JP2012501250A - 可変シールドガス組成を使用した高品質の穴切断 - Google Patents

Abstract

【課題】大きなフィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅ）または輪郭に関する生産性および切断の質を維持しながら、小さな内側部分のフィーチャまたは穴に関する切断の質を大幅に改善することにある。
【解決手段】輪郭を切断している間、シールドガス流れが第１のシールドガス組成を含み、穴を切断している間、シールドガス流れが第２のシールドガス組成を含むように、ノズル、電極、およびシールドガス流れの組成を制御する制御ユニットを含むプラズマトーチ先端構成を有するプラズマトーチシステム用の方法および装置。
【選択図】図４

Description

[001]本発明は、一般に、プラズマアーク切断トーチに関する。より詳細には、本発明は、プラズマトーチチップ構成を使用した加工物において穴および輪郭を切断する方法および装置に関する。

[002]プラズマ切断は、一般に、ガス流れをプラズマ状態に加熱するために絞られた電気アークを使用して行われる。高温のプラズマ流れからのエネルギーが、加工物を局所的に溶融する。多くの切断プロセスに対して、補助的なガス流れ（シールドガス流れ、またはシールド流れとしても知られる）が使用されて、トーチを保護し、切断プロセスを補助する。高温のプラズマ流れおよびシールド流れの運動量は、溶融材料を除去するのを補助し、加工物内にカットカーフとして知られるチャネルを残す。

[003]プラズマトーチと加工物の間の相対運動により、プロセスが加工物を効果的に切断するのに使用できるようになる。シールドガスは、プラズマガスおよび加工物の表面と相互作用し、切断プロセスにおいて重要な役割を果たす。ノズルオリフィスの下流側では、プラズマおよびシールドガス流れが接触し、熱伝達および物質移動を可能にする。

[004]参考として、図１は、既知の自動化されたプラズマトーチシステムの図である。自動化されたトーチシステム１０は、切断テーブル２２およびトーチ２４を含むことができる。自動化されたシステムで使用することができるトーチの１つの例として、ニューハンプシャー州ＨａｎｏｖｅｒのＨｙｐｅｒｔｈｅｒｍ（登録商標）社によって製造されたＨＰＲ２６０オートガスシステムがある。次いで、トーチ高さ制御装置１８が、ガントリ２６に装着することができる。自動化されたシステム１０は、駆動システム２０も含むことができる。トーチは、電源１４によって電力供給される。自動化されたトーチシステム１０は、ニューハンプシャー州ＨａｎｏｖｅｒのＨｙｐｅｒｔｈｅｒｍ（登録商標）社によって製造された、たとえばＨｙｐｅｒｔｈｅｒｍ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｖｏｙａｇｅｒなどのコンピュータ数値制御装置１２（ＣＮＣ）も含むことができる。ＣＮＣ１２は、動作パラメータを決定するためにＣＮＣ１２が使用する情報を入力または読み取るためにトーチのオペレータによって使用されるディスプレイスクリーン１３を含むことができる。いくつかの実施形態では、動作パラメータは、切断速度、トーチ高さ、ならびにプラズマガス組成およびシールドガス組成を含むことができる。ディスプレイスクリーン１３は、動作パラメータを手動で入力するためにオペレータによって使用することもできる。トーチ２４は、トーチ本体（図示されない）およびトーチ本体の前端部に装着されたトーチ消耗部品（ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅ）も含むことができる。ＣＮＣ１２の構成のさらなる議論は、Ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍ社に譲渡された米国特許出願公開第２００６／０１０８３３３号に見出すことができ、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

[005]図２は、消耗部品およびガス流れを含む既知のプラズマアークトーチチップ構成の断面図である。電極２７、ノズル２８、およびシールド２９は、プラズマガス３０が電極の外側とノズルの内側表面との間を流れるように共に重ね合わされている。プラズマチャンバ３２は、電極２７とノズル２８の間に画成される。プラズマアーク３１は、プラズマチャンバ３２内に形成される。プラズマアーク３１は、ノズルの前端部のプラズマアークオリフィス３３を通ってトーチチップを出る。シールドガス３４は、ノズルの外側表面とシールドの内側表面との間を流れる。シールドガス３４は、シールドの前端部のシールド出口オリフィス３５を通ってトーチチップを出て行き、プラズマアークを囲むように構成することができる。いくつかの例では、シールドガスは、同様にシールド２９内に配置されたブリード穴３６を通ってトーチチップを出て行く。プラズマトーチ消耗部品の１つの例として、８０アンペアの電流で軟鋼を切断するためのＨＰＲ１３０システム用のニューハンプシャー州ＨａｎｏｖｅｒのＨｙｐｅｒｔｈｅｒｍ（登録商標）社によって製造された消耗部品がある。

[006]シールドガス流れの一部分は、プラズマガスと共にカットカーフに入ることができ、切断アークと加工物表面３７の間に境界層を形成する。この境界層の組成は、アークから加工物表面への熱伝達、および加工物表面に生じる化学反応に影響する。

[007]多くのガス混合物が、プラズマ切断プロセスでのプラズマガスおよびシールドガスの両方に使用される。たとえば、軟鋼を加工するために、プラズマガスとして酸素が使用され、シールドガスとして空気が用いられる。いくつかの低電流加工（たとえば６５Ａ未満）では、薄い材料（たとえば１０ゲージ未満の加工物など）を切断するために、酸素がプラズマガスとシールドガスの両方に使用される。酸素プラズマガス／空気シールドガスの組合せは、高切断速度で大きな部品を高品質かつスラグを最小限に抑えて生成することができるので、５０アンペアを超えるアーク電流で軟鋼に用いるものとして一般に知られている。そのような切断プロセスは、いくつかの欠点を有する。たとえば、酸素プラズマガス／空気シールドガス構成は大きな断面を直線的な縁によってきれいに切断できるが、そのようなガスの組合せは、高品質の穴を形成することができない。その代わりに、酸素プラズマガスおよび空気シールドガスによる穴切断は、かなりの「傾斜」または「テーパ」を有する。傾斜またはテーパは加工物の底面での直径がプレートの上面での直径よりも小さい場合に生じる。空気シールドガスを使用して切断されたボルト穴において、加工物の上部における穴の直径が、穴を通過するボルトの大きさに適合するように切断された場合、空気シールドガスを使用して切断される穴のテーパにより、加工物の底部における穴の直径がボルトの直径よりも小さくなり、ボルトが加工物の底部を通過するのを妨げる可能性がある。この種の事例では、リーマ加工またはドリル加工などの補助的なプロセスが、加工物の底部でボルト穴の直径を拡大するために求められる。穴切断の質を確実にするこの従来の方法は、時間を浪費し、単一の加工物で穴および輪郭を切断するより効率的な方法が必要であることを示唆する。

