WO2019180124A2 - Verfahren zum maschinellen thermischen schneiden eines werkstücks unter einsatz eines plasmaschneidbrenners - Google Patents

Verfahren zum maschinellen thermischen schneiden eines werkstücks unter einsatz eines plasmaschneidbrenners Download PDF

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WO2019180124A2
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plasma jet
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    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys
    • B23K2103/05—Stainless steel

Definitions

  • the present invention relates to a method for the mechanical thermal cutting of a workpiece using a plasma cutting torch, comprising the method steps: a) igniting a plasma jet, b) producing a gate in a metallic, web or plate-shaped semi-finished product with the plasma jet, c) cutting a contour in the semifinished product by the plasma jet along a predetermined contour line with a cutting speed in
  • the method according to the invention is a mechanical, thermal contour cutting method. It can be used in particular for automated cutting of a contour in a metallic semi-finished product, preferably for cutting a contour into a semi-finished product made of high-alloy steel (stainless steel) or aluminum.
  • contour within the meaning of the invention is understood to mean a self-contained outline.
  • the contour can be formed as an inner contour or as an outer contour.
  • An outer contour describes an outline of the outer geometrical shape of the cut-out workpiece (also referred to below as "component").
  • An inner contour is a geometric shape in the "inside" of a workpiece, which is bounded by workpiece material and accessible at least on one side for a machining tool, for example the outline of an inner bore.
  • fusion cutting processes are used. These methods are so high Energy input into the semi-finished product that the semi-finished product is completely melted in the cutting area and thereby cut.
  • the energy required for this purpose is provided, for example, by means of a plasma jet.
  • a plasma jet is an ionized gas jet generated by an arc.
  • the work is usually carried out with transferred arc, that is to say that the semifinished product forms the anode and the electrode of the burner forms the cathode for the generation of the arc.
  • the highest possible energy input into the semi-finished product to be cut is made possible when the plasma jet is concentrated by a nozzle and guided into the area of the future kerf.
  • the semi-finished product into which a workpiece contour is to be cut is basically to be distinguished into good material and poor material.
  • Good material is the part of the half-mold which forms the later cut workpiece (component).
  • poor material includes the remaining part of the semifinished product, ie the part which is discarded after cutting, including the material of the cut joint.
  • a plasma contour cutting method of the type mentioned in the introduction is known, for example, from WO 2015/121745 A1. In it is proposed for cutting a hole, the starting point of the cutting process in the
  • the plasma jet drives melted semi-finished material out of the kerf. If the expulsion is not complete, the quality of the cut can be impaired by the deposition of semi-finished material in the area of the kerf on the underside.
  • cut surface injuries or burr formation can occur in the area of the cut surfaces.
  • An example of this is shown in FIG. 3, in which a cut workpiece with a cut surface violation is shown, as is frequently observed in the gating and cutout area.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method for the mechanical thermal cutting of a workpiece using a plasma cutting To provide a burner that allows a high quality of cut and a high Abformgenauig- even with filigree contours and especially with filigree inner contours.
  • the reason for this is, among other things, that during plasma cutting, the plasma jet lags the cutting motion; This phenomenon is also known as plasma lag.
  • the plasma runoff influences the quality of the cut surface, the cutting angle and the energy input into the semi-finished product.
  • the actual cutting process takes place in the area of the plasma run-off. If, for example, the cutting speed increases, the plasma trajectory also increases and thus also the cutting angle ⁇ with which the workpiece is cut decreases. This contributes to a deterioration of the contour accuracy.
  • the extent of plasma runoff depends on various parameters, for example the cutting speed, the current intensity, the type of semifinished product or the semifinished product thickness; It has a greater impact on the quality of cut, especially in the case of small geometric contour shapes, than on a straight section of a contour or when cutting larger contour shapes.
  • the invention therefore, it is provided to improve the quality of cut by reversing the cutting direction after a first cut has been made and the plasma jet along at least one section of the cut contour. is returned.
  • the position of the plasma after-run changes with respect to the workpiece, since this is also reversed when the plasma jet is returned.
  • the entire energy of the plasma jet is available for reworking the already generated contour. If the plasma beam is used with a transferred arc, the plasma jet is located at the cut surfaces, in particular at their projections, for example at the ridges, noses or uncut contour residues formed during the contour cutting. The available energy of the plasma jet can therefore be used to remove remaining webs, to minimize the formation of burrs and lobes and to straighten the already existing cut surfaces and to free them from uncut contraction residues. As a result, an effective contour post-processing is made possible immediately after the cutting process.
  • the cutting speed when cutting the bleed or cutout flag varies inevitably.
  • the cutting speed is in a range of 1 m / min to 3 m / min; in particular in the range of 100 to 2500 mm / min when cutting stainless steel plates with thicknesses of 5 to 100 mm / min, in the range of 400 to 3000 mm / min when cutting aluminum plates with thicknesses of 5 to 100 mm / min, and in the range from 700 to 1600 mm / min when cutting mild steel plates with thicknesses of 30 to 50 mm. This allows the most uniform cut possible and a homogeneous cut.
  • the return speed has a significant influence on the amount of energy introduced into cut surfaces.
  • a low return speed is accompanied by a high energy input into the cut surfaces, conversely a high return speed leads to a lower energy input into the cut surfaces.
  • If an excessive amount of energy is introduced into the cut surfaces the cut surface is exposed to high thermal stresses, which may be accompanied by changes in the material properties of the semifinished product. If the amount of energy introduced into the cut surfaces is too small, remaining ribs, noses or bevels will not be sufficiently removed. It has therefore proven to be favorable on the one hand, when the return speed is in the range of 150% to 400% of the cutting speed.
  • the recycle speed is in the range of 2.5 m / min to 20 m / min.
  • a recycle speed of less than 150% and in particular in the range of 30% to 100% of the cutting speed in contour cutting of thick semi-finished products (with thicknesses of more than 50% of the upper limits of the respective plate thicknesses mentioned above for stainless steel, structural steel and aluminum) is preferred.
  • the return speed is for example in the range of 0.3 to 3 m / min. The return speed can also be increased from this low speed continuously increasing up to 400% of the cutting speed.
  • small contours it may be sensible to guide the plasma jet along the entire contour in the opposite direction to the cutting direction.
  • the plasma jet is guided in the opposite direction to the cutting direction completely along the cut contour.
  • small contours have a diameter that corresponds to the thickness of the semi-finished product to be cut (1: 1). With larger thicknesses (more than 50% of the upper limits of the respective plate thicknesses mentioned above for stainless steel, structural steel and aluminum), contours with even smaller diameters than 1: 1 can be realized.
  • Deviations in the contour are particularly pronounced in the case of contours with a small circumferential length.
  • the gate located in the poor material should fulfill the function of bringing the plasma cutting torch to the predetermined cutting speed before hitting the contour line, in order to allow the contour to be as even as possible. Because the cutting torch and thus the plasma mast jet are accelerated to cutting speed when cutting the gate, the actual contour cutting can be started immediately after cutting the gate. In this case, no further acceleration of the plasma cutting torch is necessary. This is important because the current cutting speed has an influence on the position of the plasma run-off. If it were necessary to increase the cutting speed to cutting speed when cutting the contour, this would have to be compensated costly, for example by adjusting the current intensity. Otherwise, the quality of cut would be impaired. In addition, the cutting process stabilizes during the cutting of the gate, so that when the plasma jet of the gate cuts into the actual contour cut, a plasma jet that is as stable as possible is available for cutting the contour.
  • the recirculation speed is reduced continuously.
  • the guiding of the plasma jet in the opposite direction to the cutting direction serves the post-processing of at least a portion of an already cut contour.
  • This length section is also referred to below as "pruning".
  • the return speed may be equal to or different from the cutting speed; it can be essentially constant over the length of the cutback, but it is preferably continuously or stepwise reduced over at least a partial length of the cutback.
  • the wake of the plasma jet is reduced, so that the intensity of the post-processing can be adapted to the post-processed contour section.
  • a low caster has the advantage that remaining webs or bevels on the cut surfaces can be better graded.
  • the plasma jet while the plasma jet is guided in the opposite direction to the cutting direction, the recirculation speed to zero. If the return speed is reduced to zero during post-processing, an additional cutout flag can be dispensed with. In reducing the return speed, the plasma jet is preferably turned off as early as possible.
  • the inventive method for cutting a contour in a semi-finished steel preferably made of stainless steel or aluminum, is used.
  • a micro bridge can stand on the workpiece.
  • the method according to the invention helps to eliminate microbeams formed by cutting them in the opposite direction to the cutting direction when the plasma jet is guided.
  • the method can be advantageously used for cutting steels with a material thickness in the range of 5 mm to 100 mm if, after cutting the contour according to method step c) and before guiding the plasma jet in the direction opposite to the cutting direction, a further cut is made in the cutting direction ,
  • the method can advantageously be used, in particular if a further cut in the cutting direction takes place after cutting the contour according to method step c) and before guiding the plasma jet in the opposite direction to the cutting direction.
