De juiste snijparameters kiezen voor CNC-plasmasnijmachines

De selectie van snijprocesparameters voor CNC-plasmasnijmachines is cruciaal voor de kwaliteit, snelheid en efficiëntie van de snijresultaten.

Om een CNC-plasmamachine correct te gebruiken voor hoogwaardig en snel snijden, is het essentieel om de snijprocesparameters goed te begrijpen en te beheersen.

I. Snijstroom

De snijstroom is de meest kritieke parameter in het plasmasnijproces, omdat deze direct van invloed is op de dikte en snelheid van de snede en daarmee het snijvermogen bepaalt. De effecten van de snijstroom zijn als volgt:

1. Verhoogd snijvermogen en snelheid: Als de snijstroom toeneemt, neemt ook de energie van de boog toe, wat resulteert in een hoger snijvermogen en een hogere snijsnelheid.
2. Bredere sneden: Een verhoging van de snijstroom vergroot ook de diameter van de boog, waardoor de snede breder wordt.
3. Oververhitting mondstuk: Als de snijstroom te hoog is, kan het mondstuk oververhit raken, wat leidt tot voortijdige schade en een afname van de snijkwaliteit. In extreme gevallen kan dit het normale snijden verhinderen. Daarom is het essentieel om de juiste snijstroom en het bijbehorende mondstuk te kiezen op basis van de materiaaldikte voor het snijden.

II. Snijsnelheid

Het optimale bereik van de snijsnelheid kan worden bepaald aan de hand van de instructies van de apparatuur of door te experimenteren. Verschillende factoren zoals materiaaldikte, materiaalsoort, smeltpunt, thermische geleidbaarheid en oppervlaktespanning na smelten beïnvloeden de snijsnelheid. De belangrijkste effecten van de snijsnelheid zijn als volgt:

1. Verbeterde snijkwaliteit: Een gematigde verhoging van de snijsnelheid kan de kwaliteit van de snede verbeteren door de snede iets smaller te maken, het snijvlak gladder te maken en vervorming te verminderen.
2. Te hoge snelheid: Als de snijsnelheid te hoog is, zal de energie van de snijlijn onvoldoende zijn, waardoor de straal het gesmolten materiaal niet onmiddellijk kan wegblazen. Dit resulteert in een grotere hoeveelheid terugslag en slak die aan de snede blijft hangen, waardoor de kwaliteit van het snijoppervlak afneemt.
3. Problemen met lage snelheid: Als de snijsnelheid te laag is, werkt de snijpositie als de anode van de plasmaboog. Om de boogstabiliteit te behouden, moet de anodespot of het anodegebied een plaats vinden om stroom te geleiden in de buurt van de dichtstbijzijnde snede, waardoor meer warmte radiaal naar de straal wordt overgebracht. Dit resulteert in:
   • Een bredere snede.
   • Gesmolten materiaal verzamelt zich en stolt aan de onderrand, waardoor moeilijk te reinigen slak ontstaat.
   • De bovenrand van de snede vormt een afgeronde hoek door overmatig verhitten en smelten.
   • In extreme gevallen kan de boog doven als de snelheid te laag is.

III. Boogspanning

De boogspanning, meestal beschouwd als de snijspanning, is een andere cruciale parameter bij plasmasnijden. Plasmaboogsnijmachines werken meestal met een hoge nullastspanning en werkspanning. De effecten van boogspanning zijn als volgt:

1. Gassen met hoge ionisatie-energie: Bij gebruik van gassen met een hoge ionisatie-energie, zoals stikstof, waterstof of lucht, is de spanning die nodig is voor een stabiele plasmaboog hoger.
2. Verhoogde boogtemperatuur en snijvermogen: Wanneer de stroom constant is, betekent een toename van de spanning een toename van de enthalpie van de boog, waardoor het snijvermogen toeneemt.
3. Verbeterde snijsnelheid en -kwaliteit: Als de diameter van de straal wordt verkleind en tegelijkertijd de gasstroom wordt verhoogd met een verhoging van de enthalpie, resulteert dit vaak in hogere snijsnelheden en een betere snijkwaliteit.

IV. Werkgas en stroomsnelheid

Werkgassen bij plasma snijden

Bij plasmaboogsnijden zijn de selectie en het beheer van werkgassen cruciaal voor het bereiken van optimale snijprestaties. De werkgassen bestaan meestal uit snijgas, hulpgas en, in sommige gevallen, startgas. Het juiste werkgas moet gekozen worden op basis van het type, de dikte en de snijmethode van het materiaal dat verwerkt wordt.