[008]本発明は、大きなフィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅ）または輪郭に関する生産性および切断の質を維持しながら、小さな内側部分のフィーチャまたは穴に関する切断の質を大幅に改善する。単一の加工物において穴および輪郭を切断する場合に、シールドガス組成を変えることによって、本発明は、補助的なプロセスの必要をなくす。たとえば、輪郭を切断している間、シールドガス流れは、第１のシールドガス組成を有することができ、穴を切断している場合、シールドガス流れは、第２のシールドガス組成を有する。

[009]１つの態様では、本発明は、プラズマトーチによって加工物において、穴および輪郭を切断するための方法を特徴とする。１つの実施形態では、方法は、プラズマチャンバを画成するノズルおよび電極を含むプラズマトーチを含み、プラズマアークは、プラズマチャンバ内で生成される。１つの実施形態では、プラズマトーチは、プラズマアークトーチへのシールドガス流れを供給するためのシールドガス供給ライン、および切断速度およびシールドガス組成を含む切断パラメータを制御するための制御ユニットも含む。１つの実施形態では、方法は、輪郭が切断された場合に、シールドガスが第１のシールドガス組成を含み、穴が切断された場合に、シールドガスが第２のシールドガス組成を含むように切断パラメータを制御するステップを含む。いくつかの実施形態では、第１のシールドガス組成は、第２のシールドガス組成と異なる。

[010]別の態様では、本発明は、プラズマトーチ切断動作において小さな内側フィーチャの切断特性を改善する方法を特徴としている。１つの実施形態では、方法は、第２のシールドガス組成を使用する小さな内側フィーチャを切断するステップであって、小さな内側フィーチャは加工物の予期した輪郭切断部の中に配置されるステップと、第１のシールドガス組成を使用して予期した輪郭切断部に対応する輪郭を切断するステップを含む。

[011]別の態様では、本発明は、プラズマアークトーチを使用して、加工物において穴および輪郭を切断するための方法を特徴とする。プラズマアークトーチは、プラズマチャンバ内で生成されたプラズマアークが加工物を切断するために使用されるように、プラズマチャンバを画成するノズルおよび電極、ならびにシールドガス流れをプラズマトーチに送るシールドガス供給ラインを含むことができる。１つの実施形態では、方法は、加工物において穴を切断するステップを含み、シールドガス流れは、穴の縁の傾斜が実質的になくなるように選択される第２のシールドガス組成を含む。１つの実施形態では、方法は、輪郭を切断するステップであって、シールドガス流れが第１のシールドガス組成を含むステップと、穴を切断する間、第２のシールドガス組成が第１のシールドガス組成よりも少ない窒素を含むように第１のシールドガス組成および第２のシールドガス組成を制御するステップとを含むこともできる。

[012]別の態様では、本発明は、プラズマアークトーチを使用して、加工物において穴を切断するための別の方法を特徴とする。方法は、高電流消耗部品を含むプラズマアークトーチを含むことができ、高電流消耗部品は、プラズマチャンバを画成するノズルおよび電極を含む。１つの実施形態では、方法は、５０アンペアを超えるアーク電流を使用して、プラズマチャンバ内でプラズマアークを生成するステップと、穴が切断されているとき、シールドガス組成が、穴の側壁にいかなる傾斜の可能性も実質的になくなるような窒素の量を含むようにシールドガス流れのシールドガス組成を制御するステップとを含むこともできる。

[013]本発明は、１つの態様では、加工物において、穴および輪郭を切断するためのプラズマトーチシステムを特徴とする。１つの実施形態では、プラズマトーチシステムは、プラズマチャンバを画成するノズルおよび電極を含むプラズマトーチチップ構成を含み、プラズマアークが、プラズマチャンバ内で生成される。１つの実施形態では、プラズマトーチシステムは、プラズマトーチチップへのシールドガス流れを供給するためのシールドガス供給ライン、およびシールドガス流れの組成を制御するための制御ユニットも含む。１つの実施形態では、制御ユニットは、輪郭を切断している間、シールドガス流れが第１のシールドガス組成を含み、穴を切断している間、シールドガス流れが第２のシールドガス組成を含むように、シールドガス流れの組成を制御する。１つの実施形態では、この改善は、制御ユニットで動作可能な、情報担体において有形に具体化されたコンピュータ読取可能製造物（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｐｒｏｄｕｃｔ）を備え、コンピュータ読取可能製造物は、輪郭を切断しているときは、第１のシールドガス組成を選択し、穴を切断しているときは、第２のシールドガス組成を選択する指令を含むプラズマアークトーチシステムに関する切断情報を含む。

[014]別の態様では、本発明は、情報担体に有形に具体化され、プラズマトーチシステムにおいて使用するためのＣＮＣで動作可能なコンピュータ読取可能製造物を含む構成要素を特徴としている。１つの実施形態では、コンピュータ読取可能製造物は、穴を切断している間は、シールドガス流れが第２のシールドガス組成を含み、輪郭が切断されているときは、シールドガス流れが第１のシールドガス組成を含むような指令を含む、プラズマアークトーチを使用して加工物から穴および輪郭を切断するための切断情報を含む。

[015]別の態様では、本発明は、シールドガス流れの組成を含むプラズマトーチの切断パラメータを制御するためのコンピュータ数値制御装置を特徴としている。１つの実施形態では、制御装置は、プロセッサ、電子記憶デバイス、プラズマアークトーチに制御指令を出すインターフェース、およびプラズマトーチ用のシールドガス流れの組成を選択するための参照表を含む。１つの実施形態では、制御装置は、プラズマトーチが、加工物において穴または輪郭を切断するかどうかに従ってシールドガス流れの組成を制御する。

