Технология продольно-поперечной резки металла
Технология резки металла: материалы, характеристики и особенности
Работа современной линии продольной и поперечной резки металла основана на согласованном взаимодействии высокоточного оборудования для резки с ЧПУ и вспомогательных агрегатов под управлением интеллектуальных систем. Оптимизация всех этапов производства позволяет получать металлопродукцию высокого качества с низкими потерями сырья.
Рисунок 1 Плоский тонколистовой прокат в рулоне
Сырье для технологии резки – плоский прокат, который получают методом горячей или холодной прокатки стали, алюминия и других металлов и сплавов. Существует тонколистовой (до 3,9 мм) и толстолистовой (более 3,0 мм) прокат. В некоторых случаях толстолистовой прокат может быть тоньше, чем тонколистовой – таковы особенности терминологии.
Разобраться в терминах и базовых требованиях к катаной продукции помогут стандарты:
-
ГОСТ 19904-90 «Прокат листовой холоднокатаный»,
-
ГОСТ 19903-2015 «Прокат листовой горячекатаный», или ГОСТ 16523-97 «Прокат тонколистовой из углеродистой стали…».
Более детализированные требования и характеристики можно найти в стандартах на отдельные виды продукции:
-
оцинкованную сталь (ГОСТ 14918-2020),
-
нержавеющую сталь (ГОСТ 5632-2014),
-
алюминиевые листы (ГОСТ 21631-2023) или прокат с полимерным покрытием (ГОСТ 34180-2017).
Металлургические комбинаты поставляют металлопродукцию в виде листов или рулонов, длина которых может достигать нескольких километров, диаметр – 2 метров, а масса – 20 тонн. Ширина рулонов в зависимости от типа проката может достигать 2,2 метров, а размеры листа – 4,4 на 12 метров. Как правило, для потребителей – предприятий машиностроения, энергетического сектора, строительных компаний, небольших металлообрабатывающих мастерских – требуются заготовки значительно меньшего размера.
В сервисных металлоцентрах крупногабаритные и длинномерные полотна разрезают на удобные для дальнейшего производства рулоны меньшего размера или раскраивают на отдельные листы.
Рисунок 2 Рулонный металлопрокат на производственной площадке
В основе технологии резки могут лежать различные физические процессы.
Гидроабразивный и термический способы (последний включает кислородную, плазменную и лазерную резку) позволяют получать как прямолинейный, так и криволинейный рез. С их помощью можно создавать элементы сложной формы из тонко- и толстолистового металла. Однако с задачей массового получения изделий с прямолинейными контурами гораздо эффективнее справляется способ механической продольно-поперечной резки металла.
Оборудование продольной резки предназначено для роспуска рулонов - разделения металла дисковыми ножами на длинные полосы, ленты и штрипс. Агрегаты поперечной резки позволяют с помощью гильотинных ножниц получать из первичных или прошедших продольный роспуск рулонов листы и карты заданного размера. Линии продольно-поперечной резки объединяют в себе оба процесса и позволяют получать весь упомянутый ассортимент продукции.
Рисунок 3 Лента, лист, полоса
Рассмотрим, как работает линия продольно-поперечной резки рулонного металла, какое оборудование применяется в ее составе и какие нюансы при резке листового металла позволяют добиваться наиболее высокого качества.
Виды оборудования для продольно-поперечной, продольной и поперечной резки
Продольную и поперечную резку можно производить на отдельных станках или на производственных линиях, в состав которых кроме режущего оборудования входят дополнительные устройства. Рассмотрим оборудование в порядке возрастания его сложности.
Самые простые станки представляют собой механические дисковые ножницы на станине с ручным или моторизованным приводом (рис. 4, 5).
Сфера применения такого инструмента ограничивается небольшими мастерскими, подсобными хозяйствами или мобильными стройплощадками (например, для кровельного ремонта). Для выпуска серийной продукции со строгими допусками такие агрегаты не подходят из-за своей маленькой производительности, низкой точности реза и ограничений по толщине разрезаемого металла. Эти ограничения связаны с низкой жесткостью рамы и валов, диаметр которых обычно не превышает 90 мм.
Рисунок 4 Ручной станок поперечной резки Stalex СП-3
Рисунок 5 Станок продольной резки Stalex СПР-1250/3-А с электроприводом протяжки и резки
Иногда станки начального класса входят в состав небольших полуавтоматических линий. Функциональность и скорость работы таких комплексов заметно выше, чем у отдельных станков, что можно рассмотреть на примере линии ЛППР-1250/5-АСУ (рис. 6). Производительность системы составляет:
-
до 10 м/мин при ширине листа до 1250 мм,
-
толщине продольного реза до 1,5 мм, а поперечного – до 3,0 мм.
На вал могут устанавливаться 8 ножей. Линия включает консольный приводной разматыватель грузоподъемностью 7,5 тонн. Такие линии, несмотря на невысокую производительность и ограничения по геометрическим характеристикам проката, находят применение на производстве при умеренной загруженности и отсутствии повышенных требований к точности.
