1. Кислородная разделительная резка

Глава V. Изготовление деталей из листового проката

1. Кислородная разделительная резка

В заготовительных отделениях сварочных цехов заводов тяжелого машиностроения кислородная резка является одним из основных технологических процессов изготовления деталей. Этот способ резки представляет собой процесс местного интенсивного окисления струей кислорода, нагретого до температуры воспламенения разрезаемого металла с удалением этой струей образующихся продуктов сгорания окислов металла. Кислородную резку применяют для вырезки деталей из конструкционных углеродистых низко- и среднелегированных сталей.

Разрезаемость сталей кислородной резкой зависит от их химического состава. Углеродистые и легированные стали по их раз-резаемости разделяют на четыре группы. К первой группе относятся стали с содержанием до 0,3% С и имеющие эквивалент углерода <0,65. Резку этих сталей можно выполнять в любых производственных условиях без технологических ограничений и без термической обработки до и после резки. Ко второй относятся стали с 0,3—0,5% С и имеющие эквивалент углерода 0,66—0,9%. Резку этих сталей без подогрева можно выполнять только при плюсовых температурах. При работах в зимнее время и при резке больших сечений требуется предварительный подогрев до температуры >120° С. К третьей относятся стали с 0,5—0,8% С и имеющие эквивалент углерода 0,91—1,25%. При резке этих сталей в обычных условиях возможно возникновение закалочных трещин. Такие стали следует резать только в горячем состоянии при 200— 300° С. К четвертой относятся стали с содержанием >0,8% С и имеющие эквивалент углерода >1,25. Эти стали склонны к образованию трещин после резки. Резка таких сталей возможна только при предварительном нагреве до 300—450° С с замедленным остыванием после резки.

Технология кислородной резки непрерывно совершенствуется в направлении повышения скорости, улучшения качества поверхности и точности резки и расширения технологических возможностей. В последние годы ВНИИавтогенмашем совместно с предприятиями разработаны и нашли широкое применение скоростные методы резки. В 60-х годах разработан метод резки с кислородной завесой, который позволяет увеличить скорость резки на 50% при резке листов толщиной до 40 мм с одновременным улучшением качества поверхности реза. ВНИИавтогенмашем разработан новый способ резки, получивший название смыв-процесс, позволяющий увеличить скорость резки в 1,8—2,3 раза и повысить чистоту поверхности.

Эффективность процесса резки во многом зависит от точности резки и качества поверхности реза. Размерная точность резки, т. е. совпадение размеров вырезанной детали с заданными размерами, зависит от конструкции газорезательных машин, качества изготовления копиров, копир-чертежей или программ, и режимов резки. Для механизированной резки без скоса кромок листовой стали толщиной 5—50' мм установлены три класса точности вырезаемых деталей. Предельные отклонения фактических размеров от номинальных в зависимости от класса точности колеблются от ±0,9 до ±2,8 мм. Качество поверхности реза характеризуется ее неперпендикулярностью, радиусом оплавления верхней кромки, количеством бороздок, приходящихся на единицу длины реза, и глубиной бороздок (шероховатостью) на его поверхности. Качество поверхности реза зависит от многих технологических факторов, подробно описанных в специальной литературе.

Кислородную резку можно выполнять вручную, а также с помощью переносных и стационарных машин.

На заводах тяжелого машиностроения ручную резку практически не применяют. Ее используют для разделки шихты, выполнения вырезов и других вспомогательных работ.

При использовании переносных машин резку выполняют по предварительной разметке. Переносные машины в основном применяют при резке деталей простой конфигурации (без сложных вырезов), кривых и малых радиусов. Предварительную разметку вырезаемых деталей выполняют вручную. В последние годы объем резки переносными машинами уменьшается, так как вместо стационарных газорезательных машин типа АСШ и АСП, позволяющих резать лишь небольшие детали по металлическим копирам, сварочные производства заводов оснащают стационарными машинами, позволяющими вырезать крупногабаритные детали.

