CNC 플라즈마 절단 공정을 최적화하는 방법은?

플라즈마 절단 기술의 지속적인 발전으로 CNC 플라즈마 절단기의 활용도가 점점 더 널리 보급되고 있습니다.

CNC 플라즈마 절단기는 중간 및 작은 두께의 판재에 사용되는 주요 절단 및 블랭킹 장비 중 하나입니다. 간편한 조작, 높은 정확도, 높은 작업 효율성, 낮은 노동 강도 등 다양한 이점을 제공합니다.

화학 산업, 자동차 산업, 기계 산업, 철도 운송 산업 등 다양한 산업 분야에서 광범위하게 사용되고 있습니다.

전통적인 절단 방법으로 거친 재료를 절단할 수 없는 경우, CNC 플라즈마 절단 기계가 유용합니다.

절단 속도 측면에서 중간 및 작은 두께의 탄소강판을 절단할 때 CNC 플라즈마 절단 속도는 기존의 화염 절단 속도보다 빠르며 절단 표면은 뜨거운 변형을 최소화하면서 매끄럽게 유지됩니다.

또한 CNC 플라즈마 절단 방식은 다음과 같은 것보다 비용 효율적인 옵션입니다. 레이저 커팅.

플라즈마 커팅의 원리

플라즈마 절단은 고온의 전기 전도성 가스를 사용하여 금속을 녹이고 절단하는 열 절단 공정입니다. 이 공정은 고주파 전기 아크를 통해 혼합 가스(일반적으로 공기, 질소 또는 아르곤과 수소의 혼합물)를 이온화하는 것으로 시작됩니다. 이 이온화는 극도의 열과 전기 전도성을 특징으로 하는 물질 상태인 플라즈마를 생성합니다.

플라즈마 아크는 미세 구멍이 있는 구리 노즐을 통해 수축 및 가속되어 30,000°C(54,000°F)가 넘는 고속 플라즈마 제트를 생성합니다. 이 온도는 알려진 모든 재료의 녹는점을 훨씬 뛰어넘는 온도이므로 다양한 금속을 빠르고 효율적으로 절단할 수 있습니다.

플라즈마 제트가 공작물에 충돌하면서 재료를 순간적으로 녹이는 동시에 높은 운동 에너지로 용융된 금속을 날려버립니다. 이러한 용융과 강력한 배출의 이중 작용으로 인해 깨끗하고 좁은 커프(절단 폭)가 생성됩니다. 이 공정에서는 상당한 양의 연기, 자외선, 용융 슬래그가 발생하므로 강력한 연기 배출 시스템과 적절한 안전 조치가 필요합니다.

플라즈마 가스 구성을 신중하게 선택하면 절단 성능과 품질을 최적화할 수 있습니다. 예를 들어

• 에어 플라즈마는 비용 효율적이며 최대 25mm 두께의 연강에 적합합니다.
• 질소 플라즈마는 스테인리스 스틸과 알루미늄의 절단 품질을 향상시킵니다.
• 아르곤-수소 혼합물은 두꺼운 스테인리스강과 알루미늄에 탁월한 절삭 속도를 제공합니다.

플라즈마 절단은 전도성 재료, 특히 산소 연료 절단이 효과가 없는 알루미늄 및 구리와 같은 비철 금속 가공에 탁월합니다. 최신 CNC 플라즈마 시스템은 ±0.5mm의 절단 공차와 2~4도 이내의 모서리 각도를 달성할 수 있어 정밀 제작 작업에 적합합니다.

플라즈마 커팅 프로세스 선택

플라즈마 커터를 사용한 CNC(컴퓨터 수치 제어) 작업 과정에서 프로그래밍은 초기 단계입니다. 가공 프로세스는 미리 프로그래밍된 순서를 따릅니다.

이 프로그래밍 단계에서는 절단 속도, 절단 순서 및 시작점과 같은 요소가 절단 품질을 결정하는 데 중추적인 역할을 합니다.

시작 지점 선택

절단 시작점은 시트의 가장자리 또는 이전에 절단한 솔기 내에 있는 것이 이상적입니다. 노즐이 재료에서 너무 멀리 떨어져 있으면 불완전한 절단이 발생하여 불필요한 재료 낭비가 발생합니다.

반대로 노즐이 너무 가까우면 단락이 발생할 수 있습니다. 이는 소재를 손상시키고 절단 품질에 영향을 줄 뿐만 아니라 노즐에도 해를 끼칠 수 있습니다.

자르기 방향 선택

절단 방향은 절단되는 최종 가장자리가 주 재료에서 대부분 분리되도록 해야 합니다.

