MỸ – Giải pháp tối ưu tốc độ cắt và tăng tuổi thọ linh kiện tiêu hao.
Tốc độ cắt plasma (1) chỉ là một yếu tố trong bài toán năng suất. Một yếu tố khác, dù quan trọng nhưng thường bị bỏ qua, chính là quá trình đục lỗ (pierce) (2). (1) Công nghệ cắt plasma: là một phương pháp gia công nhiệt, sử dụng dòng khí ion hóa có nhiệt độ và tốc độ cao để làm nóng chảy và thổi bay kim loại khỏi mạch cắt. (2) Pierce: Trong quá trình cắt một chi tiết (hình tròn, hình vuông) nằm ở giữa một tấm kim loại dày. Trước tiên, hệ thống phải tập trung năng lượng plasma tại một điểm cố định để đục thủng tấm kim loại đó từ trên xuống dưới. Sau đó, mỏ cắt mới bắt đầu cắt chi tiết. Quá trình xuyên thủng ban đầu này chính là “pierce”.
Công nghệ cắt plasma độ phân giải cao (high-definition plasma) là phương pháp chủ lực trong ngành gia công kim loại tấm, đặc biệt là đối với các loại vật liệu dày. Trong phân khúc này, tốc độ cắt (tính bằng inch/ phút) ảnh hưởng trực tiếp đến tổng sản lượng đầu ra. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa quá trình cắt trên thực tế cũng chỉ là một phần của vấn đề. Một yếu tố quan trọng khác chính là giai đoạn đục lỗ ban đầu.
Ông Jorge Santana, Giám đốc sản phẩm cấp cao tại tập đoàn Hypertherm Associates đã chia sẻ về khả năng xuyên thấu, cách điều chỉnh và ý nghĩa của kỹ thuật đục lỗ đối với hiệu suất cắt plasma trên tổng thể.
Ông Santana nói rằng: “Khi công nhân tiến hành đục lỗ trên một tấm kim loại, phần vật liệu nóng chảy buộc phải thoát ra ngoài, và chúng thường phun ngược lên. Nếu cấu hình máy và các linh kiện thay thế định kỳ (đầu phun, điện cực, …) không được thiết kế chuẩn xác, tuổi thọ của chúng sẽ bị sụt giảm nghiêm trọng.”
“Nhiều nhà máy gia công chỉ tập trung vào tốc độ di chuyển khi cắt. Vì vậy, họ vô tình bỏ qua công đoạn đục lỗ. Hãy nhớ rằng, mỗi lần đục lỗ đều tiêu tốn thời gian.”
Nguyên lý cơ bản của quá trình đục lỗ Plasma Các bộ nguồn cắt plasma sử dụng điện áp hở mạch (OCV – open-circuit voltage) để tạo ra sự chênh lệch điện thế giữa điện cực (mang điện tích âm) với đầu phun (nozzle) và phôi (mang điện tích dương). Điện áp hở mạch này tạo ra điện thế ban đầu đủ lớn để ion hóa chất khí, từ đó mồi dòng hồ quang phụ (pilot arc) (*) ngay bên trong thân mỏ cắt trước khi hồ quang này chuyển sang phôi. Khi hồ quang đã chuyển sang tấm kim loại (đã được nối đất), mạch hồ quang phụ sẽ tự động ngắt và bắt đầu quá trình cắt. (*) Pilot arc: điện áp OCV cao ban đầu sẽ ép dòng khí nén đi qua mỏ cắt bị ion hóa (biến thành dòng plasma mang điện). Lúc này, một tia lửa điện mạnh, gọi là hồ quang phụ (pilot arc), sẽ phóng từ điện cực sang đầu phun.
Ông Santana nói tiếp: “Về lý tưởng, các nguồn nguồn công suất lớn sẽ sở hữu mức điện áp cao để có thể duy trì tia hồ quang ở khoảng cách càng xa tấm kim loại càng tốt. Khoảng cách giữa mỏ cắt và tấm phôi càng lớn thì lượng kim loại lỏng bắn ngược lên các linh kiện tiêu hao càng ít. Đây chính là lý do vì sao việc tối ưu hóa quy trình đục lỗ lại có ý nghĩa quyết định.”
