys: a review // Jurnal Kejuruteraan. – 2018. – Vol. 30. – P. 7–16. – DOI: 10.17576/jkukm-2018-30(1)-02.

13. Kudrna L., Fries J., Merta M. Influences on plasma cutting quality on CNC machine // Multidisciplinary Aspects of Production Engineering. – 2019. – Vol. 2. – P. 108–117. – DOI: 10.2478/mape-2019-0011.

14. Влияние конструктивных особенностей плазмотрона на качество реза при прецизионнойвоздушно-плазменной разделке металла / С.В. Анахов, Б.Н. Гузанов, А.В. Матушкин, Н.Б. Пугачева, Ю.А. Пыкин // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2020. – Т. 63, № 2. – С. 155–162. – DOI: 10.17073/0368-0797-2020-2-155-162.

15. Modeling and optimization of cut quality responses in plasma jet cutting of aluminium alloy EN AW-5083 / I. Peko, D. Maric, B. Nedic, I. Samardzic // Materials. – 2021. – Vol. 14, iss. 19. – P. 5559. – DOI: 10.3390/ma14195559.

16. Salonitis K., Vatousianos S. Experimental Investigation of the Plasma Arc Cutting Process // Procedia CIRP. – 2012. – Vol. 3. – P. 287–292. – DOI: 10.1016/j.procir.2012.07.050.

17. Suresh A., Diwakar G. Optimization of process parameters in plasma arc cutting for TWIP steel plates // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 38, pt. 5. – P. 2417–2424. – DOI: 10.1016/j.matpr.2020.07.383.

18. Nemchinsky V. Erosion of thermionic cathodes in welding and plasma arc cutting systems // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2014. – Vol. 42, N 1. – P. 199–215. – DOI: 10.1109/TPS.2013.2287794.

19. Matushkina I., Anakhov S., Pyckin Yu. Design of a new gas-dynamic stabilization system for a metal-cutting plasma torch // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – Vol. 2094. – P. 042075. – DOI: 10.1088/1742-6596/2094/4/042075.

20. Shchitsyn V.Yu., Yazovskikh V.M. Effect of polarity on the heat input into the nozzle of a plasma torch // Welding International. – 2002. – Vol. 16 (6). – P. 485–487. – DOI: 10.1080/09507110209549563.

21. Особенности теплопередачи в изделие при работе плазмотрона на токе обратной полярности / Ю.Д.  Щицын, Д.С. Белинин, П.С. Кучев, С.Д. Неулыбин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2014. – Т. 16, № 2. – С. 42–50. – DOI: 10.15593/.v16i2.3275.

22. Исследование работы анодов дуговых плазмотронов для работы на обратной полярности тока / Ю.Д. Щицын, В.Ю. Щицын, С.Д. Неулыбин, Р.Г. Никулин, С.Г. Никулина, К.П. Карунакаран // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2020. – Т. 22, № 3. – С. 60–67. – DOI: 10.15593/2224-9877/2020.3.08.