[016]任意の上記の態様は、１つまたは複数の以下の特徴を含むことができる。第２のシールドガス組成は、穴の縁の傾斜が実質的になくなるように、第１のシールドガス組成よりも少ない窒素を含むことができる。いくつかの実施形態では、加工物は軟鋼であり、いくつかの実施形態では、第１のシールドガス組成は空気であり、いくつかの実施形態では、第２のシールドガス組成は酸素である。第２のシールドガス組成は、穴の切断中に基本的に酸素からなることもできる。１つの実施形態では、シールドガス流れの流量は、穴の切断の間に低下させる。トーチの切断速度は、穴の切断の間に低下させることができる。１つの実施形態では、切断パラメータを制御するステップは、加工物の厚さに対する穴の直径の比率に従って第２のシールドガス組成を制御するステップをさらに備えることができる。比率は、２．５以下であることができる。いくつかの実施形態では、比率は１以下である。いくつかの実施形態では、比率は、０．７以下であり、および／または穿孔の貫通の大きさによって制限されている。

[017]任意の上記の態様は、１つまたは複数の以下の特徴を含むことができる。１つの実施形態では、切断パラメータを制御するステップは、アーク終止に対する電流増加シーケンスを含むことができ、増加は輪郭切断および穴切断の両方に関して一定である。切断パラメータを制御するステップは、第２のシールドガス組成が、第１のシールドガス組成よりも総体積の割合として少ない窒素を含み、それによって穴の縁の傾斜が実質的に低下するように、シールドガス流れの窒素の量を制御するステップをさらに含むこともできる。

[018]任意の上記の態様は、１つまたは複数の以下の特徴も含むことができる。１つの実施形態では、方法は、プラズマトーチシステムに使用するＣＮＣで動作可能な、情報担体において有形に具体化される、コンピュータ読取可能製造物を提供するステップ含むことができ、コンピュータ読取可能製造物は、輪郭を切断しているとき、第１のシールドガス組成を選択し、穴を切断しているとき、第２のシールドガス組成を選択する指令を含むプラズマアークトーチに関する切断情報を含む。いくつかの実施形態では、第２のシールドガス組成は、加工物の厚さに対する穴の直径の比率に従って選択することができる。また、いくつかの実施形態では、切断情報は、穴が切断されるとき、制御ユニットが加工物の厚さに対する穴の直径の比率に従って第２のシールドガス組成を制御するような指令を含む。

[019]本発明の１つの利点は、一般に輪郭切断で達成される生産性およびスラグのレベルを維持しながら、高品質のプラズマ切断穴を生産することである。本発明の別の利点は、より高価なシールドガス混合物を短い間の穴切断への使用に限定することによって、全体の部品コストへの影響も最小限に抑えることでもある。

[020]本発明のさらなる利点は、オペレータが、単一の加工物において穴および輪郭を切断する場合に、単一の構成のトーチ消耗部品を使用できるようにすることで、時間効率が改善され、同時に穴切断および輪郭切断の両方に関して、単一のシールドガスの従来切断技術を使用する場合に見られる質の劣化を防止することである。

[021]本発明の上記およびその他の目的、態様、特徴、および利点は、以下の説明および特許請求の範囲からより明白になる。
[022]これらの特徴およびその他の特徴は、例示的であり、必ずしも縮尺通りではない添付の図面と共に読めば、以下の詳細な説明を参照することによって、より完全に理解されよう。

テーブルに装着されたトーチを示す、既知の機械化されたプラズマアークトーチシステムの図である。 既知のプラズマアークトーチチップの断面図である。 予期した穴および輪郭の切断アウトラインを示すサンプルの加工物である。 提唱されたガスシステムを有するプラズマアークトーチシステムのブロック図である。 本発明の例示の実施形態による、ガス流れがどのように操作できるかを示す流れ図である。 穴切断動作の間の移動経路を示す。 軟鋼を切断するための本発明の例示の実施形態で使用することができる、異なるガスの組合せを示す表である。 穴の円筒度を決定するために使用される許容誤差の測定を示す。 従来技術の切断プロセスによって切断された穴の断面を示す。 本発明の実施形態によって切断された穴の断面である。

[0033]本発明では、単一のプラズマトーチの消耗部品構成を使用している間、単一の加工物において、第１のシールドガス組成が、輪郭を切断する場合に使用でき、第２のシールドガス組成が、１つまたは複数の穴または小さな内側フィーチャを切断する場合に使用できる。

[0034]本明細書で使用される際、穴とは、加工物（プレート）の厚さに対する直径（または寸法）の比率が約２．５以下である形状のことである。図３を参照すると、例として、１５．２４×１５．２４センチメートル（６×６インチ）平方の片で１．２７センチメートル（０．５インチ）厚のプレート鋼１００が示され、そのプレート鋼１００は、１つの実施形態では、より大きな加工物（図示されない）から切断することができる。鋼１００の１．２７センチメートル（０．５インチ）厚のプレートにおいて、２．５４センチメートル（１インチ）直径の穴１０５は、２の比率を有する。本明細書では、穴は、必ずしも円形でない小さな内側部分のフィーチャとして分類することができるが、フィーチャの大部分は、材料の厚さよりも約２．５倍以下の寸法、たとえば、１．２７センチメートル（１／２インチ）のプレート鋼１００において２．５４センチメートル（１インチ）平方１１０を有する。他のすべてのフィーチャは、本明細書で輪郭と呼ばれ、直線的１１５切断部または湾曲した１２０切断部の両方を含むことができる。

[0035]１つの実施形態によって使用することができるトーチシステム構成が図４に示される。１つの実施形態では、穴を切断するためのシールドガス組成はＯ_２である。いくつかの実施形態では、穴を切断する場合に選択されるシールドガス組成は、輪郭を切断するときに使用されるシールドガス組成よりも、含まれる窒素が少ない。いくつかの実施形態では、穴を切断するときに使用されるシールドガス組成は、Ｈｅ、Ｎ_２、Ｏ_２、またはその組合せを含むことができる。

