Устройство для высокоэффективной резки крупногабаритных и толстостенных конструкций из металлических и неметаллических материалов Российский патент 2023 года по МПК B26F3/08 

Изобретение относится к устройствам для резки крупногабаритных и толстостенных конструкций из металлических и неметаллических материалов, в частности, к созданию оборудования для заготовительного производства, для утилизации крупногабаритной техники, в том числе и военной, а также и для разрушения железобетонных сооружений, и может применяться для резки термостойких легированных сталей и чугунов, цветных металлов, бетона, железобетона, керамики, кирпича и других сверх тугоплавких материалов, в частности, для разделки крупногабаритных и толстостенных конструкций, предназначенных к переплавке, например, снятых с вооружения танков, САУ (самоходных артиллерийских установок), подводных лодок и т.п..

В настоящее время известны различные устройства для резки и разрушения материалов и конструкций из металлических и неметаллических материалов, в которых в качестве режущего органа (инструмента) используются или электронагреваемая проволока, или высокотемпературная газовая струя, или кислородное копьё, или кислородонасыщенная струя, или высокотемпературная электрическая дуга, или луч лазера и др.

Однако известные устройства зачастую обладают присущими всем им общими недостатками, а именно, большим расходом металла, разбрызгиваемого и испаряемого в зоне резки, невозможностью резать металлические изделия большой толщины и габаритов, сравнительно низкой производительностью, а также невозможностью резать сверх тугоплавкие неметаллические изделия (керамика, бетон и т.п.). а также –невозможностью резать многослойные конструкции из различных материалов, каждый из которых требует своей особой технологии резания.

В качестве прототипа на основе просмотра и анализа общедоступной информации в Интернете и в патентных ресурсах по МПК B26F3/12, B26D1/547, B26D1/553, B26F3/08, B26F3/06 - в патентной базе РФ, а также и в Интернет сервисе Espacenet, принята полезная модель “Устройство для резки и 3D обработки термопластичных материалов” – патент RU №106169 от 10.07.2011 с приоритетом 24.03.2011, МПК B26F3/12 (2006/01).

Названное устройство содержит в себе установленное на опорах основание, направляющие, нагреваемый режущий инструмент, установленный с возможностью движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях, каретку, установленную с возможностью перемещения, блок управления, отличающееся тем, что устройство содержит два подвижных вала, установленных на двух парах направляющих, расположенных на опорах над основанием в одной горизонтальной плоскости, но на разных уровнях, попарно параллельно - одна пара по оси X, другая пара - по оси Y; два подвижных вала установлены перпендикулярно друг к другу с возможностью движения одного вала - по оси X, а другого - по оси Y; каретка размещена на пересечении двух подвижных валов и снабжена дополнительным валом, установленным по оси Z с возможностью движения вверх, вниз и вокруг своей оси, а также двумя электродвигателями, нагреваемый режущий инструмент выполнен в виде корпуса-изолятора и прикрепленной к нему проволоки и установлен в нижней части дополнительного вала с возможностью вращения вокруг своей оси.

Признаки известного устройства, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, заключаются в наличии основания, направляющих, нагреваемого режущего инструмента, установленного с возможностью движения в вертикальной плоскости, каретку, установленную с возможностью перемещения.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, состоит в недостаточно высоких его технологических возможностях, а именно, в невозможности резать металлические изделия большой толщины и габаритов, в сравнительно низкой производительности, а также в невозможности резать сверх тугоплавкие металлические и неметаллические изделия (хром, молибден, керамика, бетон и т.п.), а также в невозможности резать многослойные конструкции из различных материалов, каждый из которых требует своей особой технологии резания.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении технологических возможностей устройства для резки материалов.

