ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Во введении описана целесообразность применения плазменной резки на токе обратной полярности для получения крупногабаритных заготовок цветных металлов толщиной до 100 мм. Приведены данные по применению плазменной резки на токе прямой и обратной полярности толстолистового проката и по основным технологическим проблемам, связанным с ее осуществлением. Цель работы: исследование организации структуры и свойств приповерхностной зоны, а также изменений химического и фазового состава при резке алюминиевых, медных и титановых сплавов. Методами исследования являются оптическая и растровая электронная микроскопия, измерение микротвердости, рентгеноструктурный и энергодисперсионный анализ. Плазменную резку осуществляли при использовании в качестве плазмообразующего и защитного газа воздуха одновременно со впрыском воды в разрядную камеру и формированием вокруг плазменного столба «водяного тумана». Результаты и обсуждение. Показано, что при плазменной резке листового проката на токе обратной полярности большое значение имеет как стабильность горения дуги, так и форма плазменного столба. Искажение геометрии реза при работе в штатном режиме максимально в центральной части, а при недостаточном тепловложении смещается в нижнюю часть и значительно возрастает. Работа плазмотрона на воздухе не приводит к существенным изменениям состава поверхности реза алюминиевого и медного сплавов. Для алюминиевого сплава в поверхностных слоях характерно снижение содержания магния вблизи кромки. Резка титанового сплава сопровождается интенсивным окислением поверхности, особенно в областях затрудненного вытеснения металла из полости реза. Формирование оксидов титана, преимущественно рутила Ti₂O, резко повышает значения микротвердости в поверхностных слоях, что негативно влияет на обрабатываемость кромки реза и требует проведения дробеструйной обработки для удаления оксидного слоя. В заключении описаны основные закономерности реализации плазменной резки на токе обратной полярности листового проката алюминиевых, медных и титановых сплавов толщиной 100 мм.

1. A virtual sensing approach for quality and productivity optimization in laser flame cutting / N. Levichev, A. Tomás García, R. Dewil, J.R. Duflou // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2022. – Vol. 121. – P. 6799–6810. – DOI: 10.1007/s00170-022-09750-8.

2. Influence of the parameters of chemical thermal treatment of copper slag particles on the quality of hydroabrasive cutting / G.V. Barsukov, M.F. Selemenev, T.A. Zhuravleva, I.N. Kravchenko, E.M. Selemeneva, O.V. Barmina // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. – 2023. – Vol. 52. – P. 679–686. – DOI: 10.1134/S1052618823070075.

3. Barsukov G., Zhuravleva T., Kozhus O. Quality of hydroabrasive waterjet cutting machinability // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 206. – P. 1034–1038. – DOI: 10.1016/j.proeng.2017.10.590.

4. Optimizing process parameters of in-situ laser assisted cutting of glass-ceramic by applying hybrid machine learning models / J. Wei, W. He, C. Lin, J. Zhang, J. Chen, J. Xiao, J. Xu // Advanced Engineering Informatics. – 2024. – Vol. 62. – P. 102590. – DOI: 10.1016/j.aei.2024.102590.

5. Laser cutting of aluminum alloys using pulsed radiation from a CO₂ laser under conditions of an optical discharge in an argon jet / V.B. Shulyat’ev, M.A. Gulov, E.V. Karpov, A.G. Malikov, K.R. Boiko // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. – 2023. – Vol. 50. – P. S1075–S1078. – DOI: 10.3103/S1068335623220116.

6. Electrical arc contour cutting based on a compound arc breaking mechanism / G.-J. He, L. Gu, Y.-M. Zhu, J.-P. Chen, W.-S. Zhao, K.P. Rajurkar // Advances in Manufacturing. – 2022. – Vol. 10 (4). – P. 583–595. – DOI: 10.1007/s40436-022-00406-0.

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

8. 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.

9. 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)-01.

10. Performance analysis of conventional and high-feed turning tools in machining the thermally affected zone after plasma arc cutting of low carbon manganese-alloyed steel / M.B. Barcelos, D.T. de Almeida, F. Tusset, C.J. Scheuer // Journal of Manufacturing Processes. – 2024. – Vol. 115. – P. 18–39. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2024.01.08.

11. 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 (3). – P. 303–308. – DOI: 10.1016/j.jestch.2014.07.004.

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

13. Structural features and morphology of surface layers of AA2024 and AA5056 aluminum alloys during plasma cutting / A.V. Grinenko, E.O. Knyazhev, A.V. Chumaevskii, A.V. Nikolaeva, A.O. Panfilov, A.M. Cheremnov, L.L. Zhukov, A.V. Gusarova, P.S. Sokolov, D.A. Gurianov, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev // Russian Physics Journal. – 2023. – Vol. 66. – P. 925–933. – DOI: 10.1007/s11182-023-03025-9.

14. Отработка методики плазменной резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью / В.Е. Рубцов, А.О. Панфилов, Е.О. Княжев, А.В. Николаева, А.М. Черемнов, А.В. Гусарова, В.А. Белобородов, А.В. Чумаевский, А.Н. Иванов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 33–52. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-33-52.

15. Закономерности износа плазмотронов при плазменной резке толстолистового проката на токе обратной полярности / Е.А. Сидоров, А.В. Гриненко, А.В. Чумаевский, А.О. Панфилов, Е.О. Княжев, А.В. Николаева, А.М. Черемнов, В.Е. Рубцов, В.Р. Утяганова, К.С. Осипович, Е.А. Колубаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 3. – С. 149–162. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-149-162.

16. Structure formation in surface layers of aluminum and titanium alloys during plasma cutting / A.V. Chumaevskii, A.V. Nikolaeva, A.V. Grinenko, A.O. Panfilov, E.O. Knyazhev, A.M. Cheremnov, V.R. Utyaganova, V.A. Beloborodov, P.S. Sokolov, D.A. Gurianov, E.A. Kolubaev // Physical Mesomechanics. – 2023. – Vol. 26. – P. 711–721. – DOI: 10.1134/S1029959923060103.

17. Boulos M.I., Fauchais P., Pfender E. Plasma torches for cutting, welding and PTA coating // Handbook of Thermal Plasmas. – Cham: Springer, 2023. – DOI: 10.1007/978-3-319-12183-3_47-2.

18. Influence of reverse-polarity plasma cutting parameters on structure and surface roughness of aluminum alloys / A. Grinenko, A. Chumaevsky, E.O. Knjazhev, D.A. Gurianov, E.A. Sidorov, E.A. Kolubaev // Russian Physics Journal. – 2024. – Vol. 67 (9). – P. 1287–1293. – DOI: 10.1007/s11182-024-03246-6.

19. Влияние высокоэнергетического воздействия при плазменной резке на структуру и свойства поверхностных слоёв алюминиевых и титановых сплавов / В.Е. Рубцов, А.О. Панфилов, Е.О. Княжев, А.В. Николаева, А.М. Черемнов, А.В. Гусарова, В.А. Белобородов, А.В. Чумаевский, А.В. Гриненко, Е.А. Колубаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 216–231. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-216-231.

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. 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.

22. Kudrna L., Fries J., Merta M. Influences on plasma cutting quality on CNC machine // Multidisciplinary aspects of Production Engineering. – 2019. – Vol. 2 (1). – P. 108–117. – DOI: 10.2478/mape-2019-0011.

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