[0036]図４は、本発明の実施形態による自動ガス制御システムを含む、プラズマアークトーチシステムのブロック図である。プラズマトーチシステムは、図１に関連して上記に説明された要素のすべて含むことができる。さらに、トーチシステムは、プラズマガスおよびシールドガスをプラズマアークトーチ４１に提供するガスコンソール４０を含むことができる。プラズマガスおよびシールドガスは、ガスコンソール４０からガス供給ライン４２を通り、いくつかの実施形態では、ガス選択コンソール４５へと流れ、ガス計量コンソール４４は、ガス混合がプラズマトーチ４１へと続く前に、異なるタイプのガスの混合を可能にする。ガス選択コンソール４５は、複数のガスのうちの１つの選択および混合を可能にし、次いで選択されたガスは、ガス計量コンソール４４によって計量することができる。ガスコンソールは、たとえば酸素、窒素、Ｆ５、Ｈ３５、Ｈ５、および空気などを含むガス入力を受けることができる。次いで、ガス計量コンソール４４は、プラズマガスおよびシールドガスを測定することができる。この制御構成は、プラズマシステムが、穴穿孔、穴切断、または輪郭切断のために、必要なシールドガスまたはガス混合物をすばやく充填することができるようにする。たとえば、穴を切断しているとき、本発明の１つの実施形態では、ガスコンソール４０は、穿孔プロセスの間、シールドガスとして空気を供給することができ、金属プレートの穿孔が完了したとき、ガスコンソール４０は穴切断のためにシールドガスからＯ_２に自動的に切り替えることができる。プラズマシステムが、輪郭の切断に移動する場合、ガスコンソール４０は、穿孔プロセスおよび切断プロセスの両方のためのシールドガスとして、シールドガスを切り替えて、空気に戻すことができる。そのようなすばやい切り替えは、ＣＮＣ１２におけるコードまたはプログラミングによって指示できる。

[0037]シールドガス流れを運搬するガス供給ライン４２は、いくつかの実施形態ではシールドガス供給ライン４２Ａと呼ばれる。いくつかの実施形態では、プラズマガス流れを運搬するガス供給ラインは、プラズマガス供給ライン４２Ｂと呼ばれる。いくつかの実施形態では、プラズマガス流れの組成は、バルブ４７を使用して制御される。いくつかの実施形態では、バルブ４７は、オン―オフソレノイドバルブであり、いくつかの実施形態では、バルブは可変ソレノイドバルブである。いくつかの実施形態では、プラズマガスおよびシールドガスは、Ｏ_２、空気、Ｈｅ、Ｎ_２またはそのいくつかの組合せであることができる。ガス計量コンソール４４は、オン／オフバルブ、またはソレノイドバルブでもあることができる、通気弁４８も備えることもできる。いくつかの実施形態では、通気弁４８は、プラズマガスおよびシールドガスのすばやい切り替えを可能にするために使用される。

[0038]ＣＮＣ１２は、プラズマトーチシステムを制御する任意のコンピュータであることができる。ＣＮＣ１２は、プロセッサ、電子記憶デバイス、およびプラズマアークトーチに制御指令を与えるためのインターフェースを有することができる。記憶デバイスは、内蔵型または外付けのものであることができ、加工物において切断する部分に関するデータを含むことができる。他の実施形態では、ＣＮＣ１２は、手動でプログラムすることができ、いくつかの実施形態では、ＣＮＣ１２は、プラズマトーチシステムの動作パラメータを選択または構成することができるコンピュータ読取可能指令を含むコンピュータ読取可能製造物を含むことができる。

[0039]コンピュータ読取可能指令の１つの例を下記に示す。指令は、すべて、ニューハンプシャー州ＨａｎｏｖｅｒのＨｙｐｅｒｔｈｅｒｍ社によって製造された、ＨＰＲ ２６０ Ａｕｔｏｇａｓ Ｃｏｎｓｏｌｅを有するＨｙｐｅｒｔｈｅｒｍ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｖｏｙａｇｅｒ ＣＮＣ制御装置を使用して正方形の輪郭切断部に切断される円形の穴に対応する。Ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ＣＮＣ制御装置によって使用される、下記の例示のコードでは、コードは、穴（Ｇ５９ Ｖ５０３ Ｆ１．０１からＧ５９ Ｖ５０７ Ｆ３１）、および輪郭（Ｇ５９ Ｖ５０３ Ｆ１からＧ５９ Ｖ５０７ Ｆ３１）に関する、２つの別々の切断チャートを提供する。いくつかの実施形態では、他の形のコードまたはコンピュータ読取可能指令は、同様の、またはさらには同一の最終的な出力を提供するために、１つまたは複数の切断チャートと共に使用することができる。特に、左の列は、参照されるコードラインを含み、右の列は全体的に、各コードラインに含まれる一般的な指令の説明を含む。

Ｇ２０ 英国単位を設定する
Ｇ９１ インクリメンタルプログラムモード
Ｇ５９ Ｖ５０３ Ｆ１．０１ 穴用のカスタム切断チャートをロードする
Ｇ５９ Ｖ５０４ Ｆ１３０ 穴用のカスタム切断チャートをロードする
Ｇ５９ Ｖ５０５ Ｆ３ 穴用のカスタム切断チャートをロードする
Ｇ５９ Ｖ５０７ Ｆ３１ 穴用のカスタム切断チャートをロードする
Ｇ００Ｘ１．７５００Ｙ−１．７５００ 穴の中心に移動する
Ｍ０７ プラズマスタート
Ｇ０３Ｘ−０．０９７０Ｉ−０．０４８５ 穴モーション
Ｇ０３Ｘ０．００１５Ｙ０．０１６８Ｉ０．０９７０ 穴モーション
Ｇ０３Ｘ０．０２１２Ｙ−０．０７９２Ｉ０．０９５５Ｊ−０．０１６８ 穴モーション
Ｍ０８ プラズマ停止
Ｇ５９ Ｖ５０３ Ｆ１ 輪郭切断用の切断チャートをロードする
Ｇ５９ Ｖ５０４ Ｆ１３０ 輪郭切断用のカスタム切断チャートをロードする
Ｇ５９ Ｖ５０５ Ｆ２ 輪郭切断用のカスタム切断チャートをロードする
Ｇ５９ Ｖ５０７ Ｆ３１ 輪郭切断用のカスタム切断チャートをロードする
Ｇ００Ｘ−１．６７５７Ｙ１．５６２４ 輪郭開始位置に移動する
Ｍ０７ プラズマスタート
Ｇ０１Ｘ０．２５００ 輪郭モーション
Ｇ０１Ｘ３．００００ 輪郭モーション
Ｇ０１Ｙ−３．００００ 輪郭モーション
Ｇ０１Ｘ−３．００００ 輪郭モーション
Ｇ０１Ｙ３．００００ 輪郭モーション
Ｇ０１Ｙ０．２５００ 輪郭モーション
Ｍ０８ プラズマ停止
Ｍ０２ プログラム終了
[0040]いくつかの実施形態では、コンピュータ読取可能製造物は、切断チャートと呼ばれている。いくつかの実施形態では、コンピュータ読取可能製造物（図示されない）、または切断チャートは、トーチ４１が加工物において輪郭を切断しているときは、第１のシールドガスを選択し、同じ加工物においてトーチが穴を切断しているときは、第２のシールドガス組成を選択する指令を含む切断情報を含む。いくつかの実施形態では、切断チャートは、輪郭切断部または穴切断部の、切断のタイプに基づいたシールドガス組成を選択する情報を含む。いくつかの実施形態では、ＣＮＣは、切断チャートに含まれる指令に応じて、１つのシールドガスから別のシールドガスにすばやく切り替えることができる。いくつかの実施形態では、トーチのオペレータは、シールドガス組成を選択し、ＣＮＣ１２は、たとえばトーチのオペレータからの情報の入力に基づいたプラズマガス供給ラインバルブ４４のみを制御するための信号を提供する。