Các bộ nguồn hiện đại ngày nay đã có thể chuyển đổi tia hồ quang plasma ngay từ độ cao đục lỗ, giúp hợp lý hóa quy trình đục lỗ tĩnh. Trước đây, mỏ cắt thường phải hạ thấp xuống “độ cao chuyển đổi” (transfer height) để mồi hồ quang, sau đó ngay lập tức rút ngược lại về “độ cao đục lỗ” (pierce height) được chỉ định. Giờ đây, nhờ các dòng điện áp thế hệ mới có khả năng chuyển đổi hồ quang từ điểm cao hơn, mỏ cắt chỉ cần hạ xuống để dò bề mặt vật liệu, sau đó rút về đúng độ cao đục lỗ để kích hoạt chuyển đổi hồ quang. Ngay khi thời gian đục lỗ (thường gọi là thời gian trễ đục lỗ – pierce delay) kết thúc, mỏ cắt sẽ hạ xuống độ cao cắt tiêu chuẩn (xem hình 1 và 2).
Ông Santana nói tiếp: “Để xây dựng được các quy trình đục lỗ chuẩn hóa, tập đoàn Hypertherm Associates phải tiến hành thử nghiệm với ít nhất 300 lần đục lỗ liên tục, xuyên qua độ dày vật liệu tối đa (được định mức cho bộ nguồn đó)”. Ông Santana cho biết thêm rằng cứ sau mỗi 100 nhát cắt, các kỹ thuật viên sẽ kiểm tra độ nghiêng của mạch cắt (kerf angularity) cũng như tình trạng thực tế của các linh kiện tiêu hao trên mỏ cắt.
Giảm thiểu số lần đục lỗ Một số thợ có thể dựa vào kỹ thuật cắt chuỗi (chain cutting), một phương pháp giúp duy trì tia hồ quang plasma ở chế độ cắt xuyên suốt phần lớn tấm phôi nest (*). Ngay khi mỏ cắt hoàn thành biên dạng của một chi tiết, nó sẽ cắt qua phần xương tôn thừa (skeleton web) và bắt đầu vào chi tiết tiếp theo. (*) Nest: là cách sắp đặt vị trí của nhiều chi tiết cần cắt khác nhau lên trên cùng một tấm kim loại lớn, sao cho các chi tiết này khít vào nhau nhất có thể, nhằm tận dụng tối đa diện tích bề mặt tấm và giảm thiểu phần phế liệu thừa (vật liệu vụn).
Ông Santana nói rằng: “Kỹ thuật này giúp giảm số lần phải đục lỗ trên một tấm phôi nest”. Đồng thời ông lưu ý rằng chiến lược này cũng đi kèm với không ít thách thức. “Thật sự, tôi không thấy kỹ thuật cắt chuỗi được ứng dụng thường xuyên trong công nghệ cắt plasma.”
Khi thực hiện quy trình đục lỗ tĩnh, các bộ nguồn plasma hiện đại sở hữu mức điện áp cần thiết để chuyển đổi hồ quang ngay từ độ cao đục lỗ
Điều này xuất phát từ một vài lý do. Kỹ thuật cắt chuỗi không thể áp dụng cho các lỗ tròn, rãnh hở hoặc các biên dạng bên trong khác của chi tiết. Ngay cả khi một tấm phôi nest chỉ gồm các chi tiết không có biên dạng trong, cắt chuỗi vẫn làm hạn chế các tùy chọn đường chạy dao của chương trình. Ông Santana nói rằng: “Trên thực tế, có rất nhiều chi tiết có các biên dạng bên trong. Điều này vô cùng phổ biến. Người thợ chắc chắn sẽ phải đục lỗ vào một thời điểm nào đó”. Thay vì tập trung tìm cách né tránh việc đục lỗ, công nhân và các doanh nghiệp phát triển công nghệ cắt plasma đã hướng sự chú ý vào việc hoàn thiện quy trình đục lỗ này.
Cắt từ mép tôn, đục lỗ mồi và đục lỗ kép Việc mồi tia hồ quang plasma ngay tại mép tấm tôn (edge start) mang lại rất nhiều lợi thế. Tia hồ quang plasma khi đó có thể cắt được vật liệu dày hơn, và vì công nhân không phải đục một lỗ rồi ép kim loại nóng chảy phun ngược lên phía mỏ cắt, tuổi thọ của linh kiện tiêu hao sẽ tăng hơn. Để thực hiện kỹ thuật cắt từ mép, mỏ cắt được định vị gần sát cạnh vật liệu. Ngay khi hồ quang chuyển đổi thành công, nó sẽ tự động “hút” về phía mép tấm tôn (nơi nối đất điện). Khi dòng hồ quang đã ổn định, chế độ cắt có thể bắt đầu.