При машинной резке на стационарных машинах положение резака относительно поверхности металла поддерживается постоянным и перемещение резака вдоль линии реза механизировано, что обеспечивает получение поверхности реза высокого качества. По конструкции стационарные машины для резки листового металла в зависимости от кинематики их несущих частей разделяют на прямоугольно-координатные, полярно-координатные (шарнирные) и параллелограммные. В цехах сварочного производства заводов тяжелого машиностроения наибольшее распространение получили машины с прямоугольно-координатной кинематической схемой. Эти машины имеют большие преимущества, так как резку можно производить несколькими резаками (расположенными вертикально или под углом для скоса кромок) и неограниченно подлине.
Конструктивно прямоугольно-координатные машины делят на портально-консольные и портальные. Портально-консольные машины с подвижной или неподвижной консолью (рис. 24, а—д) преимущественно применяют с копированием в масштабе 1:1. Для этих машин предельная ширина обработки 2—3 м. Портальные машины (рис. 24, е) имеют большую ширину обработки. Известна машина фирмы «Мессер Грисхейм» (ФРГ) шириной 20 м, оборудованная 24 резаками. Машины этого типа занимают меньшую площадь цеха (при одинаковой ширине обработки), чем портальноконсольные, и обладают большей жесткостью.

Применяемые в тяжелом машиностроении газорезательные машины работают по металлическим копирам с магнитной головкой, металлическим копирам-щитам, копир-чертежам (фотоэлектронные машины), перфоленте или магнитной ленте (машины с ЧПУ).

До широкого внедрения фотоэлектронных машин в сварочных цехах применяли машины, работающие по металлическим копирам. Основными недостатками этих машин являются ограничение размеров вырезаемых деталей (1—1,5 м), большая трудоемкость изготовления металлических копиров и значительные площади для их хранения. Магнитным контурным управлением по стальному копиру оснащают машины шарнирной конструкции и машины портально-консольного типа. В крупных сварочных производствах этот вид механизированной кислородной резки уменьшается.
В некоторых цехах сварочного производства еще применяют кислородную резку по металлическим копир-щитам. Специальное оборудование для этого вида резки промышленностью не выпускается. Кислородная резка по копир-щитам на Уралмашзаводе выполняется на модернизированной серийной газорезательной машине СГУ-1-58. При модернизации машины была удлинена консоль для возможности одновременной резки двух стандартных листов; стандартная головка с магнитным роликом заменена специальной головкой. Применение кислородной резки по копир-щитам наиболее рационально при изготовлении серийных и часто повторяющихся деталей, так как подготовительные работы по изготовлению копир-щитов требуют значительных затрат времени и металла. Основным преимуществом резки по копир-щитам является то, что при этом полностью ликвидируется операция разметки под резку. Кроме того, обслуживание машин не требует рабочих высокой квалификации, качество вырезаемых деталей носит стабильный характер, что очень важно для стендовой сборки сварных узлов. Копир-щиты в течение длительного времени эксплуатируются без какого-либо ремонта.

Раму копир-щита изготовляют из стандартных уголков сечением 50X50 мм, с одной стороны рамы приваривают лист толщиной 8 мм. На листе строго по разметке устанавливают алюминиевые полоски и крепят их винтами. Для вывода роликов копировальной головки во взаимно перпендикулярных полосках сделаны специальные вставки. При необходимости вставка может замыкать любую из пересекающихся полос. Копир-щиты имеют специальные чалочные приспособления для установки на газорезательную машину и на складскую площадку.

Для работы по копир-щитам на Уралмашзаводе изготовлены специальные механические копировальные головки. Копировальные ролики головки имеют конусную поверхность и специальную нарезку для улучшения сцепления при движении по алюминиевой полосе копир-щита. Скорость движения головки регулируется путем изменения частоты вращения электродвигателя и может составлять 150—2000 мм/мин.