[0041]いくつかの実施形態では、トーチのオペレータは、穴および輪郭切断指令の両方を含む切断プログラムを選択する。また、いくつかの実施形態では、オペレータは、連続的に実行するように設計された、穴切断チャートと輪郭切断チャートを選択する。いくつかの実施形態では、穴切断部は、加工物のＣＮＣ１２によって予期した輪郭切断部内に配置される。切断プログラムが、穴切断および輪郭切断の両方のための指令を含む場合、第２のシールドガス組成を使用して穴が最初に切断され、次いで、第１のシールドガス組成を使用して輪郭切断部が切断されるように、切断チャートがさらなる指令を含む。予期した輪郭切断部の形状内で穴を最初に切断することは、穴が切断されている間の加工物の移動を防止し、したがって部品の輪郭切断部が最初に切断され、穴が次に切断される場合に起こるずれをなくす。

[0042]別の実施形態では、コンピュータ読取可能製造物は、ニューヨーク州ＬｏｃｋｐｏｒｔのＭＴＣ社によって作成されているようなネスティング・ソフトウェアである。ネスティング・ソフトウェアは、第１のシールドガスおよび第２のシールドガスが、切断される部分のＣＡＤ図面に基づいて使用される場合に指示するコードを提供することができる。ネスティング・ソフトウェアは、穴径の加工物の厚さに対する比率に基づいて、穴または小さな内側フィーチャを識別するために、ＣＡＤ図面を使用することができる。次いで、ネスティング・ソフトウェアは、輪郭を切断しているときには、第１のシールドガスが使用され、穴が切断されているときには、第２のシールドガスが使用されるように、ＣＮＣ１２に指令を与えることができる。あるいは、ＣＮＣは、ネスティング・ソフトウェアから指令を与えられずに、穴切断および輪郭切断のための適切なシールドガスを選択するソフトウェア含むことができる。

[0043]図５は、本発明の原理を実施するために、コンピュータ数値制御装置（ＣＮＣ）などのプロセッサをどのように使用して、ガス流れを操作することができるかを示す流れ図である。図５は、情報担体において実施されるコンピュータ読取可能製造物内に含むことができる流れ動作の実施形態を示す。その他の実施形態も、本発明の範囲内にある。図５に示されるように、切断される部分を含むＣＡＤファイルがＣＮＣまたはネスティング・ソフトウェアに提供され５１０、切断チャートに含まれる指令に基づいて、ＣＮＣがシールドガス組成を選択する。別の実施形態では、ネスティング・ソフトウェアに含まれる指令は、シールドガス組成を決定する。いくつかの実施形態では、ＣＮＣは、穴または輪郭が切断されているかどうか決定するためにコンピュータ読取可能指令を使用したのち、トーチに電源が入り５２０、アークが加工物に伝達される５３０。アークが開始された場合、たとえば図７に示される組合せの開始のシールドガスおよびプラズマガスが使用される。アークが加工物に伝達された後に、トーチが加工物に下げられ、アークが加工物を穿孔する５３０。１つの実施形態では、アークは、空気を穿孔シールドガスとして使用し、加工物を穿孔する。穿孔ステップが完了した後、ＣＮＣは、コンピュータ読取可能指令を使用して、穴または輪郭が切断されるかどうかに応じて、適切なシールドガスを選択する。いくつかの実施形態では、穴が切断されるか、輪郭が切断されるかについての決定（および適切なシールドガス組成の選択）は、加工物の厚さに関連した穴の寸法の調査に基づいている。１つの実施形態では、穴の直径が加工物の厚さの約２．５倍以下の場合、穴が切断され、ＣＮＣは第２のシールドガスを選択する５５０。いくつかの実施形態では、穴切断のために選択されたシールドガス組成はＯ_２であり、いくつかの実施形態では、シールドガス組成は、Ｏ_２、Ｈｅ、Ｎ_２、またはその組合せである。いくつかの実施形態では、シールドガス組成に関する指令は、切断チャートの指令に含まれている。第２のシールドガスが選択された後に、ＣＮＣは、第２のシールドガス組成がシールドガス供給ラインを通って流れるようにシールドガス流れを制御する。次いで、穴は、切断チャートに含まれる指令によって決定され、またはネスティング・ソフトウェアによって指定された第２のシールドガス組成を使用して、加工物において切断される５６０。１つまたは複数の穴が加工物において切断された後に、ＣＮＣが輪郭切断動作を開始する５７０。ＣＮＣが輪郭切断動作を開始すると、輪郭切断に関して開始のシールドガスおよびプラズマガスを使用して、アークが再び開始される５３０。次いで、アークが加工物を穿孔し５４０、輪郭切断が開始すると、ＣＮＣが輪郭切断動作に関して第１のシールドガスを選択する５８０。