Mặc dù rất phổ biến trong kỹ thuật cắt plasma bằng tay, việc thực hiện cắt từ mép tôn trên bàn cắt plasma CNC lại đặt ra một số vấn đề. Mép của tấm tôn không phải là một vị trí cố định tuyệt đối mà sẽ có sự sai lệch nhỏ giữa tấm này với tấm khác.
Ông Santana chia sẻ: “Bởi vì tấm tôn không nằm ở một vị trí cố định trong tất cả các lần lên phôi, nhà máy sẽ cần người thợ có đủ kinh nghiệm, hoặc phải đầu tư vào các thiết bị ngoại vi chuyên dụng để đảm bảo máy tìm đúng mép tôn và bắt đầu cắt tại cùng một vị trí trong mọi chu kỳ. Khi tính toán đến thời gian gá đặt và căn chỉnh mà phương pháp này yêu cầu, kỹ thuật cắt từ mép có thể làm giảm năng suất. Chưa kể đối với hầu hết các đơn hàng, luôn có nhiều chi tiết trên một tấm phôi nest bắt buộc phải đục lỗ từ bên trong”.
Chính vì lý do này, kỹ thuật cắt từ mép tôn thường hữu dụng nhất khi người thợ muốn tăng độ dày cắt lên mức tối đa của một bộ nguồn plasma và bộ linh kiện tiêu hao. Phương pháp này cũng có thể kết hợp với kỹ thuật đục lỗ mồi (prepiercing). Đôi khi còn được gọi là “khởi đầu bằng lỗ khoan trước”, về bản chất đây là một quy trình cắt từ mép nhưng được thực hiện tại một lỗ đã được khoan sẵn. Người thợ sẽ khoan các lỗ định hướng (như sử dụng máy khoan từ hoặc trạm khoan trên máy cắt đa năng) trên khắp tấm phôi nest. Sau đó, mỏ cắt plasma sẽ thực hiện một chuỗi các bước cắt từ mép (tại cạnh của tấm tôn) và đục lỗ mồi tại chính các lỗ đã khoan này.
Một lần nữa, người thợ cần phải xác định chính xác vị trí của mỏ cắt và đảm bảo tia hồ quang được mồi ngay sát cạnh của lỗ khoan đó. Nguyên lý vật lý của cột tia plasma, bao gồm cả xu hướng “ôm sát” lấy mép vật liệu khi mỏ cắt được đặt ở một vị trí chuẩn xác vừa đủ, cần có thời gian tích lũy kinh nghiệm. Những chiến lược đục lỗ như vậy rõ ràng không dành cho những người mới vào nghề.
Trong trường hợp kỹ thuật cắt từ mép không thực hiện được, một số thợ có thể chuyển sang giải pháp đục lỗ kép (double pierce), đặc biệt là khi độ dày tối đa của tấm tôn không cho lựa chọn khác. Kỹ thuật này bao gồm việc đục lỗ lần đầu để xuyên qua một phần độ dày, tiến hành làm sạch xỉ bám, sau đó đục lỗ lần thứ hai để xuyên qua hoàn toàn. Tương tự như kỹ thuật cắt từ mép, phương pháp này cũng yêu cầu sự khéo léo và tinh tế. Ví dụ, người thợ có thể di chuyển mỏ cắt đến sát mép của lỗ đã được đục một phần trước khi đục lần hai, mục đích là để hướng phần kim loại nóng chảy bắn ra xa khỏi các linh kiện tiêu hao của mỏ cắt.
Đục lỗ khi đang di chuyển Trong quy trình đục lỗ động (moving pierce), mỏ cắt sẽ bắt đầu di chuyển ngay sau khi dòng hồ quang được chuyển đổi thành công sang phôi. Ông Santana nói rằng: “Vì mỏ cắt đang di chuyển, lượng kim loại nóng chảy sẽ bắn ngược lên và tạo thành một vệt dài phía sau mỏ cắt. Đồng thời, độ dày vật liệu (nằm bên dưới tia hồ quang plasma) sẽ giảm dần cho đến khi xuyên thủng hoàn toàn tấm tôn. Nhiều người đã thành công với phương pháp này, nhưng nó yêu cầu kỹ thuật và sự khéo léo của người thợ.”
