W przypadku elementów cienkich (np. blachy), o prostych krawędziach można stosować stosunkowo tanie metody mechaniczne. Mogą się one jednak nie sprawdzić przy cięciu elementów grubych i o skomplikowanych krawędziach – wówczas należy stosować bardziej skomplikowane metody termiczne (np. cięcie plazmą) i hydroabrazyjne (np. cięcie strugą wodną).

Degradacja i zniszczenie środowiska naturalnego jako następstwo gwałtownego rozwoju przemysłowego i gospodarczego należą obecnie do głównych problemów, z jakimi zmaga się ludzkość. Ma to swoje odzwierciedlenie również w przemyśle wykorzystującym wszelkiego rodzaju cięcie materiałów i tworzyw. Producenci i projektanci maszyn i urządzeń służących do obróbki zapewniają dziś techniki bezodpadowe i niewprowadzające zanieczyszczeń do atmosfery. Coraz częściej oczekują tego również odbiorcy. Ma to swoje uzasadnienie zarówno ekologiczne, jak i ekonomiczne. Wśród metod cięcia można wskazać te, które są przyjazne środowisku – powstające w nich odpady nie należą do niebezpiecznych i są łatwe w utylizacji (metoda cięcia wodą), oraz te, które są bardziej problematyczne dla środowiska ze względu na emisję szkodliwych gazów i pyłów do środowiska (metoda cięcia plazmowego).

Cięcie plazmowe

Technika ta polega na miejscowym stapianiu i wydmuchiwaniu metalu ze szczeliny cięcia silnie skoncentrowanym plazmowym łukiem elektrycznym, jarzącym się między elektrodą nietopliwą a ciętym przedmiotem. Plazmowy łuk elektryczny to zjonizowany gaz o dużej energii kinetycznej, wypływający z prędkością bliską prędkości dźwięku z dyszy plazmowej, zwężającej się w kierunku szczeliny cięcia. Temperatura plazmy mieści się w granicach 10 000÷30 000 K i zależy od natężenia prądu, stopnia zwężenia łuku oraz rodzaju i składu gazu plazmowego.

W zależności od konstrukcji palników rozróżnia się dwie odmiany cięcia plazmowego: łukiem zależnym i łukiem niezależnym. Palnikami o łuku zależnym można ciąć wszystkie materiały konstrukcyjne przewodzące prąd elektryczny (metale i ich stopy). Natomiast palnikami o łuku niezależnym tnie się materiały niemetaliczne (tworzywa sztuczne, gumę, szkło itp.). Zajarzenie łuku w palnikach o łuku zależnym odbywa się za pomocą impulsu prądu o dużym napięciu lub prądu o dużej częstotliwości. Proces cięcia plazmowego można prowadzić w sposób ręczny, zautomatyzowany i w pełni zrobotyzowany praktycznie we wszystkich pozycjach.

Podstawowymi parametrami wpływającymi na przebieg cięcia plazmowego są: napięcie łuku plazmowego, natężenie prądu, prędkość cięcia, odległość palnika plazmowego od ciętego materiału, rodzaj, ciśnienie oraz natężenie przepływu gazu ochronnego, rodzaj i konstrukcja elektrody, średnica dyszy plazmowej. Do parametrów, które mogą być regulowane bądź nastawiane przez operatora, należą natężenie prądu, prędkość cięcia oraz odległość palnika plazmowego od ciętego materiału. Pozostałe są ustalone przez producenta i wynikają z konstrukcji urządzenia oraz palnika plazmowego.

Kluczowe parametry procesu cięcia plazmowego

Napięcie łuku plazmowego decyduje o sprawności przebiegu procesu cięcia, dlatego musi być dokładnie sterowane. Wynosi ono, w zależności od natężenia prądu, 50÷200 V. To natężenie prądu decyduje o temperaturze i energii łuku plazmowego, dlatego jest głównym parametrem wpływającym na zakres grubości cięcia oraz wydajność i efektywność procesu.

Wraz ze wzrostem natężenia prądu zwiększa się prędkość cięcia lub dopuszczalna grubość przecinanego materiału, wzrasta zatem wydajność procesu. Przy zbyt dużych natężeniach prądu pogarsza się jakość cięcia, zwiększa się szerokość szczeliny, pojawiają się zaokrąglenia górnych krawędzi i odchylenie od prostopadłości. Z kolei zbyt małe natężenia prądu powodują początkowo pojawienie się nawisów metalu przy dolnej krawędzi, a następnie brak przecięcia.