[0044]輪郭が切断されることが決定されると、ＣＮＣが輪郭切断に関して第１のシールドガス組成を選択する５８０。輪郭の認識は、切断部の形状に基づいて選択することができ、または内側フィーチャの場合には、切断される開口の直径と加工物の厚さとの比率に基づいたものであることができる。いくつかの実施形態では、輪郭を切断しているとき、アークの開始、加工物の穿孔、および輪郭切断のすべてが、単一のシールドガス組成、すなわち第１のシールドガス組成を使用して行われる。いくつかの実施形態では、アークの開始および加工物の穿孔の間のシールドガスは、加工物において輪郭形状を切断しているときに使用されるシールドガスと異なる。

[0045]加工物において穴または輪郭を切断しているとき、同じ作業ステップに従うことができるが、各ステップに関して異なるシールドガス組成を選択することができる。図６は、穴切断の間に追従される例示の移動経路を示し、その移動経路は、加工物の上部に沿って完全にトレースされる。最初に、プラズマガス流れおよびシールドガス流れは、アーク電流と共に開始することができる。ガス流れおよび電流アークの開始は、オペレータによって使用される消耗部品およびトーチ構成に基づいて、変わることができる。すべてがＨｙｐｅｒｔｈｅｒｍ（登録商標）社に譲渡され、全体が参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第５，０７０，２２７号、米国特許第５，１６６，４９４号、および米国特許第５，１７０，０３３号は、プラズマアークの開始、動作、および停止、ならびに切断プロセスの間に使用できる、様々なガス流れおよび電流設定を記載する。プラズマアークは、開始した後に、加工物に伝達される。アークが加工物に伝達された後に、いくつかの実施形態では、トーチ高さはトーチ高さ制御装置を使用して下げられる。穴切断は、プラズマアークを使用して、最初に加工物を穿孔することによって加工物において始まる。プラズマアークによって加工物が貫通して穿孔された後に、シールドガスが穴切断に最適化された第２のシールドガス組成に切り替える。いくつかの実施形態では、トーチは、穴切断パターンに沿って加工物内に穴を切断するために加工物全体を横断して移動し始め、その穴切断パターンは、いくつかの実施形態では、プラズマおよびシールドを引き寄せる部分によって決定することができる。図６は、加工物における穴切断の穿孔位置５１、サークリング開始位置５２、サークリング終了位置５３、および縁部５４を含む例示の実施形態を示す。

[0046]図７は、本発明の実施形態に使用できるガスの組合せの例を示す表である。１つの実施形態では、ガスは、穴切断または輪郭切断などの、行われるプラズマトーチ動作に基づいた、最適のガス切断特性を提供するように選択される。この図に示されているガスは、軟鋼切断に適用するためのものである。本発明はその他の材料を切断する際に使用することができるが、異なるシールドガスが、そのような材料により適していることができる。いくつかの実施形態では、ＨｅおよびＮ_２の混合物が、ステンレス鋼またはアルミニウムを切断する穴シールドガスに関して、酸素の代わりに使用することができる。

[0047]図７に実証された実施形態では、輪郭または穴を切断している間、システムは、プラズマアーク開始の間にプラズマガスおよびシールドガスとして空気を提供する。空気は、アークの開始の間にＯ_２と比べてより優れた消耗部品の寿命をもたらす傾向にあるので、プラズマガスとして使用される。アークが開始し、加工物に伝達された後に、プラズマガスがＯ_２に変更され、シールドガスが穿孔プロセスに関する空気としてそのまま残る。この場合に、電流が切断電流に上昇されたとき、ノズルへの損傷を防止するために、プラズマガスが、ノズル設計に適切なガス、この実施形態ではＯ_２に切り替えられる。ほとんどの場合に、最大切断電流に達したときに切断ガスがあることが望ましい。一方で、穿孔プロセスに関するシールドガスは空気としてそのまま残る。穿孔動作に関する空気シールドガスは、より小さな穿孔貫通を残すことが示され、それは加工物において廃物を抑える。加工物が穿孔された後に、プラズマトーチが、トーチの動作によって貫通の縁に沿って切断を開始する。穿孔と切断を識別することが重要である。穿孔において、トーチは一般に静止し、目的は、加工物を完全に通って貫通することである。切断は、一方で、所望の形状を形成するために、露出した縁を切断することによって、トーチを移動することを伴う。

[0048]図７の表を再び参照すると、穿孔ステップの後に、輪郭か穴かの切断のタイプに基づいてシールドガスを選択することができる。輪郭を切断する際には、シールドガスおよびプラズマガスが、変更されないまま残る。Ｏ_２のプラズマガスと空気のシールドガスの組合せを使用して輪郭を切断する場合に、Ｏ_２のプラズマガスと空気のシールドガスの組合せは、直線的なスラグのない縁および速い切断速度を可能にするが、大きな角度のテーパまたは傾斜を有する穴を形成する傾向になり、質の低い穴を形成する。穴または小さな内側フィーチャを切断する場合に、Ｏ_２をプラズマガスとして保ち、シールドガスもＯ_２に切り替えることによって、穴のテーパは、なくならないとしても低減される。軟鋼を切断する場合にＯ_２シールドガスを使用することによって、シールドガス内の窒素の量が低下されるので、テーパは空気と比べて低減される。したがって、低い窒素含有量を有するその他のガスまたはガス組成が、図７の実施形態に使用することができた。他の実施形態では、異なる組成の組合せを有するシールドガスが、穴を切断しているときに使用することができる。

[0049]上記に示したように、シールドガス組成は、行われている穴切断の縁部のテーパ、または傾斜に影響を与えることが分かっている。傾斜は、完成した穴切断の円筒度によって測定することができる。円筒度は、２つの同軸の円柱によって確立された公差領域として定義され、図８Ａに示すように、それらの円柱の間に、円筒の穴の表面が配置されなければならない。図８Ａでは、公差領域は、２つの矢印８１の間の空間として定義することができる。公差領域が小さいほど、表面は、より完全な円筒を示す。一方で、穴における大きなテーパまたは傾斜は、大きな公差領域を生じる。穴の円筒度は、座標測定器（「ＣＭＭ」）を使用して測定することもできる。