Рисунок 6 Полуавтоматическая линия продольно-поперечной резки Моби Проф ЛППР-1250/5-АСУ с установленным блоком для нанесения полимерной пленки
Более высокой производительностью и точностью резки обладают автоматические линии. В зависимости от способа организации производства, технологические процессы продольной и поперечной резки могут быть вынесены в отдельные линии или объединены в комбинированный процесс.
Рисунок 7 Общий вид автоматической линии
Состав линий может варьироваться в широких пределах, тем не менее можно выделить главные элементы (соблюдая последовательность резки металла):
1. Система подачи рулонов с транспортировочной тележкой. Ее главная функция – переместить материал к разматывателю и обеспечить точное положение рулона для загрузки на ось. Тележка может быть рельсовой или безрельсовой. В состав автоматизированных линий, как правило, включен гидравлический рельсовый вариант.
2. Разматыватель рулонов. Задача разматывателя – зафиксировать рулон на консольном валу, обеспечить его вращение в заданном режиме и аккуратно подать полотно на линию. В продвинутых моделях могут присутствовать дополнительные элементы - гидравлическая система фиксации рулона на оси, система перемещения вдоль оси, система натяжения полотна и функция реверсивного вращения. Иногда все эти системы реализуются в рамках одного решения, как в линиях от компании FIMI.
Рисунок 8 Автоматическая линия продольной резки FIMI. На переднем плане (слева направо): разматыватель, рельсовая тележка и крестовина для подачи рулонов.
3. Правильное устройство. Отвечает за выправление остаточной кривизны проката после размотки. На этом этапе происходит подготовка металла к резке. В составе линии этот агрегат следует сразу после разматывателя, если блок продольной резки располагается до петлевой ямы. Может комплектоваться гильотиной для обрезки передней кромки.
4. Блок продольной резки. Режущий элемент - дисковые ножницы, набранные из нескольких ножей продольной резки металла, установленных на общий вал. Ножи изготавливают из хромистой высокотвердой и износостойкой стали, например Х12МФ. От точности позиционирования ножей на валу зависит соблюдение допустимых отклонений ширины конечной продукции. В продвинутых моделях станков процесс регулируется ЧПУ.
Рисунок 9 Ножи дисковые для продольной резки в составе линии FIMI
5. Промежуточные устройства – кромконаматыватель, петлеобразователь (яма или её имитатор), системы натяжителей и наматывателей – либо для намотки рулонов для передачи закзчику, либо для транспортировки к блоку поперечной резки.
6. Вторая правильная машина. Её функция – выправление остаточной кривизны проката, на этот раз перед гильотиной.
7. Гильотинные ножницы. Их задача – осуществлять поперечный рез. Его направление может быть перпендикулярным движению проката или располагаться под заданным углом. Ножницы могут работать в режиме «старт-стоп» - когда движение ленты на конвейере останавливается при опускании инструмента. Более продвинутый вариант – ротационная гильотина, не требующая остановки полотна.
8. Штабелер или пакетирующее устройство – для приема готовых листов и карт, формирования пачек и последующей упаковки.
9. Система управления с ЧПУ или без.
Отдельные линии продольной резки обычно включают позиции 1 - 5 и 9 из нашей схемы, а поперечной – 1, 2 и 6 – 9. Их главные особенности заключаются в типе режущего блока (дисковый стриппер для продольной резки или гильотина) и приёмных устройств – для продольной резки необходимо наличие наматывателя готовых лент, а для поперечной – штабелера.
В зависимости от конфигурации продольно-поперечной линии, операции продольной и поперечной резки могут осуществляться последовательно или параллельно. В первом случае конечной продукцией линии являются листы и карточки, во втором – листы, карточки, ленты, штрипс и полоса.
В качестве примера автоматической продольно- поперечной линии с параллельной конфигурацией можно привести ЛППР 1215 белорусского производителя «АТФ Инжиниринг» (рис. 10). ЛППР 1215 условно можно отнести к среднему сегменту по производительности. При ширине проката до 1250 мм и толщине 0,4 - 1,5 мм скорость реза составляет 25 м/мин, а допуск по длине ±0,5 мм. В отличие от рассмотренной выше полуавтоматической линии, в схему включено правильное устройство с раздельной регулировкой валков для исправления остаточной кривизны рулонного материала.
Рисунок 10 Оборудование в составе линии ЛППР 1215 "АТФ Инжиниринг". Слева направо: направляющее устройство; узел регулировки ширины проката; правильное устройство; редуктор регулировки высоты валков
Наконец, в качестве эталона качества можно рассматривать автоматические линии таких производителей, как Red Bud Industries (США), CMF (Франция) и FIMI (Италия). Линии Red Bud Industries T15 (рис. 11) имеют допуск по длине ±0,127 мм, что в абсолютных цифрах на сегодняшний день является минимальным значением среди серийно выпускаемого оборудования.
Рисунок 11 Продольно-поперечная линия Red Bud Industries T15
Не менее впечатляющие значения допуска по ширине ±0,1 при роспуске полотна на ленты шириной 250 мм демонстрируют продольные линии FIMI.