  • a microbridge can stop at the beginning or at the end of the contour. This effect occurs in particular when working with transmitted arc, in which the semifinished product forms the anode of the arc.
  • the arc jumps between an area in front of the microbridge and an area behind the microbridge, so that complete melting in the area of the microbridge is not achieved.
  • Due to the further cutting in the cutting direction the position of the arc is positioned for a certain period behind a possibly remaining micro-rust so that it is cut through the plasma run-off can. This reduces the occurrence of micro-webs on the finished cut component.
  • a plasma jet has a certain spatial extent; usually the plasma jet has a round cross-section relative to the workpiece surface.
  • the plasma jet can not be guided directly along the later contour of the workpiece, since otherwise parts of the good material would be cut off from the plasma jet. Rather, the plasma jet usually has to be displaced approximately half its cross-sectional extent relative to the planned contour line in the direction of the poor material.
  • the bad material lies inside the contour.
  • the position of the plasma jet is shifted to the right with respect to the contour line; If the inner contour is cut counterclockwise, the position of the plasma jet is shifted to the left in relation to the contour line.
  • the position of the plasma jet when cutting the contour in a clockwise direction in the cutting direction is shifted to the left.
  • the cutting of an outer contour in the counterclockwise direction takes place with a plasma jet shifted to the right in the cutting direction.
  • the position of the plasma jet must be taken into account, in particular when changing the cutting direction. In order to prevent the plasma jet from cutting into the material, it is necessary to move the plasma jet to the contour line at the same time as the direction is reversed. It has proven to be useful if the position of the plasma jet is automatically changed when the direction is reversed with an electronic control.
  • FIG. 1 shows a representation of the position of a plasma cutting torch nozzle over a workpiece surface during a cutting operation with a vertical bleed flag
  • FIG. 2 shows a representation of the position of a plasma cutting torch nozzle over a workpiece surface during a cutting process with a semicircular bleed flag
  • FIG. 3 shows a first stainless steel workpiece with an incompletely cut, circular inner contour, which was produced with a plasma cutting machine using a conventional cutting method
  • FIG. 4 shows a second stainless steel workpiece with an incompletely cut, circular inner contour which has been produced with a plasma cutting machine using a conventional cutting method
  • FIG. 5 shows a first variant of a cutting method according to the invention with the method steps: cutting a bleed lug (I), cutting a predetermined contour (II) and guiding the plasma jet along a section of the cut contour (III).
  • 6 shows a second variant of a cutting method according to the invention with the method steps: cutting a bleed lug (I), cutting a predetermined contour (II) and guiding the plasma jet completely along the cut contour (III).
  • 7 shows a third variant of a cutting method according to the invention with the method steps: cutting a bleed lug (I), cutting a predetermined contour (II), cutting in the cutting direction (lla), guiding the plasma jet along a section of the cut contour (FIG.
  • Figure 8 shows a fourth variant of a cutting method according to the invention with the steps: cutting a bleed flag (I), cutting a predetermined contour (II), cut in the cutting direction (lla 9, a comparison of an outer contour (B) of a workpiece, which was obtained using a cutting method according to the invention and an outer contour (A ) of a workpiece as obtained by a conventional cutting method, and
  • Figure 10 is a comparison of an inner contour (B) of a workpiece, which was obtained using a cutting method according to the invention and an inner contour A, as was obtained with a conventional cutting method.
  • Figure 1 shows the changes in position of a plasma cutting torch nozzle during a cutting operation with respect to a workpiece surface, which is described by arrows x, y.
  • the plasma cutting torch including nozzle is held on a movable portal and movable relative to the workpiece surface.
  • the flap is a plate made of stainless steel with the following dimensions: Length (L)
  • the plasma cutting torch nozzle is first moved to a start position (A).
  • the start position (A) lies in the poor material of the semi-finished product.
  • the plasma cutting torch is not in operation. In FIG. 1, this process step is indicated by the dashed line 101.
  • the plasma cutting torch nozzle As soon as the plasma cutting torch nozzle has reached the start position (A), the plasma cutting torch is ignited. The plasma cutting torch nozzle is held in the starting position A until a puncture has taken place through the semifinished product.
  • a bleed (a bleed flag) in the semifinished product.
  • the plasma cutting torch nozzle is moved in the direction of arrow along the gate line 102 to a contour starting point and accelerated from zero to a predetermined cutting speed.
  • the gate line 102 is selected such that it meets the later contour line 103 at an angle of 90 °; it runs radially to the contour line 103.
  • the plasma cutting torch nozzle is guided on the predetermined contour line 103 in the counterclockwise direction at the predetermined cutting speed of about 500 mm / min, which is offset by about 3 mm to the left in relation to the later inner contour of the workpiece ,
  • Such a displacement of the contour line is necessary because the plasma jet generated by the plasma nozzle itself has a round cross section with an average diameter of about 6 mm. This ensures that exactly one hole with the given radius is cut.
  • the plasma cutting torch nozzle is guided counterclockwise along the contour line 103 until it again reaches the contour starting point. Subsequently, further steps can be provided, for example, guiding the plasma jet in the opposite direction to the contour line 103.
  • a cutout flag is cut into the blank material by passing the plasma cutting torch nozzle along the cutout line 104 until the end position (B) is reached.
  • the plasma cutting torch is switched off to the final position B during the drive.
  • the plasma cutting torch nozzle is moved along the dashed line 105 into an area so that it is no longer associated with the workpiece surface.
  • FIG. 2 shows the sequence of an alternative cutting method.
  • the position of a plasma cutting torch nozzle over a workpiece surface during a cutting process is shown in an x, y representation.
  • the shape of the bleed flag and the position of the cutout flag are changed in the cutting method according to FIG.
  • the plasma cutting torch nozzle Before cutting the bleed flag, the plasma cutting torch nozzle is brought along the line 201 into the starting material position (A) in the poor material. As soon as the plasma cutting torch nozzle has reached the start position (A), the plasma cutting torch is ignited. The plasma cutting torch nozzle is held in the starting position (A) until a puncture has taken place through the semifinished product.
  • the bleed flag is cut by guiding the plasma cutting torch along a semicircular bleed line 202 to a contour start point 210, thereby accelerating it from zero to a predetermined cutting speed.
  • the position of the bleed line 202 is selected so that a change in direction of the plasma cutting torch nozzle in the contour starting point is not necessary; the cut line hits the contour line 203 tangentially. This tangential nestling of the cut line 202 can improve the quality of cut, especially in the case of circular inner contours.
  • the plasma cutting torch nozzle is guided on the predetermined contour line 203 at the predetermined cutting speed of 600 mm / min, which - as described in FIG. 1 - is offset by 3 mm to the left in relation to the later inner contour of the workpiece is.
  • the cutting direction runs counterclockwise until the contour starting point 210 is reached again.
  • the plasma cutting torch is switched off in the end position (B) and the plasma cutting torch nozzle is moved along the dashed line 204 into an area, so that it is no longer associated with the workpiece surface.
  • FIG. 3 shows a workpiece 300 made of stainless steel, which has been subjected to a conventional cutting method for producing a hole-shaped inner contour 301.
  • the inner contour 301 is circular in shape; the circle diameter is 36 mm.
  • the thickness (height) of the workpiece 300 is 20 mm.
  • the cutting method comprised the method steps: a) positioning of the plasma cutting nozzle starting from a starting position to a position above the material of the inner contour, the so-called poor material, b) operating the plasma cutting torch, c) piercing the poor material, d) cutting a perpendicular to the inner contour 301 Cutting edge 302, e) Cutting the circular contour 301, f) Switching off the plasma cutting torch and g) Moving the plasma cutting torch nozzle into the starting position.
  • FIG. 3 shows that cut surface injuries can occur, in particular in the region of the impact of the cut edge 302 on the contour 301 (see arrow 305).
  • FIG. 4 shows a workpiece 400 made of stainless steel, which was likewise subjected to the cutting process explained with reference to FIG.
  • the inner contour 401 is formed in a circular shape; the circle diameter is 38 mm.
  • the thickness (height) of the workpiece 300 is 20 mm.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the sequence of the method steps of a cutting method which is used in particular for the processing of semi-finished material thicknesses in a range from 5 mm to 100 mm.
  • FIG. 5-I shows a semicircular bleed lug 501 as described above, for example, with reference to FIG. 2, which conforms tangentially to the contour line 503 to be cut. It is understood that the shape and the course of the cutting lug 501 can basically be chosen arbitrarily.
  • the plasma cutting torch nozzle is accelerated to cutting speed.
  • the plasma jet is guided by the bleed flag 501 to the contour starting point 510 such that no change in direction is necessary.
  • the plasma jet reaches the contour starting point 510 already at cutting speed, so that no speed change is necessary.
  • FIG. 5-II shows the actual contour cut, which adjoins directly the cutting of the bleed lug 501.
  • the cutting of the bleed flag 501 ends when the contour start point 510 is reached.
  • Starting from there the contour of the contour 503 is cut at cutting speed until the contour end point A1 identical to the contour starting point is reached.
  • the plasma cutting torch is guided in the opposite direction to the cutting direction along the section 511 of the contour 503 up to the end position B at the return speed.