너무 일찍 분리되면 공작물 주변의 얇은 프레임이 절단으로 인한 열 응력을 견디지 못해 공정 중에 공작물이 움직일 수 있습니다. 이러한 이동으로 인해 치수가 부정확해져 절단 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.

자르기 시퀀스 선택

프로그래밍하는 동안 재료 활용도를 극대화하기 위해 공작물은 종종 시트 내에 중첩됩니다.

따라서 절단 순서에 따라 재료 제거 순서가 결정됩니다. 일반적으로 이 순서는 큰 조각보다 작은 조각을 먼저 자르고 바깥쪽 윤곽보다 안쪽 윤곽을 먼저 자르는 원칙을 따릅니다.

그렇지 않으면 내부 윤곽이나 작은 조각을 절단하는 동안 발생하는 응력이 응력 집중으로 이어져 공작물이 폐기될 수 있습니다.

커팅 속도 선택

절단 속도의 선택은 재료 유형 및 두께, 노즐 디자인, 절단 전류, 선택한 가스 등 다양한 요소의 영향을 받습니다.

그러나 동일한 출력과 조건에서 절단 속도가 빠르면 공작물의 베벨이 더 커집니다.

따라서 절단 시 노즐은 슬래그를 빠르게 제거할 수 있도록 재료와 수직이 되어야 합니다. 효율성을 보장하려면 절단 품질에 영향을 주지 않으면서 최대 절단 속도를 선택해야 합니다.

커팅 테이블 최적화

CNC 플라즈마 절단기의 절단 테이블은 일련의 다이어프램으로 지지되며, 이는 공작물 지지 및 슬래그 관리에 중요한 역할을 합니다. 그림 1에 표시된 것처럼 다이어프램 간 간격은 정확히 110mm이며, 이는 지지력과 슬래그 낙하 사이의 균형을 맞추는 치수입니다.

그림 1 절단 테이블이 있는 CNC 플라즈마 절단기

소형 부품을 가공할 때 흔히 발생하는 문제는 절단된 부품이 다이어프램 사이에 끼어 회수 작업이 복잡해지고 생산 지연이 발생할 수 있다는 점입니다. 각 다이어프램은 구조적 무결성과 내열성을 위해 선택된 8mm × 190mm × 4600mm 크기의 직선형 평면 강판으로 제작됩니다.

다이어프램의 아래쪽 부분은 고온 플라즈마 절단 공정으로 인해 특히 산화물 슬래그가 쌓이기 쉽습니다. 이러한 축적물은 절단 품질에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다:

1. 플라즈마 토치와 공작물 사이의 스탠드오프 거리 변경하기
2. 절단되는 재료의 지지력이 고르지 않음
3. 플라즈마 아크의 경로를 방해하여 커프 폭이 일정하지 않음

최적의 커팅 성능을 유지하려면 정기적인 유지보수가 필수적입니다. 여기에는 다이어프램을 자주 청소하거나 마모가 과도할 경우 완전히 교체하는 것이 포함됩니다. 체계적인 유지보수 일정을 실행하면 운영 효율과 커팅 품질의 균형을 맞출 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위한 잠재적 개선 사항에는 다음이 포함될 수 있습니다:

• 청소 및 교체가 간편한 모듈식 다이어프램 시스템 설계
• 절단 테이블 아래에 슬래그 수거 시스템 통합
• 슬래그 부착을 줄이기 위한 대체 다이어프램 재료 또는 코팅 실험
• 다양한 부품 크기를 수용하기 위한 가변 간격 시스템 구현

절단 작업 테이블의 최적화 계획 및 구현

업계에서는 제품 구조와 배치가 고정되어 있지 않은 경우가 많기 때문에 재료를 절약하기 위해 네스팅을 사용하게 됩니다. 여기에는 크고 작은 자료의 조판을 일치시키는 작업이 포함됩니다.

현재 우리는 플라즈마 벤치 공정 혁신을 통해 플라즈마 절단기의 가동률을 높이고 절단 벤치의 수명을 연장하는 방법을 해결해야 하는 과제를 안고 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 먼저 기존 블랭킹 제품을 분석하고 분류합니다. 그런 다음 그림 2에서와 같이 가장 작은 절단 부품을 선택하고 크기를 결정한 다음 현장 조건에 따라 새로운 작업대 세트를 설계합니다.

그림 2 CNC 플라즈마 절단기 최적화 후 테이블 모델

(1) 구체적인 계획.