Dla ustalonej wartości natężenia prądu można zastosować szeroki zakres prędkości cięcia. Zbyt mała prędkość powoduje jednak, że proces cięcia jest przerywany – następuje gaśnięcie i ponowne zajarzanie się łuku plazmowego, co prowadzi do szybkiego zużywania się dysz i katod. Ponadto przyczynia się to do powstawania nawisu metalu i żużla przy dolnej krawędzi ciętego elementu. Zbyt duża prędkość cięcia z kolei powoduje powstawanie dużego ukosu powierzchni cięcia i dużych ilości przylegającego żużla.

Ważnym parametrem jest też odległość palnika plazmowego od ciętego materiału. Powinna być tak dobierana, żeby w trakcie cięcia nie uszkodzić dyszy plazmowej i zachować odpowiednią jakość cięcia. Zbyt mała odległość palnika od materiału powoduje nadtapianie górnej krawędzi cięcia i może doprowadzić do uszkodzenia dyszy plazmowej w wyniku narzucenia na nią ciekłego metalu. Zbyt duża odległość natomiast powoduje powstawanie nadmiernego ukosu powierzchni cięcia i tworzenie się dużej ilości żużla na dolnej krawędzi cięcia. Odległość palnika plazmowego od materiału zależy od grubości ciętego materiału, wartości natężenia prądu i rodzaju gazu plazmowego.

Zaletami cięcia plazmowego są: możliwość cięcia wszystkich metali, duża wydajność, dobra jakość powierzchni cięcia, możliwość przecinania materiałów o dużych grubościach (nawet do 150 mm). Natomiast wadami cięcia plazmowego są: bardzo duży poziom hałasu, zagrożenie porażeniem prądem, silne promieniowanie świetlne łuku, duża ilość gazów i dymów.

Cięcie strugą wodną

Alternatywną metodą jest cięcie wysokociśnieniową strugą wodną – dynamicznie rozwijająca się technologia o szerokim zastosowaniu w wielu dziedzinach przemysłu (np. samochodowym, lotniczym, tekstylnym czy maszynowym). Może być wykorzystywana do cięcia niemal wszystkich rodzajów materiałów, począwszy od bardzo miękkich (żele, pianki, gąbki), poprzez materiały twardsze (tworzywa kompozytowe, sztuczne, skóra, guma, a także metale miękkie: mosiądz, miedź, aluminium, stal węglowa i nierdzewna), skończywszy na materiałach bardzo twardych (stale hartowane, żaroodporne, ceramika i węgliki spiekane). Technologia ta nadaje się również do cięcia szkła, marmuru, granitu i płytek ceramicznych. Stosowana jest wszędzie tam, gdzie wykorzystanie innych metod jest kosztowne, trudne do wykonania lub całkowicie niemożliwe.

Cięcie strumieniem wody odbywa się na zimno i polega na zastosowaniu silnie sprężonego strumienia wody przepuszczanego przez dyszę o małej średnicy w celu uzyskania bardzo dużych prędkości strumienia, przekraczających ponad trzykrotnie prędkość dźwięku.

Strumień wody usuwa cięty materiał ze szczeliny cięcia w wyniku erozji i ścinania, a także mikroobróbki w przypadku użycia dodatkowo proszku ściernego. Proces cięcia strumieniem wody umożliwia cięcie, żłobienie i przebijanie. W przypadku materiałów miękkich, niemetalicznych wykorzystuje się w nim samą wodę, bez dodatku ścierniwa. Do cięcia zaś metali i stopów konieczne jest wprowadzenie do strumienia wody proszku ściernego z granatu, oliwinu lub krzemionki.