  • the return speed of the plasma cutting torch is gradually reduced to zero, so that can be dispensed with the cutting of an additional cutting flag.
  • the reduction of the return speed and the concomitant deceleration of the plasma cutting machine reduce the wake of the plasma jet. Since part of the contour 503 was again cut in the opposite direction, webs remaining in the intersection region are cut and bevels are straightened.
  • FIG. 6 shows a variant of the cutting method described with reference to FIG. 5, which likewise can be used for processing flat-sheet material thicknesses in a range from 5 mm to 100 mm.
  • FIG. 6-III shows that the plasma jet generated by the plasma cutting torch is guided in the opposite direction to the previous cutting direction along the section 512 of the contour 503 after completion of the contour cut 503, wherein the section 512 is designed here as a full circle, so that the complete contour in FIG Opposite direction is cut.
  • This method is particularly suitable for small circular contours with a handling length of for example 60 mm.
  • a high quality of cut is achieved.
  • the plasma jet is guided to the final position B at the return speed. In this case, the return speed of the plasma cutting torch is gradually reduced to zero in point B, so that can be dispensed with the cutting of an additional cutting flag.
  • the positions A1 and B are identical.
  • Figures 7 and 8 show a third and fourth variant of the inventive method, both of which are provided for cutting comparatively thick semi-finished material thicknesses in the range of 50 mm to 100 mm.
  • the illustrations in FIGS. 7-1, 7-11 and 8-1, 8-11 correspond to those of FIGS. 5-1 and 5-11. In that regard, reference is made to the description of the last-named figures.
  • the contour cut 503 is continued after a single pass of the full circle up to the point A2 along the line 710. This has the advantage that the plasma jet is positio ned behind a possibly in the position A1 left microstep.
  • the plasma cutting torch When the point A2 is reached, the plasma cutting torch is repositioned because of the imminent change in direction. Subsequently, the plasma jet generated by the plasma cutting torch is guided in the opposite direction to the cutting direction along the section 711 of the contour 503 up to the end position B at the return speed. The plasma cutting torch is switched off before reaching point B.
  • the method of FIG. 8 essentially differs from the method according to FIG. 7 in that, in contrast to the section 711, the section 811 is formed as a full circle, so that the complete contour is recut.
  • the positions A2 and B are identical. This method is particularly suitable for small contours with a circumferential length up to 60 mm. Flier trim a high quality cut is achieved.
  • Figure 9 shows a comparison of an outer contour (B) of a workpiece, which was obtained using a cutting method according to the invention and an outer contour (A) of a workpiece, as obtained by a conventional cutting method.
  • the kerf of FIG. 9A is uneven and has, in particular, a cut surface injury on the underside of the workpiece.
  • the kerf from FIG. 9B has a uniform, obliquely tapered shape.
  • FIG. 10 shows an inner contour (B) of a workpiece, which was obtained using a cutting method according to the invention according to FIG. 6, and an inner contour A, as obtained by a conventional cutting method. While the hole of FIG. 9A shows cuts in the gate area (left), a nearly circular contour was obtained with the method according to the invention according to FIG.

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Abstract

Bekannte Verfahren zum maschinellen thermischen Schneiden eines Werkstücks unter Einsatz eines Plasmaschneidbrenners umfassen die Verfahrensschritte: a) Zünden eines Plasmastrahls, b) Erzeugen eines Anschnitts in ein metallisches, bahn- oder plattenförmiges Halbzeug mit dem Plasmastrahl und c) Schneiden einer Kontur in das Halbzeug, indem der Plasmastrahl entlang einer vorgegebenen Konturlinie mit einer Schneidgeschwindigkeit in Schneidrichtung geführt wird. Um hiervon ausgehend ein Verfahren zum maschinellen thermischen Schneiden anzugeben, das eine hohe Schnittgüte und eine hohe Abformgenauigkeit ermöglicht.ermöglicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass nach dem Schneiden der Kontur gemäß Verfahrensschritt c) der Plasmastrahl in Gegenrichtung zur Schneidrichtung entlang mindestens eines Abschnitts der geschnittenen Kontur mit einer Rückführgeschwindigkeit geführt wird.

Description

Verfahren zum maschinellen thermischen Schneiden eines Werkstücks unter Einsatz eines Plasmaschneidbrenners
Technischer Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum maschinellen thermischen Schneiden eines Werkstücks unter Einsatz eines Plasmaschneidbrenners, um- fassend die Verfahrensschritte: a) Zünden eines Plasmastrahls, b) Erzeugen eines Anschnitts in ein metallisches, bahn- oder plattenförmiges Halbzeug mit dem Plasmastrahl, c) Schneiden einer Kontur in das Halbzeug, indem der Plasmastrahl entlang einer vorgegebenen Konturlinie mit einer Schneidgeschwindigkeit in
Schneidrichtung geführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein maschinelles, thermisches Kontur- schneidverfahren. Es ist insbesondere zum automatisierten Schneiden einer Kon- tur in ein metallisches Halbzeug einsetzbar, vorzugsweise zum Schneiden einer Kontur in ein Halbzeug aus hochlegiertem Stahl (Edelstahl) oder aus Aluminium.
Unter dem Begriff Kontur im Sinne der Erfindung wird ein in sich geschlossener Umriss verstanden. Die Kontur kann als Innenkontur oder als Außenkontur aus- gebildet sein. Eine Außenkontur beschreibt einen Umriss der äußeren geometri- sehen Form des ausgeschnittenen Werkstücks (im Folgenden auch als„Bauteil“ bezeichnet). Eine Innenkontur ist eine geometrische Form im„Inneren“ eines Werkstücks, die von Werkstück-Material begrenzt und mindestens an einer Seite für ein Bearbeitungswerkzeug zugänglich ist, beispielsweise der Umriss einer In- nenbohrung. Stand der Technik
Für das thermische Schneiden von Werkstücken aus Metall werden häufig Schmelzschneidverfahren eingesetzt. Bei diesen Verfahren erfolgt ein so hoher Energieeintrag in das Halbzeug, dass das Halbzeug im Schnittbereich vollständig aufgeschmolzen und dadurch geschnitten wird. Die hierfür notwendige Energie wird beispielsweise mittels eines Plasmastrahls bereitgestellt. Ein Plasmastrahl ist ein ionisierter Gasstrahl, der mit einem Lichtbogen erzeugt ist. In der Metallbear- beitung, insbesondere bei der Verarbeitung von Blechen, wird in der Regel mit übertragenem Lichtbogen gearbeitet, das heißt, dass das Halbzeug die Anode und die Elektrode des Brenners die Kathode für die Erzeugung des Lichtbogens bildet. Ein möglichst hoher Energieeintrag in das zu schneidende Halbzeug wird ermöglicht, wenn der Plasmastrahl durch eine Düse konzentriert und in den Be- reich der zukünftigen Schnittfuge geführt wird.
Bei der Herstellung von Konturen mit komplizierten Geometrien ist es häufig schwierig, diese mit hoher Abformgenauigkeit herzustellen. Das Halbzeug, in das eine Werkstück-Kontur geschnitten werden soll, ist grundsätzlich in Gutmaterial und Schlechtmaterial zu unterscheiden. Als Gutmaterial wird der Teil des Halb- zeugs bezeichnet, der das spätere geschnittene Werkstück (Bauteil) bildet. Der Begriff Schlechtmaterial umfasst den übrigen Teil des Halbzeug, also den Teil, der nach dem Schneiden verworfen wird, einschließlich des Materials der Schnitt- fuge. Zur Verbesserung der Abformgenauigkeit und der Qualität eines Schnittes ist es bekannt, den Startpunkt des Schnitts ins Schlechtmaterial zu legen und zu- nächst einen Anschnitt (im Folgenenden auch als„Anschnittfahne“ bezeichnet) in das Schlechtmaterial zu schneiden, an die sich der eigentliche Kontur-Schnitt unmittelbar anschließt. Dadurch treten insbesondere die kurz nach dem Zünden des Plasmastrahls und dem Start des Schneidvorgangs zu beobachtende Instabi- lität der Plasmastrahlgeometrie sowie resultierende Schnittungenauigkeiten vor allem beim Schneiden des Anschnitts auf, so dass erst, wenn sich das Schneid- verhalten des Plasmastrahls stabilisiert hat, mit dem Kontur-Schnitt begonnen wird.
Ein Plasma-Konturschneidverfahren der eingangs genannten Gattung ist bei- spielsweise aus der WO 2015/121745 A1 bekannt. Darin wird zum Schneiden eines Loches vorgeschlagen, den Startpunkt des Schneidvorgangs in das
Schlechtmaterials zu verlegen, von dort einen Anschnitt zu schneiden, die in den eigentlichen Konturschnitt mündet. Nach Beendigung des Konturschnitts wird ein Ausschnitt (im Folgenenden auch als„Ausschnittfahne“ bezeichnet) in das
Schlechtmaterial geschnitten.