Несомненны преимущества резки по копир-щитам по сравнению с резкой переносными машинами и на машинах с магнитным пальцем. Однако этому виду резки присущи серьезные недостатки: высокая стоимость изготовления копир-щитов, большие затраты вспомогательного времени при установке копир-щита на машину и выверке листа параллельно копир-щиту. Кроме того, требуются большие площади для хранения копир-щитов.

Наиболее распространена на заводах тяжелого машиностроения кислородная резка на машинах с фотокопировальными системами. В этих машинах автоматическое управление движением резака производится по копир-чертежу, выполненному в натуральную величину (масштаб 1:1) или в определенном масштабе по отношению к размерам вырезаемой детали. Фотокопировальные машины устойчиво работают на скорости копирования до 4 м/мин.

Машины с фотокопированием в масштабе 1 : 1 имеют простое устройство, и их легко эксплуатировать. Копир-чертеж вычерчивают на высококачественном ватмане (рис. 25). При выполнении копир-чертежа в масштабе 1 : 1 необходимо соблюдать следующее: расстояние между деталями должно быть 8—10 мм, наименьший диаметр отверстия 50 мм, наименьшие размеры овального отверстия 16X70 мм и радиус детали 2 мм. Рабочий контур детали обводят тушью с толщиной линии 5 мм. Недостатком резки в масштабе 1 : 1 являются ограниченные размеры вырезаемых деталей. Максимальный размер вырезаемых деталей составляет 1000—1100 мм, минимальный 50—70 мм.

В тяжелом машиностроении наиболее распространены газорезательные машины, работающие в масштабе 1 : 5 и 1 : 10 (табл. 16). Существуют машины, работающие в масштабе 1 : 100. На рис. 26 показан копир-чертеж для машины, работающей в масштабе 1 : 10. По нему изготовляют 15 деталей, часть из которых в соответствии с их габаритными размерами можно было ранее выполнить только с помощью переносных машин. Копир-чертеж в масштабе 1 : 10 вычерчивают на закрепленной рефлексной фотобумаге, которую приклеивают желатиновым клеем на стеклянную пластину. Для вычерчивания сложного копир-чертежа, состоящего из многих деталей, расстояние между контурами деталей принимают равным 2 мм. При сокращении расстояния фотокопировальное устройство работает неустойчиво. Наименьшие размеры вырезаемого круглого отверстия 50 мм, овального отверстия 20 X 100 мм и радиуса 15 мм. Рабочий контур детали обводят тушью, толщина линии 2 мм. Допускается заливка контуров детали тушью. Копир-чертеж выполняется с точностью ±0,2 мм.

В мировой практике все более широкое применение находят графопостроители. Приборы фирмы «Бенсон» (Франция) позволяют с заранее записанной информации на магнитной или перфоленте воспроизвести чертеж любого раскроя.
Некоторые системы графопостроителей имеют также вычислительную машину, позволяющую выполнять по исходным данным всевозможные расчеты по оптимизации раскроя металлопроката с записью результатов на магнитной ленте и с параллельным воспроизводством на чертеже. В ближайшее время графопостроители найдут широкое применение.
С развитием электронно-вычислительной техники, созданием на заводах вычислительных центров, оснащенных современными ЭВМ, организацией служб программирования и эксплуатации машин есть реальные предпосылки для широкого внедрения в сварочное производство машин для термической резки с цифровым программным управлением. Особенностями машин с цифровым программным управлением являются резка на больших скоростях (4000—6000 мм/мин), большие габаритные размеры вырезаемых деталей и высокая точность обработки (±0,5 мм). Система цифрового программного управления машины состоит из двух устройств: для подготовки программ и их записи на носитель информации и для программного управления движениями резаков по заданному контуру.