Kluczowe parametry procesu cięcia strugą wodną

Podstawowymi parametrami wpływającymi na przebieg cięcia strumieniem wody są: prędkość cięcia, ciśnienie wody, wydajność podawania proszku, rodzaj i ziarnistość proszku, odległość dyszy od przedmiotu, geometria dyszy. Jeśli zwiększa się prędkość cięcia przy danej mocy cięcia równej iloczynowi ciśnienia wody i prędkości podawania proszku, to maleje szerokość szczeliny cięcia, co ostatecznie może doprowadzić do braku przecięcia. Proszek ścierny o ziarnistości 0,3÷0,4 mm jest podawany zazwyczaj z wydajnością 0,1÷1,5 kg/min. Przy bardzo twardych materiałach zaleca się stosowanie proszku ściernego z węglika boru. Dysze do cięcia czystą wodą są wykonywane ze sztucznego szafiru (Al2O3) i mają trwałość 200÷500 godzin. Cięcie strumieniem wody z dodatkiem proszku ściernego wymaga użycia dysz z węglików, których trwałość wynosi 2÷4 godziny. Stosowane są również dysze diamentowe, których trwałość wynosi nawet do 1000 godzin. W przypadku elementów o dużej grubości proces cięcia musi być kilkakrotnie powtarzany po tej samej linii, co wymaga zwiększenia odległości dyszy od ciętego przedmiotu i odpowiedniego zmniejszenia prędkości cięcia.

Obecnie stosuje się trzy rodzaje urządzeń do cięcia wodą: o ciśnieniu wody ok. 70 MPa i średnicy dyszy 3 mm z mieszaniem wody i proszku ściernego w komorze przyległej do dyszy tnącej; z mieszaniem wody i proszku ściernego przed dyszą o średnicy 1 mm i ciśnieniu wody 200÷400 MPa; z bezpośrednim wprowadzeniem do dyszy o średnicy 3 mm i pod ciśnieniem 70 MPa mieszanki proszku ściernego i wody wytwarzanej wcześniej w małym zbiorniku ciśnieniowym.

Bezpośrednie wprowadzenie mieszanki wody i proszku tnącego umożliwia pięciokrotne zwiększenie prędkości cięcia dzięki większej sprawności energetycznej strumienia tnącego. Zaletami procesu cięcia strumieniem wody są: możliwość cięcia praktycznie wszystkich materiałów (oprócz diamentu), brak nagrzewania się materiału, brak odkształceń w materiale po cięciu, bardzo dobra jakość ciętych powierzchni, duża dokładność, przyjazność dla środowiska – nie występują tu żadne pyły i gazy.

Wadami cięcia strumieniem wody są: duży koszt inwestycyjny zakupu maszyny roboczej, duży poziom hałasu, dochodzący do 120 dB, konieczność stosowania wody specjalnie uzdatnionej i przefiltrowanej, koszty materiałów dodatkowych, np. ścierniwa przy cięciu materiałów twardych, brak prostopadłości krawędzi podczas cięcia grubych materiałów, mała prędkość cięcia w porównaniu do innych metod (np. cięcia plazmą).

Co wybrać?

Można stwierdzić, że skuteczność obu technologii jest zbliżona. Ich efektywność zależy od wymogów stawianych procesowi: założeń jakościowych, możliwości technologicznych, czasu realizacji, nakładów własnych. Nie ma jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, która z prezentowanych metod jest lepsza. Każda z nich ma swoje obszary zastosowania i raczej są to technologie uzupełniające się niż konkurujące ze sobą.

Strugą wodną można ciąć materiały niemetalowe, nieprzewodzące prądu, takie jak: papier, tkaniny, tworzywa sztuczne, ceramika, beton – do których cięcia zastosowanie technologii plazmowej jest zupełnie niemożliwe. Oczywiście obróbka wodna czy wodno-ścierna jest procesem czasochłonnym i pod tym względem cięcie plazmą znacząco ją przewyższa. Jednak większa prędkość procesu nie zawsze gwarantuje dobrą jakość otrzymywanych powierzchni.

Wiele zależy więc od oczekiwań stawianych obróbce i kształtów geometrycznych ciętych elementów. Struga wodna jest precyzyjną technologią, pozostawiającą węższą szczelinę cięcia niż technologia plazmowa – nadaje się do elementów posiadających ostre kąty wewnętrzne i zewnętrzne w swojej geometrii. Za pomocą plazmy, gdzie średnice otworów przebicia są większe, uzyskanie skomplikowanych kształtów mogłoby być trudne do wykonania.

_________________________________________________

* Dr hab. inż. Maciej Matuszewski, prof. UTP, jest pracownikiem Instytutu Automatyzacji i Transportu na Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym w Bydgoszczy