Rol van snijgas

Het snijgas dient verschillende essentiële functies:

1. Vorming van plasmastraal: Het snijgas wordt geïoniseerd om de plasmastraal te vormen, die het primaire snijgereedschap is.
2. Verwijdering van gesmolten metaal en oxiden: Het helpt bij het verdrijven van gesmolten metaal en oxiden uit de snede, waardoor een schone snijkant gegarandeerd is.

Belang van gasstroomsnelheid

De gasstroomsnelheid is een kritieke parameter die zorgvuldig moet worden geregeld:

• Overmatige gasstroom: Als de gasstroom te hoog is, kan deze meer boogwarmte afvoeren, de lengte van de plasmastraal verkorten, het snijvermogen verminderen en booginstabiliteit veroorzaken.
• Onvoldoende gasstroom: Als de gasstroom daarentegen te laag is, kan de plasmaboog zijn noodzakelijke rechtheid verliezen, wat resulteert in ondiepe sneden en meer slakvorming.

Daarom moet de gasstroom goed worden afgestemd op de snijstroom en -snelheid om de snijefficiëntie en -kwaliteit te behouden.

Gasstroomsnelheid regelen

De meeste moderne plasmaboogsnijmachines regelen de gasstroom door de gasdruk te regelen. Als de opening van het mondstuk vast is, regelt de gasdruk effectief de stroomsnelheid. De gasdruk die nodig is voor het snijden van een specifieke materiaaldikte wordt meestal geleverd door de fabrikant van de apparatuur. Voor speciale toepassingen kan het nodig zijn om de gasdruk te bepalen aan de hand van daadwerkelijke snijtests.

Veelgebruikte werkgassen

De meest gebruikte werkgassen bij plasmaboogsnijden zijn:

• Argon (Ar)
• Stikstof (N₂)
• Zuurstof (O₂)
• Lucht
• H35 (een mengsel van 35% waterstof en 65% argon)
• Argon-stikstof gemengd gas

Elk gas of gasmengsel heeft specifieke eigenschappen die het geschikt maken voor verschillende materialen en snijomstandigheden. Bijvoorbeeld:

• Argon: Geeft een stabiele boog en wordt vaak gebruikt voor het snijden van non-ferrometalen.
• Stikstof: Biedt hoge snijsnelheden en is geschikt voor roestvrij staal en aluminium.
• Zuurstof: Verbetert de snijsnelheid en -kwaliteit voor zacht staal.
• Lucht: Een kosteneffectieve optie voor het snijden van verschillende materialen, hoewel het extra filtratie kan vereisen.
• H35: Wordt gebruikt voor het snijden van dik roestvrij staal en aluminium vanwege de hoge energiedichtheid.

Gassoorten bij plasmasnijden: Eigenschappen en toepassingen

1. Argon Gas

Argongas vertoont minimale reactiviteit met metalen bij hoge temperaturen, wat bijdraagt aan een zeer stabiele plasmaboog. De levensduur van het mondstuk en de elektrode wordt ook verlengd bij gebruik van argon. De argon-plasmaboog werkt echter bij een lagere spanning en heeft een relatief lage enthalpie-waarde, waardoor de snijcapaciteit beperkt is. Vergeleken met snijden met lucht neemt de snijdikte die met argon haalbaar is af met ongeveer 25%. Bovendien is in een omgeving met argon de oppervlaktespanning van het gesmolten metaal ongeveer 30% hoger dan in een stikstofomgeving, wat mogelijk leidt tot meer slakvorming. Zelfs gemengd met andere gassen heeft argon de neiging om kleverige slak te produceren, waardoor puur argongas minder geschikt is voor plasmasnijden.

2. Waterstofgas

Waterstofgas wordt meestal gebruikt als hulpgas in combinatie met andere gassen. Een opmerkelijk voorbeeld is H35-gas, dat bestaat uit 35% waterstof en 65% argon. Dit mengsel is zeer effectief bij plasmaboogsnijden vanwege de aanzienlijke verhoging van de boogspanning door waterstof, wat resulteert in een plasmastraal met een hoge enthalpie. In combinatie met argon wordt de snijefficiëntie aanzienlijk verbeterd. Voor het snijden van metalen dikker dan 70 mm wordt meestal een argon-waterstofmengsel gebruikt. De snijefficiëntie kan verder worden verbeterd door een waterstraal te gebruiken om de argon-waterstof plasmaboog samen te drukken.