Der Plasmastrahl treibt aufgeschmolzenes Halbzeug-Material aus der Schnittfuge heraus. Erfolgt das Austreiben nicht vollständig, kann durch Ablagerung von Halbzeug-Material im Bereich der Schnittfuge an der Unterseite die Schnittqualität beeinträchtigt werden.
Weiterhin erzeugen Plasmaschneidverfahren regelmäßig Schnittfugen mit einem V-förmigen Querschnitt. Der Grund hierfür ist die schräg zulaufende Geometrie des Plasmastrahls, durch die das Halbzeug schräg zulaufend aufgeschmolzen und angeschnitten wird. Daher laufen die beim Schneiden von Werkstücken mit einem Plasmastrahl erhaltenen Schnittflächen bezogen auf die Werkstückoberflä- che leicht schräg aufeinander zu. Dabei schließen die Schnittflächen mit der Werkstoffoberfläche einen Schnitt-Winkel a < 90° ein. Insbesondere bei filigranen Konturen können angeschrägte Schnittflächen den geschnittenen Konturdurch- messer und damit die Konturtreue beeinträchtigen.
Darüber hinaus wird zum Beispiel beim Schneiden hochlegierter Stähle (Edel- stahl) häufig das Problem beobachtet, dass der Lichtbogen am Ende der Kontur im Bereich der Kreuzung von Anschnitt- und Ausschnitt-Fahne„springt“, so dass Mikrostege stehen bleiben können. Ein Beispiel für einen derartigen Fehlschnitt zeigt Figur 4.
Ferner kann es im Bereich der Schnittflächen zu Schnittflächenverletzungen oder zur Gratbildung kommen. Ein Beispiel hierfür zeigt Figur 3, in der ein geschnitte- nes Werkstück mit einer Schnittflächenverletzung gezeigt ist, wie sie häufig im Anschnitts- und Ausschnittsbereich beobachtet wird.
Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum maschinellen thermischen Schneiden eines Werkstücks unter Einsatz eines Plasmaschneid- brenners anzugeben, das eine hohe Schnittgüte und eine hohe Abformgenauig- keit auch bei filigranen Konturen und insbesondere bei filigranen Innenkonturen ermöglicht.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass nach dem Schneiden der Kontur gemäß Verfahrensschritt c) der Plasmastrahl in Gegenrichtung zur Schneidrich- tung entlang mindestens eines Abschnitts der geschnittenen Kontur mit einer Rückführgeschwindigkeit geführt wird. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein we- sentlicher Teil der auftretenden Schnittverletzungen darauf zurückzuführen sind, dass der Kontur-Schnitt in einer einzigen Schneidrichtung erfolgt.
Der Grund hierfür ist unter anderem, dass beim Plasmaschneiden der Plasma- strahl der Schneidbewegung nachläuft; dieses Phänomen wird auch als Plasma- nachlauf bezeichnet. Der Plasmanachlauf hat Einfluss auf die Qualität der Schnitt fläche, den Schnitt-Winkel und den Energieeintrag in das Halbzeug. Der eigentli che Schneidvorgang findet im Bereich des Plasmanachlaufs statt. Steigt bei- spielsweise die Schneidgeschwindigkeit, vergrößert sich auch der Plasmanach- lauf und damit verkleinert sich auch der Schnitt-Winkel a mit dem das Werkstück geschnitten wird. Dies trägt zu einer Verschlechterung der Konturtreue bei.
Das Ausmaß des Plasmanachlaufs hängt dabei von verschiedenen Parametern ab, beispielsweise von der Schneidgeschwindigkeit, der Stromstärke, der Halb- zeugart oder der Halbzeugdicke; er wirkt sich insbesondere bei kleinen geometri- schen Konturformen stärker auf die Schnittqualität aus als an einem geraden Ab- schnitt einer Kontur oder beim Schneiden von größeren Konturformen.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, die Schnittgüte dadurch zu verbessern, dass die Schneidrichtung nach einem erfolgten ersten Schnitt umgekehrt und der Plasmastrahl entlang mindestens eines Abschnitts der geschnittenen Kontur zu- rückgeführt wird. Bei der Umkehr der Schneidrichtung ändert sich die Lage des Plasmanachlaufs bezogen auf das Werkstück, da diese beim Rückführen des Plasmastrahls ebenfalls umgekehrt wird.
Dadurch, dass die Richtungsänderung des Plasmastrahls erst nach dem vollstän- digen Schneiden der Kontur vorgesehen ist, muss beim Rückführen des Plasma- strahls in Gegenrichtung zur Schneidrichtung keine frische Kontur mehr geschnit- ten werden, die zu den oben erläuterten Schnittverletzungen führen kann. Außer- dem steht die gesamte Energie des Plasmastrahls für ein Nacharbeiten der be- reits erzeugten Kontur zur Verfügung. Dabei liegt der Plasmastrahl, sofern mit einem übertragenen Lichtbogen gearbeitet wird, an den Schnittflächen, insbeson- dere an deren Vorsprüngen an, beispielsweise an den während des Kontur- Schnitts gebildeten Graten, Nasen oder nicht geschnittenen Konturrückständen. Die zur Verfügung stehende Energie des Plasmastrahls kann daher dazu genutzt werden, verbliebene Stege zu entfernen, die Grat- und Nasenbildung zu minimie- ren und die bereits vorhandenen Schnittflächen zu begradigen und von nicht ge- schnittenen Konturrückständen zu befreien. Hierdurch wird unmittelbar nach dem Schneidvorgang eine effektive Kontur-Nachbearbeitung ermöglicht.
Die Schneidgeschwindigkeit beim Schneiden der Anschnitt- oder Ausschnitt- Fahne variiert zwangsläufig. Beim Schneiden der Kontur hat es sich hingegen bewährt, eine möglichst konstante Schneidgeschwindigkeit einzustellen. Vor- zugsweise liegt die Schneidgeschwindigkeit in einem Bereich von 1 m/min bis 3 m/min; insbesondere im Bereich von 100 bis 2500 mm/min beim Schneiden von Edelstahlplatten mit Dicken von 5 bis 100 mm/min, im Bereich von 400 bis 3000 mm/min beim Schneiden von Aluminiumplatten mit Dicken von 5 bis 100 mm/min, und im Bereich von 700 bis 1600 mm/min beim Schneiden von Baustahlplatten mit Dicken von 30 bis 50 mm. Hierdurch werden ein möglichst gleichmäßiger Schnitt und ein homogenes Schnittbild ermöglicht.
Ebenso hat sich als günstig erwiesen, wenn das Führen des Plasmastrahls in Gegenrichtung zur Schneidrichtung mit konstanter Rückführgeschwindigkeit er- folgt. Die Rückführgeschwindigkeit hat wesentlichen Einfluss auf die in Schnittflächen eingebrachte Energiemenge. Eine niedrige Rückführgeschwindigkeit geht mit ei- nem hohen Energieeintrag in die Schnittflächen einher, umgekehrt führt eine hohe Rückführgeschwindigkeit zu einem niedrigeren Energieeintrag in die Schnittflä- chen. Wird eine zu hohe Energiemenge in die Schnittflächen eingebracht, wird die Schnittfläche hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt, die mit Ver- änderungen der Materialeigenschaften des Halbzeugs einhergehen können. Ist die in die Schnittflächen eingebrachte Energiemenge zu gering, werden verblie- bene Stege, Nasen oder Schrägen nicht hinreichend entfernt. Es hat daher sich als einerseits als günstig erwiesen, wenn die Rückführgeschwindigkeit im Bereich von 150% bis 400% der Schneidgeschwindigkeit liegt. Vorzugsweise liegt die Rückführgeschwindigkeit im Bereich von 2,5 m/min bis 20 m/min. Alternativ dazu wird eine Rückführgeschwindigkeit von weniger als 150% und insbesondere im Bereich von 30% bis 100 % der Schneidgeschwindigkeit beim Konturschneiden dicker Halbzeuge (mit Dicken von mehr als 50% der für Edelstahl, Baustahl und Aluminium oben genannten Obergrenzen der jeweiligen Plattenstärken) bevor- zugt. Gegebenenfalls liegt die Rückführgeschwindigkeit beispielsweise im Bereich von 0,3 bis 3 m/min. Die Rückführgeschwindigkeit kann auch von dieser niedrigen Geschwindigkeit beginnen kontinuierlich steigend bis auf 400% der Schneidge- schwindigkeit erhöht werden.
Insbesondere beim Schneiden großer Konturen erscheint es nicht zweckmäßig den Plasmastrahl der gesamten Kontur vollständig nachzuführen. Hiermit wäre ein hoher Energie- und Zeitverbrauch verbunden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass Schnittverletzungen gehäuft im Anschnitts- beziehungsweise Ausschnittsbe- reich der Kontur auftreten. Ein Grund hierfür dürfte sein, dass Anschnitts- und Ausschnittsbereich häufig in einem gewissen Bereich überlappen, so dass dieser Überlappungsbereich höheren thermischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Auch die in diesen Bereich eingebrachte Energiemenge ist verglichen mit den übrigen Konturabschnitten meist höher. Eine Nachbearbeitung des Konturschnitts in mindestens dem Überlappungsbereich von Anschnitts- und Ausschnittfahne ist daher besonders vorteilhaft. Bei der Führung des Plasmastrahls in Gegenrichtung zur Schneidrichtung kann eine große Wärmemenge bereitgestellt werden, die auf die zuvor erzeugten Kon- tur-Schnittflächen einwirken kann. Hierdurch wird eine gute Konturbearbeitung ermöglicht. Eventuell stehengebliebene Stege, Nasen oder Schrägen können beim Führen des Plasmastrahls in Gegenrichtung geschnitten werden. Darüber hinaus trägt auch der Temperatureintrag in die bestehenden Schnittflächen zu deren Begradigung und zu einem Ausgleich des Schnittwinkels bei.