Стоит отметить, что столь малые значения допусков не просто соответствуют требованиям ГОСТов, а демонстрируют многократно более высокую точность чем нормативы для листов группы ВШ - высокой точности изготовления по ширине (от +2 до +3 мм по ГОСТ 19904-90 и от +6 до +10 мм по ГОСТ 19903-74).
Впрочем, конкуренция между лидерами отрасли разворачивается не только за точность резки, но и за совершенствование сопутствующих характеристик, например, таких как:
-
комплексность и масштабируемость инженерных решений,
-
функциональность программного обеспечения,
-
удобство программ гарантийного и сервисного обслуживания,
-
наличие собственных научных разработок,
-
внедренных в производство.
Передовые решения для резки металла FIMI
В линиях резки от компании FIMI реализовано множество ноу-хау, которые стоит рассмотреть подробнее.
Металлообрабатывающие линии FIMI последних поколений создаются в соответствии с концепцией «умного предприятия» (smart plant) с использованием искусственного интеллекта, машинного обучения и датчиков IoT (Интернета вещей). Линии оптимизированы на всех уровнях: от «софта», отвечающего за экономный и производительный раскрой, до связи управляющей системы с отдельными узлами какого-либо агрегата в технологической цепочке.
В качестве примера можно привести одну из запатентованных разработок компании – «умную» систему NFTS® (натяжения без трения).
Рисунок 12 Система NFTS на линии FIMI
На рисунке 7 показан один из вариантов реализации системы NFTS при управлении движением лент, полученных после роспуска рулонной полосы. На выходе из петлевой ямы каждый ряд ленты индивидуально управляется моторизованными роликами, каждый из которых снабжен собственной тормозной системой. Ролики, отмеченные на схеме красным цветом, обеспечивают натяжение, а ролики синего цвета отвечают за перемещение полотна. Система полностью исключает взаимное смещение полос по длине и обеспечивает их равномерное натяжение.
Ещё одним примером может служить продуманная конструкция роторных ножниц «SYNCHROCUT» от FIMI с генератором импульсов для подачи и отбраковки хвостов полосы. Перемещением гильотины управляет электронная контрольно-измерительная система. Лезвия имеют четыре режущих кромки, что позволяет периодически переворачивать инструмент, тем самым многократно продлевая срок его эксплуатации до замены или переточки.
Описанные технические решения внедрены в производство. Благодаря этому серийно выпускаемые линии FIMI обладают сочетанием высокой скорости множественной резки, точности по длине, ширине и диагонали (таблица 1).
Таблица 1 Технические характеристики продольной и поперечной линий FIMI в составе комплекса продольно-поперечной резки
| Продольная резка | |
| Толщина металла, мм | 0,3-3,0 |
| Ширина полотна на входе, мм | 400-1550 |
| Вес рулона, т | до 15 |
| Диаметр рулона, мм | до 1600 |
| Скорость резки, м/мин | до 200 |
| Ширина на выходе, мм | 30-1500 |
| Вес на выходе, т | до 15 |
| Диаметр на выходе, мм | |
| Допуски: | |
| - при ширине до 250 мм | +/- 0,1 мм |
| - при ширине до 250-1250 мм | +/- 0,15 мм |
| - при ширине до 1251-1550 мм | +/- 0,20 мм |
| Поперечная резка | |
| Толщина металла, мм | 0,4-4,0 |
| Ширина полотна на входе, мм | 400-1550 |
| Вес рулона, т | до 15 |
| Диаметр рулона, мм | до 1600 |
| Скорость резки, м/мин | до 60 |
| Ширина на выходе, мм | 400-1600 |
| Длина на выходе, мм | 300-6000 |
| Высота пачки листов, мм | до 500 |
| Допуски: | |
| - по длине | +/- 0,25 мм |
| - по разнице диагоналей | +/- 0,50 мм |
Рекомендации по выбору подрядчика
В следующей публикации мы подробно проанализируем ключевые моменты по выбору подрядчика для выполнения резки металла, а пока дадим несколько коротких рекомендаций.
Рисунок 13 Упакованный рулонный прокат на металлообрабатывающем предприятии
1. Подрядчик должен обладать обширным парком оборудования. Отсутствие возможности использовать резервные единицы в случае неполадок основных линий указывает на высокую вероятность срыва сроков выполнения заказа.
2. Оборудование не должно быть старым. Частые поломки физически изношенных станков для продольной резки металла приводят к срыву сроков. Морально устаревшие агрегаты продольно поперечной резки рулонной стали не способны удовлетворить требования к металлопродукции, заданные ГОСТами и техническим заданием.
3. Степень автоматизации и цифровизации линий должна быть высокой для сведения к минимуму ошибок, вызванных человеческим фактором.
4. Прямые поставки проката с металлургических комбинатов помогут избежать наценки перекупщиков или несоответствия сырья заявленным характеристикам.
5. Наличие сертификатов соответствия желательно, а в ряде случаев – обязательно, например при заказе металлопродукции для медицинских объектов.
Таким образом, прецизионные допуски, «умная» автоматизация и оптимизация технологических процессов линий, аналогичных предложениям FIMI, гарантируют качественное и своевременное выполнение работ по продольно-поперечной резке.