1. 플랫폼의 크기는 1500mm × 3000mm이며 여러 플랫폼과 결합할 수 있습니다.
2. 플랫폼의 외부 프레임은 4mm 플레이트를 U자형으로 접은 후 직사각형 프레임 구조로 용접하여 제작합니다. 이 디자인은 프레임의 강성을 보장하고 리프팅 중 변형을 방지합니다.
3. 프레임 내부에는 4mm 플레이트로 접혀 있고 프레임에 세로로 버클이 달린 2-3개의 V자형 부품이 있습니다. 또한 다이어프램을 쉽게 삽입할 수 있도록 세로 빔에 3.5mm 너비의 노치가 열려 있습니다.
4. 다이어프램은 한 면이 톱니 모양으로 잘린 1500mm × 200mm 판으로 만들어집니다.

(2) 구체적인 구현 프로세스.

1. 장비 매개변수와 필요한 절단 부품의 크기에 따라 절단 작업대의 길이, 너비, 높이 및 파티션 간격을 설계합니다.
2. 디자인 도면에 따라 절단 작업대를 만드세요.
3. 모든 커팅 테이블 부품은 다음을 사용하여 한 번에 잘라냅니다. CNC 절단기를 사용하여 정확한 크기와 편리한 다이어프램 교체가 가능합니다.
4. 커팅 테이블 프레임은 프로그래밍하고 CNC 벤딩 기계로 정확한 위치 지정 크기와 우수한 성형성을 제공합니다.
5. 절단 작업대 프레임을 조립, 용접 및 제작합니다.
6. 다이어프램을 커팅 테이블에 삽입합니다.
7. 커팅 테이블을 원래 커팅 테이블 위에 놓습니다. 절단할 때는 그림 3과 같이 재료를 이동식 절단 테이블 위에 놓고 절단합니다.

그림 3 CNC 플라즈마 절단기 최적화 후 작업 테이블의 실제 도면

절단 공정의 경로 최적화

절단 과정에서 플레이트의 열팽창 및 냉수축 효과로 인해 가공된 부품과 남은 재료 사이에 상대적인 움직임이 발생합니다.

상대적 이동은 가공된 부품의 무게와 나머지 재료의 무게의 차이에 따라 세 가지 상황으로 분류할 수 있습니다:

1. 가공된 파트의 무게가 남은 소재의 무게보다 크면 가공된 파트는 고정된 상태로 유지되고 남은 소재는 플랫폼에 대해 상대적으로 이동합니다. 이는 가공된 파트의 크기에는 영향을 미치지 않습니다.
2. 가공된 부품의 무게가 남은 재료의 무게보다 작으면 가공된 부품은 플랫폼에 대해 이동하고 남은 재료는 고정된 상태로 유지됩니다. 이로 인해 가공된 부품에 일정한 편차가 발생합니다.
3. 가공된 파트의 무게가 남은 소재의 무게와 같으면 가공된 파트와 남은 소재가 모두 플랫폼을 기준으로 움직일 수 있으며, 이는 가공된 파트의 크기에 영향을 줄 수 있습니다.

실제로 가공된 부품의 치수 오차는 플랫폼에 대한 가공된 부품 또는 남은 재료의 상대적인 움직임으로 인해 일반적으로 0.3~4mm에 이르는 것으로 나타났습니다.

공작물 한쪽의 절단 경로

합리적인 절단 공정을 선택하면 CNC 플라즈마 절단 공정 중에 다양한 변형이 발생할 수 있습니다.

그림 4에 표시된 판을 절단할 때 호의 시작점으로 점 A를 선택한 경우 절단 순서와 방향은 다음과 같아야 합니다: A → D → C → B → A(그림 4a 참조).

그림 4 공작물 한쪽의 절삭 경로 및 변형

AD 섹션이 절단되고 DC 섹션이 처리되면 절단 중 고온으로 인해 DC 섹션의 좁은 잔여 재료가 선형적으로 길어져 CB 섹션이 바깥쪽으로 휘어집니다.

절단 후 DC 섹션의 크기는 δ만큼 줄어듭니다(그림 4b 참조). δ의 값은 DC 섹션의 크기에 비례합니다.

절단 순서 A → B → C → D → A를 선택하면 DA를 통해 공작물을 마더보드에서 분리할 수 있어 절단 변형을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

슬림한 부품의 변형 제어

그림 5에 표시된 가느다란 부분을 절단할 때 A→B→C→D→A 순서에 따라 BC 섹션을 확장하면 DA 섹션을 절단할 때 CD 섹션이 확장되는 것을 방지할 수 있습니다.

그림 5 날씬한 부품 절단

절단 및 냉각 공정이 끝나면 DA 섹션이 BC 섹션보다 더 많은 수축을 경험하여 공작물이 DA쪽으로 구부러져야 합니다.