Andererseits kann es bei kleinen Konturen durchaus sinnvoll sein, den Plasma- strahl entlang der gesamten Kontur in Gegenrichtung zur Schneidrichtung zu füh- ren. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher vorgesehen, dass nach dem Schneiden der Kontur gemäß Verfahrens- schritt c) der Plasmastrahl in Gegenrichtung zur Schneidrichtung vollständig ent- lang der geschnittenen Kontur geführt wird. Kleine Konturen haben beispielsweise einen Durchmesser, der der Dicke des zu schneidenden Halbzeugs entspricht (1 :1 ). Bei größeren Dicken (mehr als 50% der für Edelstahl, Baustahl und Alumi- nium oben genannten Obergrenzen der jeweiligen Plattenstärken) sind auch Kon- turen mit noch kleineren Durchmessern als 1 :1 realisierbar.
Insbesondere bei Konturen mit kleiner Umfangslänge kommen Abweichungen in der Kontur besonders stark zum Tragen. Mit dem nochmaligen Führen des Plas- mastrahls in Gegenrichtung zur Schneidrichtung werden verbleibende Stege wirk- sam entfernt und Schrägen und Grate begradigt. Dadurch, dass der Plasmastrahl in Gegenrichtung zur Schneidrichtung vollständig entlang der geschnittenen Kon- tur geführt wird, wird eine Kontur besonders hoher Schnittgüte erzeugt.
Es hat sich bewährt, wenn das Schneiden des Anschnitts mit einer Anschnitt- Geschwindigkeit erfolgt, wobei die Anschnitt-Geschwindigkeit beim Schneiden des Anschnitts solange erhöht wird bis die Schneidgeschwindigkeit erreicht wird.
Der im Schlechtmaterial liegende Anschnitt soll die Funktion erfüllen, den Plas- maschneidbrenner vor dem Auftreffen auf die Konturlinie auf die vorgegebene Schneidgeschwindigkeit zu bringen, um einen möglichst gleichmäßigen Kontur- Schnitt zu ermöglichen. Dadurch, dass der Schneidbrenner und damit der Plas- mastrahl beim Schneiden des Anschnitts auf Schneidgeschwindigkeit beschleu- nigt werden, kann im Anschluss an das Schneiden des Anschnitts unmittelbar mit dem eigentlichen Kontur-Schnitt begonnen werden. Hierbei ist keine weitere Be- schleunigung des Plasmaschneidbrenners nötig. Dies ist wichtig, da die aktuelle Schnitt-Geschwindigkeit Einfluss auf die Lage des Plasmanachlaufs hat. Wäre beim Schneiden der Kontur eine Erhöhung der Schnitt-Geschwindigkeit auf Schneidgeschwindigkeit notwendig, müsste dies aufwendig kompensiert werden, beispielsweise durch Anpassung der Stromstärke. Andernfalls wäre mit einer Be- einträchtigung der Schnittgüte zu rechnen. Darüber hinaus stabilisiert sich der Schneidprozess während des Schneidens des Anschnitts, so dass beim Über- gang des Plasmastrahls des Anschnitts in den eigentlichen Kontur-Schnitt, ein möglichst stabiler Plasmastrahl zum Schneiden der Kontur zur Verfügung steht.
Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass, während der Plasmastrahl in Gegenrichtung zur Schneidrichtung entlang des mindestens ei- nen Abschnitts der geschnittenen Kontur geführt wird, die Rückführgeschwindig- keit kontinuierlich reduziert wird.
Das Führen des Plasmastrahls in Gegenrichtung zur Schneidrichtung dient der Nachbearbeitung mindestens eines Abschnitts einer bereits geschnittenen Kon- tur. Dieser Längenabschnitt wird im Folgenden auch als„Rückschnitt“ bezeichnet. Die Rückführgeschwindigkeit kann der Schneidgeschwindigkeit entsprechen oder sich von ihr unterscheiden; sie kann über die Länge des Rückschnitts im Wesent- lichen konstant sein, bevorzugt wird sie aber mindestens über eine Teillänge des Rückschnitts kontinuierlich oder schrittweise verringert. Durch das Reduzieren der Rückführgeschwindigkeit wird der Nachlauf des Plasmastrahls reduziert, so dass die Intensität der Nachbearbeitung an den nachbearbeiteten Kontur- Abschnitt angepasst werden kann. Ein geringer Nachlauf hat darüber hinaus den Vorteil, dass verbliebene Stege oder Schrägen an den Schnittflächen besser be- gradigt werden können.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, während der Plasmastrahl in Gegenrichtung zur Schneidrichtung geführt wird, die Rückführge- schwindigkeit auf null zu reduzieren. Wird die Rückführgeschwindigkeit während der Nachbearbeitung auf null reduziert, kann auf eine zusätzliche Ausschnitt- Fahne verzichtet werden. Bei der Reduzierung der Rückführgeschwindigkeit wird der Plasmastrahl vorzugsweise so früh wie möglich ausgeschaltet. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Schneiden einer Kontur in ein Halbzeug aus Stahl, vorzugsweise aus Edelstahl oder Aluminium, verwen- det.
Insbesondere beim Schneiden von Edelstahl, aber auch beim Schneiden anderer Stähle, kann ein Mikrosteg am Werkstück stehen bleiben. Das erfindungsgemäße Verfahren trägt dazu bei, entstandene Mikrostege zu beseitigen, indem diese nach beim Führen des Plasmastrahls in Gegenrichtung zur Schneidrichtung ge- schnitten werden.
Das Verfahren ist vorteilhaft einsetzbar zum Schneiden von Stählen mit einer Ma- terialstärke im Bereich von 5 mm bis 100 mm, wenn nach dem Schneiden der Kontur gemäß Verfahrensschritt c) und vor dem Führen des Plasmastrahls in Ge- genrichtung zur Schneidrichtung ein Weiterschnitt in Schneidrichtung erfolgt.
Bei Halbzeugen aus Edelstahl oder Aluminium ist das Verfahren vorteilhaft ein- setzbar, insbesondere wenn nach dem Schneiden der Kontur gemäß Verfahrens- schritt c) und vor dem Führen des Plasmastrahls in Gegenrichtung zur Schneid- richtung ein Weiterschnitt in Schneidrichtung erfolgt. Insbesondere beim Schnei- den von Baustählen, Edelstahl oder Aluminium kann am Anfang oder am Ende der Kontur ein Mikrosteg stehenbleiben. Dieser Effekt tritt insbesondere beim Ar- beiten mit übertragenem Lichtbogen auf, bei dem das Halbzeug die Anode des Lichtbogens bildet. Hier kann es Vorkommen, dass der Lichtbogen zwischen ei- nem Bereich vor dem Mikrosteg und einem Bereich hinter dem Mikrosteg springt, so dass keine vollständige Aufschmelzung im Bereich des Mikrostegs erreicht wird. Durch den Weiterschnitt in Schneidrichtung wird die Position des Lichtbo- gens für einen gewissen Zeitraum hinter einem eventuell stehengebliebenen Mik- rosteg positioniert, so dass dieser durch den Plasmanachlauf geschnitten werden kann. Hierdurch wird das Auftreten von Mikrostegen am fertig geschnittenen Bau- teil verringert.
Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Reduzierung der Mikrostegbildung werden erreicht, wenn der Weiterschnitt mit höherer Geschwindigkeit als der Schneidgeschwindigkeit beim Konturschnitt erfolgt. Dies trägt dazu bei, dass der Plasmanachlauf vergrößert und dadurch der Mikrosteg effektiv geschnitten wer- den kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah- rens ist vorgesehen, dass beim Schneiden der Kontur gemäß Verfahrensschritt c) die Lage des Plasmastrahls in Abhängigkeit von der Schneidrichtung in Bezug auf die Konturlinie nach rechts beziehungsweise links verschoben ist.