На практике нашли применение в основном два программоносителя: магнитная лента и бумажная перфолента. Из газорезательных машин с цифровым программным управлением зарубежных фирм широкое применение имеют машины фирмы «Мессер Грис-хейм» (ФРГ). Газорезательная машина этой фирмы «Омнимат» портального типа (рис. 27) с шириной колеи 8800 мм и длиной рельсового пути 24 000 мм предназначена для кислородной резки листов толщиной 3—100 мм. При использовании на машинах однорезаковых блоков выполняется вырезка фигурных деталей и прямолинейная резка, при применении трехрезаковых блоков могут быть получены различные профили кромок (V, X, Y, К-образные). Для резки полос предусмотрен координатный привод, обеспечивающий прямолинейную резку без программы. В процессе резки расстояние от резака до разрезаемого листа поддерживается постоянным с помощью специального устройства. Информация, передаваемая на машину: команды (включение резки, выключение, включение маршевой скорости и др.) и траектория перемещения резака — записывается в виде программы на восьмидорожечную перфоленту, проверяется на специальной машине и закладывается в компьютер — основной элемент управляющей части машины «Омнимат S» (Синумерик 590).

Цифровое программное управление газорезательными машинами по сравнению с системой фотоэлектронного копирования повышает производительность резки на 10—20% и улучшает точность и качество поверхности реза. При этом облегчаются условия труда оператора и появляется возможность обслуживания одним оператором одновременно двух-трех машин. Однако для внедрения машин с цифровым программным управлением требуются большие капитальные вложения и необходимо математическое обеспечение программ.

Одним из основных экономических факторов механизированной резки является возможность максимального использования исходного материала. В сварочных цехах применяют два метода раскроя металлопроката: оперативный из наличного металла разных размеров и стабильный мерного металла для определенной номенклатуры деталей. В первом случае набор деталей и оптимальное, их расположение выполняют непосредственно перед запуском в производство. Во втором случае раскрой металла делают заранее, и он приемлем в основном для стабильной номенклатуры деталей. Этот метод наиболее экономичный, так как записанная программа для машин с числовым программным управлением (ЧПУ), вычерченный фотокопир для машин с фотокопировальным управлением или изготовленный копир-щит повторяются много раз и поэтому требуют минимального подготовительного времени.

Раскрой металлопроката, оформляемый графически в виде карты, служит основным документом при создании копир-щита, фотокопира и программы для машин с ЧПУ. Некоторые детали, подлежащие вырезке по копир-щиту, имеют конструктивные окна. Чтобы максимально использовать металл, в эти места вкраивают мелкие детали, чаще всего нормализованные, которые на заводах изготовляют в большом количестве. Такой уплотненный раскрой позволяет добиться высокого коэффициента полезного использования металла (табл. 17).

В последнее время для получения рационального раскроя листового металлопроката все шире применяют ЭВМ. Для этого информацию в виде координат опорных точек деталей и указаний о типе линий между ними задают в ЭВМ. С математической точки зрения задача раскроя сводится к определению программы путем выбора оптимальной комплектации в пределах имеющегося задания. В условиях крупносерийного производства в основном используют методы линейного программирования. На рис. 28 показана полученная на ЭВМ «Урал-4» карта раскроя листа размером 6000X2000X40 мм с коэффициентом использования 0,9. Обычный способ раскроя заготовок на подобном листе дает коэффициент использования металла 0,7—0,8. В среднем раскрой листового металла с применением математического метода обеспечивает экономию до 10% металлопроката.

Для выявления наиболее экономичного варианта кислородной резки на Уралмашзаводе был произведен анализ экономической эффективности различных видов кислородной резки в зависимости от величины партии вырезаемых деталей. Вырезаемые детали были разбиты на три группы сложности: I — крупногабаритные детали с прямыми резами, II—детали средней сложности, преимущественно с прямыми резами и различными косыми поперечными резами, III—детали высокой сложности с большим числом элементов сложной конфигурации. Под комплектом деталей понималось число деталей, расположенных на одном листе размером 8000X2000 мм (табл. 18).