Người thợ cần căn chỉnh chính xác tốc độ di chuyển, đồng thời tính toán đường dẫn vào (lead-in) dài hơn một chút. Trên một số tấm phôi nest, điều này có thể yêu cầu phần xương tôn thừa giữa các chi tiết phải lớn hơn, từ đó làm giảm tỷ lệ tận dụng vật liệu. Khoảng cách di chuyển khi đục lỗ chính là yếu tố then chốt. Điều tối kỵ là mỏ cắt chuyển từ chế độ đục lỗ sang chế độ cắt quá sớm. Ông Santana nhấn mạnh, đây chính là lúc thể hiện sự tinh tế và kinh nghiệm của người thợ.
Kỹ thuật này cũng có những nhược điểm tương tự như phương pháp cắt từ mép, đục lỗ mồi và đục lỗ kép. Quy trình đục lỗ động truyền thống có thể giúp bảo vệ các linh kiện tiêu hao, nhưng nó lại làm tăng thời gian thiết lập gá đặt, do đó làm giảm hiệu suất sản xuất. Phương pháp này cũng yêu cầu các kỹ năng chuyên môn sâu và sự khéo léo mà người thợ phải mất nhiều thời gian mới có thể học hỏi và hoàn thiện.
Đục lỗ với khí bảo vệ Argon Tuy nhiên, kỹ thuật đục lỗ động vẫn mang lại những lợi ích rõ rệt, đặc biệt là trong việc tăng tuổi thọ của linh kiện tiêu hao. Ngày nay, một số nhà máy cơ khí có thể lựa chọn phương pháp đục lỗ động có kiểm soát khi xử lý các loại vật liệu tiệm cận giới hạn độ dày của hệ thống máy, và đây là một giải pháp thay thế tốt cho kỹ thuật cắt từ mép tôn (vốn là phương pháp dễ bị thay đổi tùy thuộc vào dung sai kích thước của tấm tôn cũng như vị trí đặt phôi thực tế trên bàn cắt).
Mỏ cắt plasma đang thực hiện công đoạn đục lỗ trên một tấm nhôm dày. Hãy lưu ý đến độ cao đục lỗ lớn, giúp bảo vệ các linh kiện tiêu hao khỏi vật liệu nóng chảy.
Như ông Santana đã giải thích, đây chính là lúc các công nghệ hỗ trợ kiểm soát quá trình đục lỗ phát huy giá trị. Đó là sự xuất hiện của công nghệ đục lỗ hỗ trợ bằng khí argon.
Công nghệ đục lỗ hỗ trợ bằng khí argon của tập đoàn Hypertherm, về cơ bản sử dụng khí argon như một loại khí bảo vệ. Ông Santana nói rằng: “Công nghệ đục lỗ hỗ trợ bằng khí argon cho phép chuyển đổi hồ quang ở một khoảng cách lớn hơn. Bằng cách đó, ngăn chặn được tình trạng vật liệu nóng chảy bắn ngược lên và làm hỏng các linh kiện tiêu hao. Từ đó, vừa bảo toàn được tuổi thọ của linh kiện, lại vừa không phải sử dụng đến các kỹ thuật phức tạp như đục lỗ động hay đục lỗ mồi.”
Trên một hệ thống nguồn cắt 460 ampe (dòng XPR), mỏ cắt có thể thực hiện một chu kỳ đục lỗ tĩnh trên tấm thép cacbon thấp (thép đen) dày 2,5 inch ở độ cao đục lỗ cách bề mặt vật liệu 1,25 inch, với thời gian trễ đục lỗ là 4,5 giây, sau đó mỏ cắt mới hạ xuống độ cao cắt tiêu chuẩn là 0,5 inch. Đối với vật liệu dày 635 mm, độ cao đục lỗ là 21,59 mm và thời gian trễ đục lỗ là 2 giây, sau đó mỏ cắt hạ xuống cách vật liệu 10,16 mm.