Ein Plasmastrahl weist eine gewisse räumliche Ausdehnung auf; meist hat der Plasmastrahl bezogen auf die Werkstückoberfläche einen runden Querschnitt. Dadurch bedingt kann der Plasmastrahl nicht unmittelbar entlang der späteren Kontur des Werkstücks geführt werden, da sonst Teile des Gutmaterials von dem Plasmastrahl abgeschnitten würden. Vielmehr muss der Plasmastrahl meist etwa um seine halbe Querschnittserstreckung relativ zur geplanten Konturlinie in Rich- tung des Schlechtmaterials versetzt werden. Bei einer Innenkontur liegt das Schlechtmaterial im Inneren der Kontur. Bei einem Schnitt einer Innenkontur im Uhrzeigersinn ist daher die Lage des Plasmastrahls in Bezug auf die Konturlinie nach rechts verschoben; erfolgt der Schnitt der Innenkontur entgegen dem Uhr- zeigersinn ist die Lage des Plasmastrahls in Bezug auf die Konturlinie nach links verschoben. Entsprechendes gilt für das Schneiden einer Außenkontur. Hier ist die Lage des Plasmastrahls beim Schneiden der Kontur im Uhrzeigersinn in Schneidrichtung gesehen nach links verschoben. Der Schnitt einer Außenkontur entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgt mit einem in Schneidrichtung nach rechts verschobenen Plasmastrahl.
In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn beim Führen des Plasma- strahls in Gegenrichtung zur Schneidrichtung die Lage des Plasmastrahls bezo- gen auf die Konturlinie von links nach rechts beziehungsweise von rechts nach links verschoben wird.
Die Lage des Plasmastrahls ist insbesondere bei einer Änderung der Schneidrich- tung zu beachten. Um zu vermeiden, dass der Plasmastrahl in das Gutmaterial schneidet, ist es notwendig, den Plasmastrahl bei der Richtungsumkehr gleichzei- tig entsprechend zur Konturlinie zu versetzen. Es hat sich bewährt, wenn die mit einer elektronischen Steuerung die Lage des Plasmastrahls bei einer Richtungs- umkehr automatisch verändert wird.
Ausführunqsbeispiel Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeich- nungen näher beschrieben. Dabei zeigt:
Figur 1 eine Darstellung der Position einer Plasmaschneidbrennerdüse über einer Werkstückoberfläche während eines Schneidvorgangs mit senk- rechter Anschnitt-Fahne, Figur 2 eine Darstellung der Position einer Plasmaschneidbrennerdüse über einer Werkstückoberfläche während eines Schneidvorgangs mit halb- kreisförmiger Anschnitt-Fahne,
Figur 3 ein erstes Edelstahl-Werkstück mit einer unvollständig geschnittenen, kreisrunden Innenkontur, die mit einer Plasmaschneidmaschine unter Einsatz eines herkömmlichen Schneidverfahrens erzeugt wurde,
Figur 4 ein zweites Edelstahl-Werkstück mit einer unvollständig geschnittenen, kreisrunden Innenkontur, die mit einer Plasmaschneidmaschine unter Einsatz eines herkömmlichen Schneidverfahrens erzeugt wurde,
Figur 5 eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Schneidverfahrens mit den Verfahrensschritten: Schneiden einer Anschnitt-Fahne (I), Schnei- den einer vorgegebenen Kontur (II) und Führen des Plasmastrahls ent- lang eines Abschnitts der geschnittenen Kontur (III). Figur 6 eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Schneidverfahrens mit den Verfahrensschritten: Schneiden einer Anschnitt-Fahne (I), Schnei- den einer vorgegebenen Kontur (II) und Führen des Plasmastrahls vollständig entlang der geschnittenen Kontur (III). Figur 7 eine dritte Variante eines erfindungsgemäßen Schneidverfahrens mit den Verfahrensschritten: Schneiden einer Anschnitt-Fahne (I), Schnei- den einer vorgegebenen Kontur (II), Weiterschnitt in Schneidrichtung (lla), Führen des Plasmastrahls entlang eines Abschnitts der geschnit- tenen Kontur (III), und optional Schneiden einer Ausschnitt-Fahne (IV), Figur 8 eine vierte Variante eines erfindungsgemäßen Schneidverfahrens mit den Verfahrensschritten: Schneiden einer Anschnitt-Fahne (I), Schnei- den einer vorgegebenen Kontur (II), Weiterschnitt in Schneidrichtung (lla), Führen des Plasmastrahls vollständig entlang der geschnittenen Kontur (III), und optional Schneiden einer Ausschnitt-Fahne (IV), Figur 9 eine Gegenüberstellung einer Außenkontur (B) eines Werkstücks, die unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Schneidverfahrens erhalten wurde und einer Außenkontur (A) eines Werkstücks, wie sie mit einem herkömmlichen Schneidverfahren erhalten wurde, und
Figur 10 eine Gegenüberstellung einer Innenkontur (B) eines Werkstücks, die unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Schneidverfahrens erhalten wurde und einer Innenkontur A, wie sei mit einem herkömmlichen Schneidverfahren erhalten wurde.
Figur 1 zeigt die Positionsänderungen einer Plasmaschneidbrennerdüse während eines Schneidvorgangs bezogen auf eine Werkstückoberfläche, die durch Pfeile x, y beschrieben wird.
Der Plasmaschneidbrenner einschließlich Düse ist an einem verfahrbaren Portal gehalten und relativ zur Werkstückoberfläche verfahrbar. Im Ausführungsbeispiel ist das Flalbzeug eine Platte aus Edelstahlmit folgenden Dimensionen: Länge (L)
= 100 mm, Breite (B) = 100 mm und Höhe (H) = 30 mm, in die mit dem Pias- maschneidbrenner eine kreisrunde Innenkontur mit einem Durchmesser von 38 mm geschnitten werden soll. Nachfolgend wird das Verfahren zum Schneiden der Innenkontur näher beschrieben:
Bevor die Innenkontur geschnitten wird, wird die Plasmaschneidbrennerdüse zu- nächst in eine Startposition (A) verfahren. Die Startposition (A) liegt im Schlecht- material des Halbzeugs. Während der Positionierung der Plasmaschneidbrenner- düse ist der Plasmaschneidbrenner nicht in Betrieb. In Figur 1 ist dieser Verfah- rensschritt durch die gestrichelte Linie 101 gekennzeichnet.
Sobald die Plasmaschneidbrennerdüse die Startposition (A) erreicht hat, wird der Plasmaschneidbrenner gezündet. Die Plasmaschneidbrennerdüse wird solange in der Startposition A gehalten bis ein Durchstich durch das Halbzeug erfolgt ist.
Nach erfolgtem Durchstich wird zunächst ein Anschnitt (eine Anschnitt-Fahne) in das Halbzeug geschnitten. Hierzu wird die Plasmaschneidbrennerdüse in Pfeil richtung entlang der Anschnitts-Linie 102 zu einem Kontur-Startpunkt bewegt und dabei von Null auf eine vorgegebene Schneidgeschwindigkeit beschleunigt. Die Anschnitts-Linie 102 ist so gewählt, dass sie in einem Winkel von 90° auf die spä- tere Kontur-Linie 103 trifft; sie verläuft radial zur Kontur-Linie 103.
Ab dem Kontur-Startpunkt wird die Plasmaschneidbrennerdüse auf der vorgege- benen Kontur-Linie 103 entgegen dem Uhrzeigersinn mit der vorgegebenen Schneidgeschwindigkeit von ca. 500 mm/min geführt, die bezogen auf die spätere Innenkontur des Werkstücks um ca. 3 mm nach links versetzt ist. Eine solche Versetzung der Kontur-Linie ist notwendig, da der von der Plasmadüse erzeugte Plasmastrahl selbst einen runden Querschnitt mit einem mittleren Durchmesser von ca. 6 mm aufweist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass exakt ein Loch mit dem vorgegebenen Radius geschnitten wird. Die Plasmaschneidbrennerdüse wird entgegen dem Uhrzeigersinn entlang der Kontur-Linie 103 geführt bis sie erneut den Kontur-Startpunkt erreicht. Anschließend können weitere Schritte vor- gesehen sein, beispielsweise das Führen des Plasmastrahls in Gegenrichtung zur Kontur-Linie 103. Diese sind zum besseren Verständnis und aus Gründen der Darstellbarkeit in Figur 1 nicht dargestellt. Die Beschreibung dieser Verfahrens- schritte erfolgt weiter unten anhand der Figuren 5 bis 8.
Schließlich wird eine Ausschnitt-Fahne in das Schlechtmaterial geschnitten, in- dem die Plasmaschneidbrennerdüse entlang der Ausschnitts-Linie 104 geführt wird bis die Endposition (B) erreicht wird. Der Plasmaschneidbrenner wird wäh- rend der Fahrt zur Endposition B ausgeschaltet. Sobald die Endposition (B) er- reicht ist, wird die Plasmaschneidbrennerdüse entlang der gestrichelten Linie 105 in einen Bereich verfahren, so dass sie nicht mehr der Werkstückoberfläche zu- geordnet ist.
Figur 2 zeigt den Ablauf eines alternativen Schneidverfahrens. Dabei ist in einer x, y-Darstellung die Position einer Plasmaschneidbrennerdüse über einer Werk- stückoberfläche während eines Schneidvorgangs dargestellt. Gegenüber dem Schneidverfahren von Figur 1 sind bei dem Schneidverfahren gemäß Figur 2 ins- besondere die Form der Anschnitt-Fahne und die Lage der Ausschnitt-Fahne ver- ändert.