측면 굽힘량 δ는 가공된 부품의 길이-너비 비율 Y/X에 따라 달라집니다. 길이-너비 비율이 증가하면 측면 굽힘량 δ도 증가합니다.

그림 6과 같이 절단에 두 쌍을 사용하는 경우 호의 시작점으로 점 A를 선택하고 절단 방향과 순서를 따릅니다: A → B → C → D → E → A → F.

그림 6 두 개의 날씬한 부품의 쌍 절단

DE 섹션에서 작업할 때 마더보드에서 제거하면 공작물의 길이-너비 비율이 절반으로 줄어들어 측면 굽힘량이 감소하는 것과 비슷합니다.

AF 섹션을 절단하는 동안 공작물 양쪽의 팽창과 수축이 균일하여 가느다란 부품의 δ 변형이 크게 감소합니다.

특수 형상 부품의 절단 기술

특수 부품 절단(그림 7)의 경우 위의 가공 방법과 다양한 특수 모양의 부품에 따라 다음과 같은 절단 공정을 선택할 수 있습니다.

그림 7 특수 부품 절단

(1) 오목한 부품의 경우 두 가지 쌍으로 된 절단 방법이 채택됩니다.

먼저 안쪽 가장자리를 자른 다음 바깥쪽 가장자리를 자르고 마지막으로 두 부분을 바깥쪽에서 안쪽으로 분리합니다.

절단 순서는 그림 8에 나와 있습니다.

안쪽 가장자리: A1 → B1 → C1 → D1 → A1;

바깥쪽: A → B → C → D → A, 마지막으로 E → F, H → G.

그림 8 두 개의 오목한 부품의 쌍 절단

(2) 오프셋 중공 부품의 경우 두 조각을 쌍으로 절단하고 마지막으로 두 조각을 분리해야 합니다.

절단 순서는 그림 9에 나와 있습니다.

안쪽면: A1 → B1 → C1 → D1 → A1, A2 → B2 → C2 → D2 → A2

바깥쪽: A → B → C → D → A, 마지막으로 E → F.

그림 9 두 개의 오프셋 중공 부품의 페어링 절단

플라즈마 장비 최적화

에어 플라즈마로 절단하는 과정에서 전극 코어의 윗부분이 공기 중의 산소와 고온 산화 반응을 일으키기 때문에 전극 마모가 불가피합니다.

전극의 수명은 아크 시작 횟수와 관련이 있으며, 동일한 조건에서 아크 시작 횟수가 많을수록 전극이 더 많이 마모됩니다. 아크가 자주 시작되면 전극의 수명이 크게 줄어듭니다.

그러나 연속 절단 프로세스는 비공통 모서리 공작물의 시작점 수를 줄여 공유 모서리 공작물의 절단 시작점을 하나만 만듭니다.

이렇게 하면 절단 중 아크가 시작되는 횟수가 줄어들어 전극의 수명이 향상됩니다.

결론

프로세스 혁신에는 몇 가지 유익한 효과가 있습니다. 첫째, 플라즈마 절단기의 가동률을 크게 향상시킵니다. 둘째, 작업대 다이어프램 교체가 편리하고 교체율이 절반으로 줄어들어 교체 비용이 절감됩니다. 셋째, 소형 부품의 절단 요구 사항을 충족 할 수 있습니다.

현재 이 공정 혁신은 철도 객차용 철골 구조물의 블랭킹에 널리 사용되고 있습니다. 각 차량에는 절단 및 블랭킹해야 하는 작은 부품이 많기 때문에 이 혁신은 작업 효율성을 개선하고 비용을 절감합니다.

플라즈마 절단을 사용할 때는 다음과 같은 문제를 고려해야 합니다: CNC 플라즈마 절단기의 절단 부품의 변형 법칙과 영향을 분석해야 합니다. 절단하기 전에 적절한 플레이트 레벨링 처리를 수행해야하며 절단 중에 가공 된 부품의 움직임을 방지하기 위해 플레이트를 고정해야합니다.

절단 프로그램을 컴파일할 때는 마더보드에서 공작물의 최대 크기 표면을 분리할 수 있는 합리적인 절단 프로세스를 선택해야 합니다. 가늘거나 특수한 모양의 부품을 절단하는 경우 2피스 쌍 절단과 같은 제어 방법을 사용하면 절단 부품의 변형을 효과적으로 방지하거나 줄일 수 있습니다.

다음에 비해 화염 절단CNC 플라즈마 절단은 가공 산업에서 절단 품질과 이점 측면에서 우수합니다. 다양한 작동 가스로 모든 종류의 금속, 특히 비철금속을 절단할 수 있습니다.