Công nghệ cắt Plasma

Cắt Plasma là quá trình sử dụng tia plasma để gia công vật liệu dẫn điện. Plasma thường được sử dụng để cắt thép, thép không gỉ, nhôm, đồng thau, đồng và một số loại vật liệu dẫn điện khác. Cắt plasma thường được sử dụng trong các xưởng chế tạo, sửa chữa và phục hồi ô tô, xây dựng công nghiệp, và các hoạt động cứu hộ và tháo dỡ. Do tốc độ cắt và độ chính xác cao kết hợp với chi phí thấp, cắt plasma được sử dụng rộng rãi từ các ứng dụng CNC công nghiệp quy mô lớn đến các cửa hàng đồ chơi nhỏ.

Cắt plasma được thực hiện bởi một tay robot công nghiệp

Nguyên lý

Quá trình cắt plasma là quá trình tạo ra một tia lửa điện có nhiệt độ rất cao và quá trình oxy hóa không khí. Plasma từ đầu phát, cắt qua phôi, sau đó thông qua kẹp nối đất trở về máy cắt plasma, tạo thành một mạch điện hoàn chỉnh. Quá trình được thực hiện bằng cách thổi dòng khí (oxy, không khí, khí trơ hoặc các loại khí khác tùy thuộc vào vật liệu bị cắt) qua một vòi phun ở tốc độ cao về phía phôi. Khi đó sẽ có một tia lửa điện xuất hiện bên trong luồng khí, được sinh ra giữa một điện cực (được gắn gần vòi phun khí hoặc được tích hợp vào vòi phun khí) và phôi. Hồ quang điện làm ion hóa không khí, do đó tạo ra một kênh dẫn điện, sinh ra plasma. Khi dòng plasma hình thành, nó cung cấp đủ nhiệt để làm nóng chảy vật liệu phôi. Đồng thời, plasma và luồng khí áp suất cao sẽ thổi bay kim loại nóng chảy ra khỏi vết cắt và cắt xuyên qua phôi.

Vết cắt plasma trên một tấm thép dày

Plasma có thể cắt vật liệu dày hoặc mỏng với hiệu quả như nhau. Các máy cắt cầm tay thường có thể cắt tấm thép dày 38 mm (1,5 in) và các máy cắt công suất lớn có thể cắt thép dày tới 150 mm (6 in). Vì máy cắt plasma tạo ra một vùng rất nóng dạng “hình nón” để cắt cục bộ, chúng cực kỳ hữu ích để cắt kim loại tấm ở dạng cong hoặc góc cạnh.

Lịch sử

Cắt plasma được phát triển từ công nghệ hàn plasma trong những năm 1960, và nổi lên như một phương pháp rất hiệu quả để cắt kim loại tấm trong những năm 1980. Nó có những ưu điểm vượt trội hơn so với các phương pháp gia công truyền thống như: không tạo ra phoi, cắt chính xác và tạo ra vết cắt đẹp hơn so với cắt bằng ngọn lửa hàn. Các máy cắt plasma ban đầu có kích thước rất lớn, tốc độ cắt chậm và đắt tiền, do đó chúng chỉ được sử dụng trong quá trình sản xuất hàng loạt.

Cũng như các máy công cụ khác, công nghệ CNC đã được áp dụng cho máy cắt plasma vào cuối thập niên 1980, đầu những năm 1990, cho phép máy cắt plasma linh hoạt hơn để cắt các hình dạng đa dạng theo yêu cầu của khách hàng dựa trên bộ điều khiển đã được lập trình sẵn. Tuy nhiên, các máy cắt plasma CNC này thường có hạn chế là chỉ cắt được các chi tiết hoặc các bộ phận có dạng tấm phẳng, chỉ sử dụng hai trục chuyển động (trục X Y).