[0050]図８Ｂは、従来技術の切断プロセスを使用した、すなわち、同じ加工物において輪郭切断および穴切断の両方に関して同じシールドガス組成を使用した、穴切断の断面の別の例である。図８Ｂでは、穴の円筒度（「テーパ」または「傾斜」）は、穴の縁７４の上部７１、中間部７２、および底部７３での直径の測定値に等しい直径を有する、同軸の円柱を形成することによって測定することができる。直径の間の最も大きな差が、矢印８１の間の空間によって示される。図８Ｂにおける２つの基準円筒の半径の間の大きな差が、低い質の穴を示している。そのような穴は、かなりのポスト切断処理を必要とする可能性がある。

[0051]図９は、本発明の実施形態によって切断された穴の断面である。図９では、穴の円筒度（「テーパ」または「傾斜」）は、穴の縁７４の上部７１、中間部７２、および底部７３での直径の測定値に等しい直径を有する、同軸の円柱を形成することによっても測定することができる。図９では、穴切断の縁の傾斜またはテーパが図８Ａおよび図８Ｂの穴の縁の傾斜と比較して大幅に低減されることが理解できる。さらに、円筒度の低減は、図８Ａおよび８Ｂと比較して、矢印８１の間の距離の減少によっても理解することができる。穴の縁の傾斜またはテーパの低下によって、２つの同軸の円筒の間の円筒度公差領域が最小になり、ポスト切断処理をまったく必要としない、はるかに高い質の穴を生じる。

[0052]本発明を特定の実施形態を参照して具体的に示し、説明してきたが、本明細書に説明されたものの他の態様が、当分野の通常の技術での切断システムにおいて実施することができる。形態および詳細における様々な変更は、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく行うことができることを当業者は理解すべきである。

Claims (29)