3. Stikstofgas

Stikstof is een veelgebruikt werkgas bij plasmasnijden. Bij hoge voedingsspanningen bieden stikstofplasmabogen een betere stabiliteit en een hogere straalenergie dan argon. Hierdoor is stikstof bijzonder effectief voor het snijden van materialen met een hoge viscositeit, zoals roestvast staal en legeringen op nikkelbasis, met minimale slakvorming. Stikstof kan alleen worden gebruikt of gemengd met andere gassen. In geautomatiseerde snijprocessen wordt vaak stikstof of lucht gebruikt, waardoor dit standaardgassen zijn voor het op hoge snelheid snijden van koolstofstaal. Stikstof wordt ook gebruikt als een gas voor het starten van een boog bij zuurstofplasmasnijden.

4. Zuurstofgas

Zuurstof kan de snijsnelheid van staal met een laag koolstofgehalte aanzienlijk verhogen. Het snijmechanisme met zuurstof is vergelijkbaar met vlamsnijden, waarbij de plasmaboog met hoge temperatuur en hoge energie het snijproces versnelt. Zuurstof moet echter gebruikt worden met elektroden die bestand zijn tegen oxidatie bij hoge temperatuur en die beschermd zijn tegen schokken tijdens het starten van de boog om hun levensduur te verlengen.

5. Lucht

Lucht, dat ongeveer 78% stikstof en 21% zuurstof bevat, produceert slakvorming die vergelijkbaar is met stikstof bij gebruik voor snijden. De aanwezigheid van zuurstof in lucht verhoogt de snijsnelheid van staal met een laag koolstofgehalte. Lucht is ook het meest economische werkgas. Alleen lucht gebruiken voor het snijden kan echter leiden tot problemen zoals slakvorming, oxidatie en stikstoftoename aan de snijranden. De kortere levensduur van elektroden en mondstukken kan ook de werkefficiëntie beïnvloeden en de snijkosten verhogen.

V. Hoogte van het mondstuk bij plasmaboogsnijden

Definitie en belang

De hoogte van het mondstuk verwijst naar de afstand tussen het eindvlak van het mondstuk en het snijoppervlak. Deze afstand is een kritieke parameter bij plasmaboogsnijden omdat deze de totale booglengte beïnvloedt en dus ook de snijprestaties.

Invloed op boogkarakteristieken

Plasmaboogsnijden maakt meestal gebruik van stroombronnen met constante stroom of steile druppelkarakteristieken. Wanneer de hoogte van het mondstuk toeneemt, blijft de stroom relatief stabiel. De booglengte neemt echter toe, wat leidt tot een toename in boogspanning en dus boogvermogen. Deze toename in boogvermogen wordt gecompenseerd door het energieverlies van de boogkolom die aan de omgeving wordt blootgesteld.

Effecten op snijprestaties

De wisselwerking tussen verhoogde boogkracht en energieverlies kan resulteren in een vermindering van de effectieve vonkenergie. Deze vermindering manifesteert zich op verschillende manieren:

• Verzwakking van de kracht van de snijstraal: De kracht van de snijstraal neemt af, waardoor de snijefficiëntie vermindert.
• Toename van restslakken: Er blijft meer slak achter op de bodem van de snede, wat duidt op een minder zuivere snede.
• Afronding van de bovenrand: De bovenrand van de snede wordt afgerond, wat ongewenst is voor precisiesnijwerk.
• Bredere incisie: Aangezien de plasmastraal bij het verlaten van het mondstuk naar buiten uitzet, resulteert een grotere hoogte van het mondstuk in een bredere snede, wat de precisie en kwaliteit van de snede kan beïnvloeden.

Optimale spuitmondhoogte

Om de snijsnelheid en -kwaliteit te verbeteren, is het over het algemeen gunstig om een zo klein mogelijke mondstukhoogte aan te houden. Als de mondstukhoogte echter te laag is, kan dit leiden tot de vorming van dubbele bogen, wat schadelijk is voor het snijproces.

Gebruik van keramische mondstukken

Het gebruik van keramische buitenmondstukken kan de problemen verminderen die gepaard gaan met lage mondstukhoogtes. Deze nozzles zorgen ervoor dat het uiteinde van de nozzle direct in contact komt met het snijoppervlak, waardoor de nozzlehoogte effectief op nul wordt gezet. Deze configuratie kan uitstekende snijresultaten opleveren door de booglengte te minimaliseren en de effectieve kernenergie te maximaliseren.