Cắt plasma với đầu cắt nghiêng

An toàn

Che chắn, bảo vệ mắt là cần thiết để ngăn ngừa tổn thương mắt. Nên sử dụng kính bảo vệ màu xanh sẫm # 5. OSHA khuyến nghị sử dụng kính bảo vệ #8 cho dòng điện dưới 300 A, nhưng lưu ý rằng “biện pháp này chỉ áp dụng khi dòng plasma có thể được nhìn thấy rõ ràng. Kinh nghiệm cho thấy rằng các loại kính bảo vệ nhẹ hơn có thể được sử dụng khi dòng plasma bị ẩn bởi phôi.” Lincoln Electric, một nhà sản xuất thiết bị cắt plasma, nói, “khả năng bảo vệ của kính loại #7 và #9 là đảm bảo an toàn cho mắt”. Longevity Global, Inc., một nhà sản xuất khác, cung cấp bảng cụ thể hơn về các loại kính bảo vệ khi cắt plasma:

Găng tay da, tạp dề và áo khoác cũng được khuyến cáo sử dụng để ngăn ngừa bỏng từ tia lửa và mảnh vụn.

Phương pháp tạo plasma

Máy cắt plasma sử dụng một số phương pháp để tạo dòng plasma. Trong một số máy, plasma được tạo ra bằng cách cho đầu bắn plasma tiếp xúc với phôi. Một số máy cắt sử dụng mạch điện cao áp, tần số cao để tạo plasma. Phương pháp này có một số nhược điểm như: nguy cơ bị điện giật, khó sửa chữa, bảo dưỡng, khoảng cách tia lửa và phôi lớn. Trong trường hợp máy cắt plasma làm việc gần các thiết bị điện tử nhạy cảm, chẳng hạn như máy tính CNC, thì việc tạo plasma sẽ phải được thực hiện bằng các phương pháp khác. Vòi và điện cực tiếp xúc. Vòi phun là cực âm, và điện cực là cực dương. Khi khí plasma bắt đầu thổi, vòi phun thổi về phía trước. Phương pháp thứ ba, ít phổ biến hơn là xả điện dung vào mạch chính thông qua bộ điều khiển chỉnh lưu bán dẫn.

Máy cắt plasma

Máy cắt Plasma

Máy cắt plasma analog, thường có công suất lớn hơn 2kW, sử dụng máy biến áp tần số chính. Máy cắt plasma biến tần chỉnh lưu sử dùng nguồn điện DC, được cấp vào bộ biến tần bán dẫn tần số cao từ 10 kHz đến khoảng 200 kHz. Tần số chuyển mạch cao hơn cho phép biến áp nhỏ hơn do đó có thể thu gọn kích thước máy làm giảm trọng lượng.

Các transistor được sử dụng ban đầu là MOSFET, nhưng hiện nay việc sử dụng IGBT ngày càng phổ biến. Với MOSFET song song, nếu một trong các transistor kích hoạt sớm, nó có thể dẫn đến sự thất bại tầng của một phần tư biến tần. Ở IGBT không xuất hiện tình trạng này. IGBT thường được sử dụng trong các máy công suất cao và không thích hợp để sử dụng transistor.

Cấu trúc chuyển đổi chế độ liên kết được gọi là bộ chuyển đổi chuyển tiếp ngoại tuyến kép của transistor. Mặc dù nhẹ hơn và mạnh mẽ hơn, một số máy cắt plasma biến tần, đặc biệt là những máy không có hệ số công suất, không thể chạy từ máy phát (điều đó có nghĩa là nhà sản xuất biến tần không làm như vậy; nó chỉ hợp lệ cho máy phát điện nhỏ, công suất thấp). Tuy nhiên các mô hình mới hơn có mạch bên trong cho phép các máy không có hiệu chỉnh hệ số công suất để chạy trên các máy phát điện công suất thấp.

Đầu cắt plasma cầm tay

Phương pháp cắt CNC

Một số nhà sản xuất máy cắt plasma thiết kế các bàn cắt CNC, và một số có đầu cắt được tích hợp vào bàn. Các bàn CNC cho phép máy tính điều khiển đầu cắt plasma tạo ra các vết cắt sắc nét. Thiết bị plasma CNC hiện đại có khả năng cắt đa trục với vật liệu dày, cho phép tạo ra các đường nối hàn phức tạp mà máy bình thường không thể thực hiện được. Đối với vật liệu mỏng hơn, việc cắt plasma đang dần được thay thế bằng cách cắt laser, chủ yếu do khả năng cắt lỗ vượt trội của máy cắt laser.