Vor dem Schneiden der Anschnitt-Fahne wird die Plasmaschneidbrennerdüse entlang der Linie 201 in die im Schlechtmaterial liegende Startposition (A) ge- bracht. Sobald die Plasmaschneidbrennerdüse die Startposition (A) erreicht hat, wird der Plasmaschneidbrenner gezündet. Die Plasmaschneidbrennerdüse wird solange in der Startposition (A) gehalten bis ein Durchstich durch das Halbzeug erfolgt ist.
Anschließend wird die Anschnitt-Fahne geschnitten, indem der Plasmaschneid- brenner entlang einer halbkreisförmigen Anschnitts-Linie 202 bis zu einem Kon- tur-Startpunkt 210 geführt und dabei von Null auf eine vorgegebene Schneidge- schwindigkeit beschleunigt wird. Die Lage der Anschnitts-Linie 202 ist dabei so gewählt, dass eine Richtungsänderung der Plasmaschneidbrennerdüse im Kon- tur-Startpunkt nicht notwendig ist; die Anschnitt-Line trifft tangential auf die Kon- tur-Linie 203. Durch dieses tangentiale Anschmiegen der Anschnitts-Linie 202 kann insbesondere bei kreisrunden Innenkonturen die Schnittgüte verbessert werden. Ab dem Kontur-Startpunkt 210 wird die Plasmaschneidbrennerdüse auf der vor- gegebenen Kontur-Linie 203 mit der vorgegebenen Schneidgeschwindigkeit von 600 mm/min geführt, die - wie bei Figur 1 beschrieben - bezogen auf die spätere Innenkontur des Werkstücks um 3 mm nach links versetzt ist. Die Schneidrichtung verläuft entgegen dem Uhrzeigersinn bis erneut der Kontur-Startpunkt 210 er- reicht wird.
Während des Schneidens der Kontur-Linie wird die Schneidgeschwindigkeit kon- stant gehalten. Nach dem erneuten Erreichen des Kontur-Startpunkts 210 ist ein „Weiterschnitt“ 203a entlang der bereits geschnittenen Konturlinie 203 in
Schneidrichtung vorgesehen bis eine Schnitt-Endposition (B) erreicht wird. Wäh- rend des Weiterschnitts 203a wird die Geschwindigkeit bis auf null in Endposition (B) verringert.
Anschließend können weitere Schritte vorgesehen sein, beispielsweise das Füh- ren des Plasmastrahls in Gegenrichtung zur Kontur-Linie 203. Diese sind zum besseren Verständnis in Figur 2 nicht dargestellt. Eine genauere Beschreibung dieser Verfahrensschritte erfolgt weiter unten anhand der Figuren 5 bis 8.
Das Schneiden einer Ausschnitts-Fahne in das Schlechtmaterial ist optional mög- lich (nicht dargestellt). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Plas- maschneidbrenner in Endposition (B) abgeschaltet und die Plasmaschneidbren- nerdüse entlang der gestrichelten Linie 204 in einen Bereich verfahren, so dass sie nicht mehr der Werkstückoberfläche zugeordnet ist.
Bei herkömmlichen Verfahren zum Schneiden einer Kontur mit einem Plas- maschneidbrenner werden häufig im Anschnitts- und/oder Ausschnitts-Bereich Schnittflächenverletzungen beobachtet. Derartige Schnittflächenverletzungen sind besonders unerwünscht beim Schneiden kleiner Löcher mit einem Durch- messer von weniger als 20 mm, da sich eine Schnittflächenverletzung bei diesen Löchern besonders stark auf den effektiven Lochdurchmesser auswirkt. In den Figuren 3 und 4 sind Beispiele solcher Schnittflächenverletzungen gezeigt, wie sie insbesondere häufig beim Schneiden von Werkstücken aus hochlegierten Stählen (Edelstahl) beobachtet werden können. Figur 3 zeigt ein Werkstück 300 aus Edelstahl, das einem herkömmlichen Schneidverfahren zur Erzeugung einer lochförmigen Innenkontur 301 unterzogen wurde. Die Innenkontur 301 ist kreisförmig ausgebildet; der Kreisdurchmesser beträgt 36 mm. Die Dicke (Höhe) des Werkstücks 300 beträgt 20 mm. Das Schneidverfahren umfasste die Verfahrensschritte: a) Positionieren der Plasmaschneiddüse ausgehend von einer Ausgangsposition auf eine Position oberhalb des Materials der Innenkontur, dem sogenannten Schlechtmaterial, b) Betreiben des Plasmaschneidbrenners, c) Einstechen in das Schlechtmaterial, d) Schneiden einer senkrecht zur Innenkontur 301 verlaufenden Anschnitt-Fahne 302, e) Schneiden der kreisförmigen Kontur 301 , f) Ausschalten des Plas- maschneidbrenners und g) Verfahren der Plasmaschneidbrennerdüse in Aus- gangsposition.
Abgesehen davon, dass der Schnitt nicht vollständig ist, zeigt Figur 3, dass Schnittflächenverletzungen insbesondere im Bereich des Auftreffens der An- schnitt-Fahne 302 auf die Kontur 301 auftreten können (siehe Pfeil 305). Dabei gilt: Je kleiner der Durchmesser der Kontur 301 ist, umso stärker wirken sich die- se Schnittverletzungen auf den effektiven Durchmesser der Kontur 301 aus.
Figur 4 zeigt ein Werkstück 400 aus Edelstahl, das ebenfalls dem anhand Figur 3 erläuterten Schneidprozess unterzogen wurde. Die Innenkontur 401 ist kreisför- mig ausgebildet; der Kreisdurchmesser beträgt 38 mm. Die Dicke (Höhe) des Werkstücks 300 beträgt 20 mm.
Beim Schneiden der Kontur (Verfahrensschritt e) gemäß Figur 4 ist der Lichtbo- gen am Ende des Kontur-Schnitts im Bereich der Kreuzung von An- und Aus- schnitt„gesprungen“, so dass ein Mikrosteg 405 stehengeblieben ist. Dieses Phänomen wird häufig beim Schneiden von hochlegierten Stählen beobachtet, insbesondere beim Schneiden von Edelstahl.
Anhand der Figuren 5 bis 8 werden vier Varianten des erfindungsgemäßen Ver- fahrens detailliert beschrieben. Zur Erleichterung der Darstellung der Verfahrens- schritte ist jede der Verfahrensvarianten in mehreren Zeichnungen (I, II, III bezie- hungsweise I, II, lla, III) dargestellt, wobei die Zeichnungen in zeitlicher Reihen- folge unterschiedliche Verfahrensstufen repräsentieren. Die jeweils aktuellen Ver- fahrensschritte einer Verfahrensstufe sind mit durchgezogenen, schwarzen Linien eingezeichnet. Zuvor stattgefundene Verfahrensschritte und Orientierungslinien sind mit gestrichelten Linien dargestellt. Soweit in den Figuren 6, 7 und 8 die glei- chen Bezugsziffern verwendet werden, wie in Figur 5, so sind damit gleiche oder äquivalente Verfahrensschritte bezeichnet, wie sie anhand der Figur 5 erläutert sind.
Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung die Abfolge der Verfahrensschritte ei- nes Schneidverfahrens, das insbesondere für die Verarbeitung von Halbzeug- Materialstärken in einem Bereich von 5 mm bis 100 mm verwendet wird.
Zunächst wird die Plasmaschneidbrenner-Düse entlang der gestrichelten Linie 500 in Startposition A verfahren. Sobald die Plasmaschneidbrennerdüse die Startposition A erreicht hat, wird der Plasmaschneidbrenner gezündet und solan- ge in Startposition A gehalten bis ein Durchstich durch das Halbzeug erfolgt ist. Schließlich wird eine Anschnitt-Fahne 501 in das Halbzeug geschnitten. Figur 5-I zeigt eine halbkreisförmige Anschnitt-Fahne 501 wie sie oben beispielsweise an- hand Figur 2 beschrieben ist, die sich tangential an die zu schneidende Kontur- Linie 503 anschmiegt. Es versteht sich, dass die Form und der Verlauf der An- schnitt-Fahne 501 grundsätzlich beliebig gewählt werden können. Beim Schnei- den der Anschnitt-Fahne wird die Plasmaschneidbrennerdüse auf Schneidge- schwindigkeit beschleunigt. Im Kontur-Startpunkt 510 wird der Plasmastrahl durch die Anschnitt-Fahne 501 so auf den Kontur-Startpunkt 510 geführt, dass keine Richtungsänderung notwendig ist. Darüber hinaus erreicht der Plasmastrahl den Kontur-Startpunkt 510 bereits mit Schneidgeschwindigkeit, so dass auch keine Geschwindigkeitsänderung nötig ist.
Figur 5-II zeigt den eigentlichen Kontur-Schnitt, der sich unmittelbar an das Schneiden der Anschnitt-Fahne 501 anschließt. Das Schneiden der Anschnitt- Fahne 501 endet mit Erreichen des Kontur-Startpunkts 510. Von dort ausgehend erfolgt der Schnitt der Kontur 503 mit Schneidgeschwindigkeit bis der mit dem Kontur-Startpunkt identische Kontur-Endpunkt A1 erreicht wird.