Vật liệu có độ dày từ 69,85 mm trở lên thường vẫn yêu cầu cắt từ mép tôn, ngay cả khi có khí bảo vệ argon. Trên thực tế, cắt từ mép vẫn là phương pháp được ưu tiên cho các vật liệu có độ dày lớn. Mặc dù phương pháp đục lỗ tĩnh không được khuyến khích cho các dải độ dày này, argon vẫn đóng một vai trò quan trọng khi quá trình cắt bắt đầu. Theo giải thích của ông Santana, công nghệ cắt hỗ trợ bằng khí argon giúp tăng khả năng cắt độ dày của hệ thống plasma một cách hiệu quả, đến 101,6 mm đối với thép carbon và 127 mm đối với thép không gỉ (sử dụng bộ nguồn XPR 460 ampe).
Ông Santana kết luận: “Argon, một loại khí trơ, về cơ bản giúp duy trì dòng hồ quang ổn định trên một khoảng cách dài hơn, từ đó cho phép cắt được vật liệu dày hơn”.
Nắp bảo vệ làm mát bằng chất lỏng Ông Santana cho biết thêm rằng công nghệ hỗ trợ bằng khí argon đã giúp các nhà máy cắt plasma mở rộng phạm vi ứng dụng của phương pháp đục lỗ tĩnh truyền thống lên các thế hệ vật liệu dày hơn. Và một lần nữa, khi xử lý các dải độ dày lớn, khí argon sẽ hỗ trợ đắc lực để tạo ra một quy trình đục lỗ động có kiểm soát.
Trong một số trường hợp, ông Santana khuyến nghị có thể kết hợp thêm một công cụ khác, sử dụng độc lập hoặc song song với công nghệ hỗ trợ bằng khí argon, nhằm tăng tuổi thọ linh kiện tiêu hao: đó là nắp bảo vệ làm mát bằng chất lỏng (liquid-cooled shielding). Trong quy trình này, công nghệ mà tập đoàn Hypertherm gọi là PowerPierce sẽ sử dụng nước để làm mát đầu phun, ngăn không cho kim loại nóng chảy bám dính vào và đẩy lùi các tia xỉ bắn tóe. Trên một số hệ thống máy nhất định, công nghệ này có thể tối ưu hóa quy trình đục lỗ động, giúp người thợ không cần sử dụng phương pháp cắt từ mép tôn.
Tính ổn định Ông Santana cho biết kỹ thuật cắt từ mép tôn hoàn toàn không có nhược điểm nào về mặt chất lượng. Đây vẫn là giải pháp tối ưu nhất để bắt đầu một mạch cắt trên các tấm tôn có độ dày lớn. Tuy nhiên, phương pháp này lại vô tình đưa thêm một yếu tố khác có ảnh hưởng đến sản xuất, đó là vị trí của tấm tôn.
Tổng quan quy trình sản xuất tại nhiều nhà máy gia công kết cấu hạng nặng, sẽ khó thấy vấn đề gặp phải nằm ở khâu cắt plasma. Thế nhưng, ngay cả đối với các nhà máy chuyên gia công cắt, việc tăng tốc độ cắt đơn thuần sẽ không mang lại sự cải tiến bền vững nếu quy trình đó không thể tạo ra các chi tiết chất lượng một cách đồng đều trong một khoảng thời gian định trước. Nếu máy móc phải dừng hoạt động liên tục và khối lượng công việc làm lại quá nhiều (như mài sửa mép cắt quá mức hoặc phải cắt lại từ đầu) do linh kiện tiêu hao bị mài mòn sớm, từ đó sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến kế hoạch sản xuất tổng thể.
Cũng như các công nghệ gia công kim loại khác, bản chất của cắt plasma là việc cân đối giữa các yếu tố đánh đổi để tạo ra sản lượng lớn nhất mà vẫn đáp ứng hoặc vượt trội hơn các yêu cầu về chất lượng. Để làm được điều này, không một yếu tố đơn lẻ nào có thể xem xét một cách tách biệt. Tổng thời gian chu kỳ bao gồm sự kết hợp giữa thời gian cắt và thời gian đục lỗ (và đối với vật liệu dày, là thời gian cắt từ mép). Nếu bỏ qua công đoạn đục lỗ, đồng nghĩa người thợ đã bỏ lỡ một phần quan trọng trong tổng thời gian gia công. Đó cũng là lý do vì sao một quy trình đục lỗ được tinh giản và kiểm soát tốt có thể tạo nên sự khác biệt hoàn toàn cho năng suất của nhà máy.
Để xem các tin bài khác về “Cắt plasma”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: The Fabricator