Máy cắt Plasma CNC được sử dụng chuyên dụng trong ngành công nghiệp HVAC. Phần mềm xử lý thông tin về ống dẫn và tạo ra các mẫu phẳng được cắt trên bàn cắt bằng plasma. Công nghệ này đã tăng năng suất sản xuất rất lớn trong ngành kể từ khi được giới thiệu vào đầu những năm 1980.

Máy cắt plasma CNC cũng được sử dụng trong nhiều nhà xưởng để tạo ra các chi tiết trang trí. Ví dụ: bảng chỉ dẫn trong các khu thương mại và dân cư, đồ trang trí treo tường, biển báo địa chỉ và đồ trang trí ngoài vườn.

Trong những năm gần đây đã có nhiều phát triển hơn. Thông thường, các máy cắt đều nằm ngang, nhưng hiện nay đã có những máy cắt plasma CNC thẳng đứng, giảm diện tích máy, tăng tính linh hoạt, an toàn, tối ưu và hoạt động nhanh hơn.

Cắt Plasma công suất cao

Cấu trúc máy cắt Plasma CNC

Có 3 cấu trúc chính của cắt plasma CNC và chúng được phân biệt phần lớn bởi các dạng vật liệu trước khi gia công, và tính linh hoạt của đầu cắt.

Cắt Plasma 2 chiều / 2 trục

Đây là dạng cắt Plasma CNC phổ biến nhất. Gia công các chi tiết phẳng, có cạnh cắt vuông góc với bàn máy. Các máy cắt plasma CNC công suất lớn được thiết kế theo dạng này, có thể cắt các tấm kim loại dày từ 30-150mm.

Máy cắt 3 chiều / 3 trục

Đây cũng là một thiết bị được sử dụng để gia công các chi tiết dạng tấm, tuy nhiên với việc đưa thêm trục quay, đầu cắt của máy cắt Plasma CNC có thể  xoay nghiêng trong khi thực hiện một đường cắt 2 chiều thông thường. Kết quả của việc này là tạo ra các vết cắt có góc nghiêng khác 90⁰ đối với bề mặt vật liệu, ví dụ góc 30⁰ – 45⁰. Góc nghiêng này được giữ liên tục trong suốt bề dày của vật liệu. Mặt cắt loại này được sử dụng để chuẩn bị các bề mặt hàn, từ đó giảm được các nguyên công xử lý bề mặt như mài, tiết kiệm được chi phí. Máy cắt 3 trục cũng được ứng dụng để gia công các lỗ chìm, vát mép các cạnh.

Tube & Section Plasma Cutting

Máy được sử dụng để cắt các chi tiết dạng ống dài. Đầu cắt plasma đứng yên trong khi phôi được đưa vào và xoay trục dọc. Có một số loại máy khác, như với máy cắt 3 chiều, đầu cắt có thể nghiêng và xoay. Điều này cho phép giảm góc cắt trong suốt chiều dày của ống, để tạo ra các bề mặt nghiêng thuận lợi cho hàn các ống với nhau, thẳng hoặc theo một góc bất kì.

Công nghệ mới

Trong nhiều thập kỷ qua các nhà sản xuất máy cắt plasma đã thiết kế các dòng máy mới với đầu cắt nhỏ hơn và tạo ra dòng plasma mỏng hơn. Điều này cho phép độ chính xác khi cắt cao hơn và tiếp cận với phương pháp cắt laser. Một số nhà sản xuất đã kết hợp điều khiển CNC chính xác với các đầu cắt này để cho phép các nhà chế tạo gia công được các chi tiết yêu cầu với độ chính xác và chất lượng bề mặt cao hơn, từ đó giảm bớt các nguyên công hoàn thiện.

Chi phí

Máy cắt plasma đã từng khá tốn kém. Vì lý do này, chúng thường chỉ được sử dụng trong các xưởng hàn chuyên nghiệp, các ga-ra xe và cửa hàng riêng. Tuy nhiên, máy cắt plasma hiện đại đang có chi phí ngày càng thấp, phù hợp với túi tiền của nhiều doanh nghiệp. Các dòng máy đời cũ thường rất nặng, cần nhiều thao tác thủ công, trong khi một số dòng máy mới hơn với công nghệ biến tần có khối lượng nhẹ hơn rất nhiều, nhưng mang lại hiệu quả vượt trội.