Определить принадлежность партии деталей к той или иной группе сложности по внешним признакам (конфигурации) очень где L — суммарная длина резки комплекта деталей; т — условная масса детали этого комплекта.

Коэффициенты сопоставимы только при одинаковой толщине деталей в каждой группе сложности.

Для определения оптимального вида кислородной резки были проанализированы трудовые затраты в каждой группе деталей по трем видам резки: переносными машинами, на стационарных машинах по копир-щитам и по копир-чертежам. В расчет трудоемкости вошло машинное, подготовительно-заключительное время и время, необходимое для уборки деталей, шлака, установки копир-щитов и др. Результаты анализа представлены на рис. 29. Из диаграммы видно, что резка деталей по копир-щиту экономичнее по сравнению с резкой переносными машинами при числе вырезаемых комплектов деталей 16. Вырезка комплекта деталей II и III групп сложности экономичнее при резке по копир-чертежу по сравнению с резкой по копир-щиту во всех случаях, а по сравнению с резкой переносными машинами при числе комплектов 5=4. Резка по копир-щиту экономичнее резки переносной машиной для II группы сложности при числе вырезаемых комплектов 10, а для III группы сложности 5-9 комплектов.

На заводах тяжелого машиностроения все большее применение находит плазменно-дуговая резка металла. Практика показывает, что черные металлы толщиной <30 мм целесообразнее резать этим методом. Преимущество этого метода заключается в возможности производить резку высоколегированных и коррозионно-стойких сталей, алюминиевых сплавов и др. Характерные дефекты деталей после кислородной резки (зашлакованность кромок, глубокая зона термического влияния, большие деформации) появляются в основном из-за чрезмерного перегрева металла в процессе резки. Благодаря большой скорости плазменно-дуговой резки в зоне резки происходят незначительные нагрев и деформация металла. Весьма перспективен метод газолазерной резки, позволяющий резать низкоуглеродистые и легированные стали толщиной до 8 мм и отличающийся высоким качеством поверхности реза.

При термической резке повышение производительности труда может быть достигнуто не только путем применения наиболее совершенных резательных машин, но и путем механизации вспомогательных операций (транспортировка, удаление шлака и обрези, маркировка). Штучное время машинной резки складывается из следующих составляющих где /м — машинное время; /пз — подготовительно-заключительное время (подготовка копиров или программоносителя, ознакомление с работой, подготовка машины, сдача деталей в конце работы); /всп — вспомогательное время (укладка листов, разборка деталей, удаление шлака и обрези, замена копиров, контроль точности и качества резки, маркировка деталей); /обсл — время обслуживания (наладка режимов резки, чистка и смазка механизмов, раскладка инструментов); /пер — время перерывов для отдыха оператора, устранение неисправностей и др.

Сумма времени /из; /ВС11; /обсл; /пер составляет непроизводительные затраты рабочего времени и зависит от уровня организации производства и степени автоматизации и механизации вспомогательных операций. Непроизводительные затраты времени при термической резке в заготовительных цехах сварочного производства достигают 50%. Основным средством сокращения этих затрат является комплексная механизация и автоматизация основных и вспомогательных операций. Практика показывает, что комплексная механизация процессов термической резки целесообразна при средних и больших объемах производства сварных конструкций от 50 тыс. т в год.

Уралмашзаводом спроектирована специализированная механизированная линия термической резки листового проката толщиной до 45 мм. Линия предназначена для маркировки, кислородной резки, очистки от грата, разборки, сортировки деталей и разделки отходов. Линия (рис. 30) состоит из полукозлового крана-листо-укладчика 1 с электромагнитной траверсой грузоподъемностью 6,5 т и пролетом 9 м, трансбордерных тележек 2, машин 3 для кислородной резки с числовым программным управлением, рольганга подающего 4 шириной 3,5 м и длиной 70 м, рольганга возвратного 5 шириной 2,5 м и длиной 70 м; кантователя 6 с электромагнитной плитой грузоподъемностью 6,5 т, раскройных рам 7, полукозлового электромагнитного разгрузчика 8 мелких деталей грузоподъемностью 0,5 т, полукозловых электромагнитных разгрузчиков 9 крупных деталей, контейнеров 10 для мелких деталей и отходов, машины маркировочной 11 с цифровым программным управлением АМУ-62, Лист из стопки подается листо-укладчиком 1 на пустую раскройную раму, лежащую на трансбор-дерной тележке 2. При включении механизма вращения роликового стола трансбордерной тележки раскройная рама с листом передается подающим рольгангом 4 на позицию маркировки деталей, | а затем на одну из пяти газоре-ю    зательных машин 3.