Gemäß Figur 5-III wird der Plasmaschneidbrenner in Gegenrichtung zur Schneid- richtung entlang des Abschnitts 511 der Kontur 503 bis zur Endposition B mit Rückführgeschwindigkeit geführt. Dabei wird die Rückführgeschwindigkeit des Plasmaschneidbrenners schrittweise bis auf null reduziert, so dass auf das Schneiden einer zusätzlichen Ausschnitt-Fahne verzichtet werden kann. Durch die Reduktion der Rückführgeschwindigkeit und das damit verbundene Abbrem- sen der Plasmabrennschneidmaschine wird der Nachlauf des Plasmastrahls re- duziert. Da ein Teil der Kontur 503 nochmals in Gegenrichtung geschnitten wur- de, werden im Gegenschnittbereich verbliebene Stege geschnitten und Schrägen begradigt.
Figur 6 zeigt eine Variante des zu Figur 5 beschriebenen Schneidverfahrens, die ebenfalls für die Verarbeitung von Flalbzeug-Materialstärken in einem Bereich von 5 mm bis 100mm einsetzbar ist.
Die Darstellungen in Figur 6-I und in Figur 6-II entsprechen denen der Figuren 5- I und 5-II. Insoweit wird auf die Beschreibung der letztgenannten Figuren verwie- sen.
Figur 6-III zeigt, dass der vom Plasmaschneidbrenner erzeugte Plasmastrahl nach Ende des Konturschnitts 503 in Gegenrichtung zur vorherigen Schneidrich- tung entlang des Abschnitts 512 der Kontur 503 geführt wird, wobei der Abschnitt 512 hier als Vollkreis ausgebildet ist, so dass die komplette Kontur in Gegenrich- tung geschnitten wird. Dieses Verfahren ist insbesondere für kleine Kreiskonturen mit einer Umgangslänge von beispielsweise 60 mm geeignet. Gleichzeitig wird eine hohe Schnittgüte erzielt. Der Plasmastrahl wird bis zur Endposition B mit Rückführgeschwindigkeit geführt. Dabei wird die Rückführgeschwindigkeit des Plasmaschneidbrenners schrittweise bis auf null in Punkt B reduziert, so dass auf das Schneiden einer zusätzlichen Ausschnitt-Fahne verzichtet werden kann. Die Positionen A1 und B sind hierbei identisch. Durch die Reduktion der Rückführge- schwindigkeit und das damit verbundene Abbremsen der Plasmabrennschneid- maschine wird der Nachlauf des Plasmastrahls reduziert. Da die Kontur 503 nochmals in Gegenrichtung geschnitten wurde, werden im Gegenschnittbereich verbliebene Stege geschnitten und Schrägen begradigt.
Anstatt den Plasmastrahl in Gegenrichtung zur Schneidrichtung zu führen, kann alternativ eine Konturwiederholung vorgesehen werden, so dass im Anschluss an die erste Kontur eine zweite Kontur in gleicher Richtung geschnitten wird. Erwei- ternd könnte auch nach dem ersten Konturschnitt ein Weiterschnitt und anschlie- ßend eine Konturwiederholung in Schneidrichtung vorgesehen werden. Dies hat Vorteile, wenn nach dem Weiterschnitt Prozessparameter verändert werden sol- len, wie etwa die Schneidgeschwindigkeit oder die Lage oder Neigung des Plas- mas in Bezug auf die Werkstück-Oberfläche.
Die Figuren 7 und 8 zeigen eine dritte und vierte Variante des erfindungsgemä- ßen Verfahrens, die beide zum Schneiden vergleichsweise dicker Halbzeug- Materialstärken im Bereich von 50 mm bis 100 mm vorgesehen sind. Die Darstellungen in den Figuren 7-1, 7-11 beziehungsweise 8-1, 8-11 entsprechen denen der Figuren 5-1 und 5-11. Insoweit wird auf die Beschreibung der letztge- nannten Figuren verwiesen.
Bei der Verfahrensvariante gemäß Figur 7 ist in Figur 7-lla vorgesehen, dass der Kontur-Schnitt 503 nach einmaligem Durchlauf der Vollkreises bis zum Punkt A2 entlang Linie 710 weitergeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Plasmastrahl hinter einem eventuell in der Position A1 stehengebliebenen Mikrosteg positio niert wird.
Mit Erreichen des Punkts A2 wird der Plasmaschneidbrenner wegen des bevor- stehenden Richtungswechsels erneut positioniert. Anschließend wird der vom Plasmaschneidbrenner erzeugte Plasmastrahl in Gegenrichtung zur Schneidrich- tung entlang des Abschnitts 711 der Kontur 503 bis zur Endposition B mit Rück- führgeschwindigkeit geführt. Eine Abschaltung des Plasmaschneidbrenners er- folgt vor Erreichen des Punktes B. Das Verfahren von Figur 8 unterscheidet sich von dem Verfahren gemäß Figur 7 im Wesentlichen darin, dass der Abschnitt 811 im Gegensatz zum Abschnitt 711 als Vollkreis ausgebildet ist, so dass die komplette Kontur nachgeschnitten wird. Die Positionen A2 und B sind identisch. Dieses Verfahren ist insbesondere für kleine Konturen mit einer Umfangslänge bis zu 60 mm geeignet. Flierdurch wird eine hohe Schnittgüte erzielt.
Die zuvor beschriebenen Verfahren beschreiben allesamt das Schneiden von In- nenkonturen. Sie können selbstverständlich auch auf das Schneiden von Außen- konturen angewendet werden. Figur 9 zeigt eine Gegenüberstellung einer Außenkontur (B) eines Werkstücks, die unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Schneidverfahrens erhalten wurde und einer Außenkontur (A) eines Werkstücks, wie sie mit einem herkömmlichen Schneidverfahren erhalten wurde.
Die bemerkenswertesten Unterschiede sind durch Kreise hervorgehoben. Die Schnittfuge von Figur 9A ist ungleichmäßig ausgebildet und weist insbesondere eine Schnittflächenverletzung im an der Unterseite des Werkstücks auf.
Die Schnittfuge aus Figur 9B hingegen weist eine gleichmäßig, schräg-zulaufende Form auf.
In Figur 10 sind eine Innenkontur (B) eines Werkstücks, die unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Schneidverfahrens gemäß Figur 6 erhalten wurde und eine Innenkontur A, wie sei mit einem herkömmlichen Schneidverfahren erhalten wur- de, gegenübergestellt. Während das Loch der Figur 9A im Anschnittbereich (links) Schnittverletzungen zeigt, wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Figur 6 eine nahezu kreisrunde Kontur erhalten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum maschinellen thermischen Schneiden eines Werkstücks un- ter Einsatz eines Plasmaschneidbrenners, umfassend die Verfahrensschrit- te: a) Zünden eines Plasmastrahls, b) Erzeugen eines Anschnitts in das ein metallisches, platten- oder bahn- förmiges Halbzeug mit dem Plasmastrahl, c) Schneiden einer Kontur in das Halbzeug, indem der Plasmastrahl ent- lang einer vorgegebenen Konturlinie mit einer Schneidgeschwindigkeit in Schneidrichtung geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schneiden der Kontur gemäß Ver- fahrensschritt c) der Plasmastrahl in Gegenrichtung zur Schneidrichtung entlang mindestens eines Abschnitts der geschnittenen Kontur mit einer Rückführgeschwindigkeit geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach dem
Schneiden der Kontur gemäß Verfahrensschritt c) der Plasmastrahl in Ge- genrichtung zur Schneidrichtung vollständig entlang der geschnittenen Kon- tur geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Schneiden des Anschnitts mit einer Anschnitt-Geschwindigkeit erfolgt, wo- bei die Anschnitt-Geschwindigkeit beim Schneiden des Anschnitts solange erhöht wird bis die Schneidgeschwindigkeit erreicht wird, wobei die Rück- führgeschwindigkeit im Bereich von 150% bis 400% der Schneidgeschwin- digkeit liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass während der Plasmastrahl in Gegenrichtung zur Schneidrich- tung entlang des mindestens einen Abschnitts der geschnittenen Kontur ge- führt wird, die Rückführgeschwindigkeit kontinuierlich reduziert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass es zum Schneiden einer Kontur in ein Halbzeug aus Alumi- nium oder Stahl, vorzugsweise aus Edelstahl, mit einer Materialstärke im Bereich von 5 mm bis 100 mm verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass nach dem Schneiden der Kontur gemäß Verfahrensschritt c) und vor dem Führen des Plasmastrahls in Gegenrichtung zur Schneidrich- tung ein Weiterschnitt in Schneidrichtung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass beim Schneiden der Kontur gemäß Verfahrensschritt c) die Lage des Plasmastrahls in Bezug auf die Konturlinie in Abhängigkeit von der Schneidrichtung nach rechts beziehungsweise links verschoben ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, wenn beim Führen des Plasmastrahls in Gegenrichtung zur Schneidrichtung die Lage des Plasmastrahls bezogen auf die Konturlinie von links nach rechts bezie- hungsweise von rechts nach links verschoben wird.
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