VI. Dichtheid van het snijvermogen

Plasmaboog met hoge compressie voor snijden

Om een plasmaboog met hoge compressie te realiseren voor het snijden, maakt het snijmondstuk gebruik van een kleine mondstukopening, een grotere boringslengte en verbeterde koelmechanismen. Deze eigenschappen verhogen samen de stroom door de effectieve doorsnede van het mondstuk, waardoor de vermogensdichtheid van de boog toeneemt. Deze compressie resulteert echter ook in een hoger vermogensverlies van de boog. Bijgevolg is de werkelijk gebruikte energie voor het snijden minder dan het vermogen van de stroombron, met een typische verliessnelheid tussen 25% en 50%.

Overwegingen met betrekking tot energieverlies

Bepaalde methoden, zoals plasmasnijden met watercompressie, kunnen een hoger energieverlies vertonen. Met deze factor moet rekening worden gehouden bij het ontwerpen van snijprocesparameters of het uitvoeren van economische evaluaties van snijkosten.

Metalen platen snijden

In industriële toepassingen is de dikte van metaalplaten meestal minder dan 50 mm. Binnen dit bereik produceert conventioneel plasmaboogsnijden vaak sneden met een grotere bovenrand en een kleinere onderrand. Dit verschil kan de maatnauwkeurigheid van de snede verminderen en extra bewerkingen noodzakelijk maken.

Materiaalspecifieke snij-eigenschappen

Bij het gebruik van plasma-snijden met zuurstof en stikstof voor materialen als koolstofstaal, aluminium en roestvast staal, kunnen de volgende opmerkingen worden gemaakt:

• Plaatdikte 10-25 mm: Voor platen binnen dit diktebereik is het materiaal dikker, wat resulteert in een betere verticaliteit van de rand. De hoekfout van de snijkant varieert meestal van 1 tot 4 graden.
• Plaatdikte <1mm: Naarmate de plaatdikte afneemt, neemt de hoekfout van de incisie aanzienlijk toe, variërend van 3-4 graden tot 15-25 graden.

Oorzaken van hoekfouten

De primaire oorzaak van de hoekfout wordt toegeschreven aan de ongelijkmatige warmte-inbreng van de plasmastraal op het snijoppervlak. De energie die vrijkomt van de plasmaboog is meer geconcentreerd in het bovenste deel van de incisie dan in het onderste deel. Deze onbalans in de energieafgifte wordt beïnvloed door verschillende procesparameters, waaronder de mate van compressie van de plasmaboog, de snijsnelheid en de afstand tussen het mondstuk en het werkstuk.

Snijparameters optimaliseren

Door de compressiegraad van de boog te verhogen kan de plasmastraal met hoge temperatuur worden uitgebreid, waardoor een meer uniform gebied met hoge temperatuur wordt gevormd. Dit verhoogt ook de snelheid van de straal, wat het breedteverschil tussen de boven- en onderrand van de incisie kan verkleinen. Overmatige compressie van conventionele spuitmonden kan echter leiden tot dubbele bogen, die niet alleen elektroden en spuitmonden verbruiken, maar ook de kwaliteit van de incisie aantasten en mogelijk het snijproces stoppen.

Daarnaast kunnen een te hoge snijsnelheid en spuitmondhoogte het breedteverschil tussen de boven- en onderrand van de incisie verergeren. Daarom is zorgvuldige optimalisatie van deze parameters cruciaal om sneden van hoge kwaliteit te verkrijgen met minimale hoekfouten en breedteverschillen.

VII. Parametertabel plasmasnijproces

Het proces bestaat uit het creëren van een elektrisch kanaal van oververhit, elektrisch geïoniseerd gas (plasma) van de plasmasnijder door het werkstuk, waardoor het gesneden wordt. De parameters voor plasmasnijden kunnen variëren op basis van het type plasmagas en de gebruikte snijstroom. Hieronder staan de geoptimaliseerde parameters voor het snijden van koolstofarm staal met verschillende plasmagassen:

Laag koolstofstaal lucht plasma/lucht bescherming snijstroom 130A

Snijstroom 130A zuurstofplasma/luchtbescherming voor laag koolstofstaal

Praktische tips

• Zorg voor goede ventilatie: Plasmasnijden genereert dampen en gassen die goed geventileerd moeten worden om een veilige werkomgeving te garanderen.
• Regelmatig onderhoud: Controleer en onderhoud de plasmasnijder en de verbruiksartikelen regelmatig om optimale prestaties en snijkwaliteit te garanderen.
• Veiligheidsmaatregelen: Draag altijd de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen (PPE), waaronder handschoenen, oogbescherming en vlambestendige kleding bij het uitvoeren van plasmasnijwerkzaamheden.

Door deze parameters en overwegingen in acht te nemen, kunt u efficiënt en kwalitatief hoogwaardig snijden wanneer u met plasmasnijtechnologie werkt met staal met een laag koolstofgehalte.