 Для маркировки и резки раскройная рама с листом с помощью 8 механизма с гидроприводом поднимается в верхнее положение. В это время транспортный рольганг 4 свободен, и по нему могут перемещаться другие раскройные рамы. С помощью второй трансбордерной тележки рама с разрезанным листом подается к кантователю 6 для зачистки грата. Кантователь поворачивает лист на 180° и с обратной стороны разрезанного листа производится зачистка грата пневматическим инструментом. Рама с разрезанным очищенным от грата листом подается на возвратный рольганг.  Транспортировка рамы по возвратному рольгангу совмещена с разборкой, сортировкой готовых деталей и обрези. Сначала рама с листом устанавливается на одну из позиций разделки обрези, разборки и сортировки мелких деталей и обрези размером до 1000X1000 мм. Для разборки ис пользуются полукозловые электромагнитные разгрузчики S, которые укладывают детали и обрезь в контейнеры 10. Затем раскройная рама подается на позицию для разборки крупных деталей и обрези, где два полукозловых электромагнитных разгрузчика 9 груозоподъемностью 2 т укладывают детали на складские площадки у возвратного рольганга. Разборка деталей производится при поднятой в верхнее положение раскройной раме. Пустая рама возвращается на первую трансбордерную тележку, где укладывается следующий лист для резки.
Для цеха сварных конструкций «Сибтяжмаша» ВПТИэнергомаш (г. Ленинград) разработал комплексно-механизированную поточную линию резки листового металла (рис. 31), включающую 12 машин для кислородной резки с программным управлением фирмы «Мессер Грисхейм» (ФРГ). Машины размещены на трех параллельных нитках. Каждая нитка содержит по одной позиции загрузки, четыре позиции резки и по одной позиции разборки. На каждой нитке последовательно выполняются укладка специальным перегружателем на позицию загрузки очередного разрезаемого листа, машинная вырезка заготовок из листа по заданной программе, механизированная передача разрезанного листа на позицию разборки.

Листы с одной позиции на другую передаются на подвижных раскройных рамах. Рамы транспортируются и устанавливаются в рабочее положение самоходной подъемно-транспортной тележкой, перемещающейся в транщее под раскройными рамами, которые во время резки находятся на опорах рабочих позиций. Шлак и отходы убираются автоматически с помощью специального устройства самоходной подъемно-транспортной тележки. Управление работой всего комплекса осуществляется оператором с центрального пульта управления. Линия рассчитана на резку листов размером до 10 000X2500X140 мм. На линии предусмотрены два магнитных погрузчика и два магнитных перегружателя грузоподъемностью по 12 т. Производительность линии 50 тыс. т заготовок в год.

Внедрение комплексно-механизированного централизованного производства заготовок позволит повысить загрузку технологического оборудования на 15—20%, обеспечить переход на групповые методы обработки заготовок, повысить коэффициент использования металла на 5—10%, снизить трудоемкость заготовительных работ, максимально исключить ручной труд на вспомогательных операциях, высвободить производственные площади, повысить культуру и организацию раскройно-заготовительного производства.
Внедрение механизированных линий является в настоящее время главным направлением повышения технического уровня термической резки. В перспективе будут создаваться автоматизированные технологические комплексы (АТК) термической резки, где всеми операциями будет управлять вычислительная машина.