1. 加工物において穴および輪郭を切断する方法であって、
   プラズマチャンバを画成するノズルおよび電極を有するプラズマアークトーチ、前記プラズマチャンバ内で生成されたプラズマアーク、シールドガス流れを前記プラズマアークトーチに供給するシールドガス供給ライン、およびシールドガス組成を含む切断パラメータを制御するための制御ユニットを提供するステップと、
   前記ノズルおよび電極を変更せずに前記穴および前記輪郭を切断するために前記プラズマアークトーチを使用するステップと、
   前記輪郭が切断される場合に、前記シールドガスが第１のシールドガス組成を含み、前記穴が切断される場合に、前記シールドガスが第２のシールドガス組成を含むように前記切断パラメータを制御するステップであって、前記第１のシールドガス組成が前記第２のシールドガス組成と異なるステップを含む方法。
2. 請求項１に記載のプラズマトーチシステムにおいて、前記切断パラメータを制御するステップが、前記加工物の厚さに対する前記穴の直径の比率に従って前記第２のシールドガス組成を制御するステップをさらに含むことができるプラズマトーチシステム。
3. 請求項２に記載のプラズマトーチシステムにおいて、前記比率が２．５以下であるプラズマトーチシステム。
4. 請求項１に記載の方法において、前記切断パラメータを制御する前記ステップが、前記第２のシールドガス組成が、前記第１のシールドガス組成よりも総シールドガス体積の割合として少ない窒素を含み、それによって前記穴の円筒度が実質的に低下するように、前記シールドガス流れにおける窒素の量を制御するステップをさらに含む方法。
5. 請求項１に記載の方法において、
   プラズマトーチシステムに使用するＣＮＣで動作可能な、情報担体において有形に具体化される、コンピュータ読取可能製造物を提供するステップであって、前記コンピュータ読取可能製造物が、前記輪郭を切断しているとき、前記第１のシールドガス組成を選択し、前記穴を切断しているとき、前記第２のシールドガス組成を選択する指令を含む前記プラズマアークトーチに関する切断情報を含むステップをさらに含む方法。
6. 請求項５に記載の方法において、加工物の前記厚さに対する前記穴の直径の比率に従って前記第２のシールドガス組成を選択するステップをさらに含む方法。
7. 請求項１に記載の方法において、前記輪郭が切断されているときの前記トーチの切断速度と比べて、前記穴が切断されているときに前記トーチの切断速度が低下される方法。
8. 請求項１に記載の方法において、前記輪郭が切断されているときの前記シールドガスの流量と比べて、前記穴が切断されているときに前記シールドガスの流量が低下される方法。
9. プラズマトーチ切断動作において小さな内側フィーチャの切断特性を改善する方法であって、
   第２のシールドガス組成を使用して小さな内側フィーチャを切断するステップであって、前記小さな内側フィーチャが、加工物の予期した輪郭切断部の中で加工物に配置されるステップと、
   第１のシールドガス組成を使用して、前記予期した輪郭切断部に対応する輪郭を切断するステップとを含む方法。
10. 請求項９に記載の方法において、前記第２のシールドガス組成が、穴の縁の傾斜が実質的になくなるように、前記第１のシールドガス組成よりも少ない窒素を含む方法。
11. プラズマチャンバ内で生成されたプラズマアークが加工物を切断するために使用されるように、前記プラズマチャンバを画成するノズルおよび電極、ならびにシールドガス流れを前記プラズマトーチに送るシールドガス供給ラインを含むプラズマアークトーチを使用して、前記加工物において穴および輪郭を切断する方法において、
    前記加工物において前記穴を切断するステップであって、前記シールドガス流れが、前記穴の縁の傾斜が実質的になくなるように選択される第２のシールドガス組成を含むステップと、
    輪郭を切断するステップであって、前記シールドガス流れが第１のシールドガス組成を含むステップと、
    前記穴を切断する間、前記第２のシールドガス組成が前記第１のシールドガス組成よりも少ない窒素を含むように、前記第１のシールドガス組成および前記第２のシールドガス組成を制御するステップとを含む方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、
    プラズマトーチシステムに使用するＣＮＣで動作可能な、情報担体において有形に具体化される、コンピュータ読取可能製造物を提供するステップであって、前記コンピュータ読取可能製造物が、前記輪郭を切断しているとき、前記第１のシールドガス組成を選択し、前記穴を切断しているとき、前記第２のシールドガス組成を選択する指令を含む前記プラズマアークトーチに関する切断情報を含むステップをさらに含む方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、加工物の前記厚さに対する前記穴の直径の比率に従って前記第２のシールドガス組成を選択するステップをさらに含む方法。
14. プラズマアークトーチを使用して加工物において穴を切断する方法であって、前記プラズマアークトーチが高電流消耗部品を含み、前記高電流消耗部品は、プラズマチャンバを画定するノズルおよび電極を含む方法において、
    ５０アンペアを超えるアーク電流を使用して前記プラズマチャンバ内でプラズマアークを生成するステップと、
    前記穴が切断されているとき、前記穴の縁の傾斜が実質的になくなるように、前記シールドガス組成が窒素の量を含むように、シールドガス流れのシールドガス組成を制御するステップとを含む方法。
15. 加工物において穴および輪郭を切断するためのプラズマトーチシステムであって、
    ノズルおよび電極を含むプラズマトーチチップ構成であって、前記ノズルおよび電極が、プラズマチャンバを画成し、プラズマアークが前記プラズマチャンバ内で生成されるプラズマトーチチップ構成と、
    シールドガス流れを前記プラズマトーチチップに提供するためのシールドガス供給ラインと、
    前記シールドガス流れの組成を制御するための制御ユニットとを含み、改善が、
    前記制御ユニットで動作可能な、情報担体において有形に具体化されたコンピュータ読取可能製造物であって、前記輪郭を切断しているときは、第１のシールドガス組成を選択し、前記穴を切断しているときは、第２のシールドガス組成を選択する指令を含む前記プラズマアークトーチシステムに関する切断情報を含む、前記コンピュータ読取可能製造物を含むプラズマトーチシステム。
16. 請求項１５に記載のプラズマトーチシステムにおいて、第２のシールドガス組成が、前記穴の縁の傾斜が実質的になくなるように、前記第１のシールドガス組成よりも少ない窒素を含むプラズマトーチシステム。
17. 請求項１５に記載のプラズマトーチシステムにおいて、前記加工物が軟鋼であり、前記第１のシールドガス組成が空気であり、前記第２のシールドガス組成が酸素であるプラズマトーチシステム。
18. 請求項１５に記載のプラズマトーチシステムにおいて、前記第２のシールドガス組成が、穴切断の間に基本的に酸素からなるプラズマトーチシステム。
19. 請求項１５に記載のプラズマトーチシステムにおいて、第２のシールドガスが、１つまたは複数のヘリウム、酸素、および窒素からなるプラズマトーチシステム。
20. 請求項１５に記載のプラズマトーチシステムにおいて、前記トーチの切断速度が穴切断の間に低下されるプラズマトーチシステム。
21. 請求項１５に記載のプラズマトーチシステムにおいて、前記シールドガス流れの流量が、前記輪郭を切断しているときの前記シールドガスの流量と比べて、前記穴を切断するときに低下されるプラズマトーチシステム。
22. 請求項１５に記載のプラズマトーチシステムにおいて、前記第１のシールドガス組成が空気であるプラズマトーチシステム。
23. 情報担体に有形に具体化され、プラズマアークトーチシステムにおいて使用するためのＣＮＣで動作可能なコンピュータ読取可能製造物であって、
    穴を切断している間は、シールドガス流れが第２のシールドガス組成を含み、輪郭が切断されているときは、前記シールドガス流れが第１のシールドガス組成を含むような指令を含む、プラズマアークトーチを使用して加工物から前記穴および前記輪郭を切断するための切断情報を含むコンピュータ読取可能製造物を含む構成要素。
24. 請求項２３に記載の構成要素において、前記切断情報が、穴が切断されるとき、制御ユニットが前記加工物の厚さに対する前記穴の直径の比率に従って前記第２のシールドガス組成を制御するような指令をさらに含む構成要素。
25. シールドガス流れの組成を含むプラズマトーチの切断パラメータを制御するためのコンピュータ数値制御装置であって、
    プロセッサと、
    電子記憶デバイスと、
    制御指令をプラズマアークトーチに提供するインターフェースと、
    前記プラズマトーチが加工物において穴を切断するか輪郭を切断するかに従って、制御装置が、前記シールドガス流れの前記組成を制御するように、前記プラズマトーチに関する前記シールドガス流れの前記組成を選択するための参照表とを備える制御装置。
26. プラズマガスおよびシールドガスを使用してトーチ内に装着された電極とノズルの間でイオン化されたガスのプラズマアークを生成するプラズマアークトーチによって、加工物において輪郭および穴をプラズマアーク切断するプロセスにおいて、改善が、
    前記加工物において前記輪郭を切断するステップであって、前記シールドガスが第１のシールドガス組成を有するステップと、
    前記シールドガスを前記第１のシールドガス組成から第２のガス組成に変更するステップと、
    前記第２のシールドガス組成を使用することによって前記穴切断の傾斜を低下させるように、前記第２のシールドガス組成を使用して、前記ノズルおよび電極を変更することなしに前記加工物において前記穴を切断するステップとを含むプロセス。
27. プラズマガスおよびシールドガスを使用してトーチ内に装着された電極とノズルの間でイオン化されたガスのプラズマアークを生成するプラズマアークトーチによって、加工物において輪郭および穴をプラズマアーク切断するプロセスにおいて、改善が、
    前記加工物において前記穴を切断するステップであって、前記シールドガスが第２のシールドガス組成を有するステップと、
    前記シールドガスを前記第２のシールドガス組成から第１のガス組成に変更するステップと、
    前記第２のシールドガス組成を使用することによって前記穴切断の傾斜を低下させるように、前記第１のシールドガス組成を使用して、前記ノズルおよび電極を変更することなしに前記加工物において前記輪郭を切断するステップとを含むプロセス。
28. 請求項２６または２７に記載のプロセスにおいて、前記穴を切断する前記ステップが、前記輪郭を前記切断するステップの間に、前記トーチの切断速度未満の前記トーチの切断速度をさらに備えるプロセス。
29. 請求項２６または２７に記載のプロセスにおいて、前記穴を切断する前記ステップが、前記輪郭を前記切断するステップの間のシールドガス流れと比較して低減されるシールドガス流れをさらに備えるプロセス。

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