Технический результат, обеспечивающий решение указанной задачи, заключается в создании технических средств для повышения технологических возможностей устройства для резки материалов, а именно, обеспечить возможность резать металлические изделия большой толщины и габаритов, многослойные конструкции из различных материалов, сверх тугоплавкие металлические и неметаллические изделия, повысить производительность работы устройства.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят в том, что в заявляемом устройстве, содержащем основание, нагреваемый режущий инструмент, установленный с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, размещённую на основании устройства с возможностью перемещения каретку для установки разрезаемой конструкции, и при этом в отличие от известного устройства, во-первых, нагреваемый режущий инструмент выполнен из высокотермостойкого материала в виде ножа каплевидной в поперечном сечении формы, соединённого токоподводами с источником электрической энергии и установленного при помощи водоохлаждаемых цапф на водоохлаждаемых направляющих колоннах, стоящих на основании устройства и жёстко скреплённых с ним, с возможностью перемещения его в вертикальной плоскости с помощью гидропривода, состоящего из системы управления и гидродомкратов, штоки которых связаны с цапфами нагреваемого режущего инструмента, а их цилиндры жёстко прикреплены к основанию устройства.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, во-вторых, в заявляемом устройстве в качестве высокотермостойкого материала использован графит.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, в-третьих, в качестве высокотермостойкого материала использован углерод-углеродный материал.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, в-четвёртых, в качестве высокотермостойкого материала использован вольфрам.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, в-пятых, в заявляемом устройстве нагреваемый режущий инструмент, выполненный из высокотермостойкого материала, по всей своей поверхности имеет защитное противоокислительное высокотемпературное покрытие.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, в-шестых, в заявляемом устройстве защитное противоокислительное высокотемпературное покрытие нагреваемого режущего инструмента представляет собой карбид тантала (TaC).

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, в-седьмых, в заявляемом устройстве защитное противоокислительное высокотемпературное покрытие нагреваемого режущего инструмента представляет собой карбид ниобия (NbC).

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, в-восьмых, в заявляемом устройстве в нагреваемом режущем инструменте, выполненном из высокотермостойкого материала, по всей его длине просверлено сквозное отверстие для пропускания по нему потока высокотемпературного расплавленного материала, например, оксида алюминия (Al₂O₃).

Новые признаки заявляемого технического решения заключаются в том, что нагреваемый режущий инструмент выполнен из высокотермостойкого материала в виде ножа каплевидной в поперечном сечении формы, соединённого токоподводами с источником электрической энергии и установленного при помощи водоохлаждаемых цапф на водоохлаждаемых направляющих колоннах, стоящих на основании устройства и жёстко скреплённых с ним, с возможностью перемещения его в вертикальной плоскости с помощью гидропривода, состоящего из системы управления и гидродомкратов, штоки которых связаны с цапфами нагреваемого режущего инструмента, а их цилиндры жёстко прикреплены к основанию устройства.

При этом в заявляемом устройстве для резки материалов:

- для выполнения нагреваемого режущего инструмента из высокотермостойкого материала использован графит;

- для выполнения нагреваемого режущего инструмента из высокотермостойкого материала использован углерод-углеродный материал;

- для выполнения нагреваемого режущего инструмента из высокотермостойкого материала использован вольфрам;

- нагреваемый режущий инструмент, выполненный из высокотермостойкого материала, по всей своей поверхности имеет защитное противоокислительное высокотемпературное покрытие;

- защитное противоокислительное высокотемпературное покрытие нагреваемого режущего инструмента представляет собой карбид тантала (TaC);

- защитное противоокислительное высокотемпературное покрытие нагреваемого режущего инструмента представляет собой карбид ниобия (NbC);

- в нагреваемом режущем инструменте, выполненном из высокотермостойкого материала, по всей его длине просверлено сквозное отверстие для пропускания по нему потока высокотемпературного расплавленного материала, например, оксида алюминия (Al₂O₃).

Описанные выше созданные технические средства в составе заявляемого устройства позволяют достичь технического результата, заключающегося в создании технических средств для повышения технологических возможностей устройства для резки материалов, а именно, обеспечить возможность резать металлические изделия большой толщины и габаритов, многослойные конструкции из различных материалов, сверх тугоплавкие металлические и неметаллические изделия, повысить производительность работы заявляемого устройства за счёт того, что:

- наличие в заявляемом устройстве нагреваемого режущего инструмента, выполненного из высокотермостойкого материала в виде ножа каплевидной в поперечном сечении формы, соединённого токоподводами с источником электрической энергии и установленного при помощи водоохлаждаемых цапф на водоохлаждаемых направляющих колоннах, стоящих на основании устройства и жёстко скреплённых с ним, с возможностью перемещения его в вертикальной плоскости с помощью гидропривода, состоящего из системы управления и гидродомкратов, штоки которых связаны с цапфами нагреваемого режущего инструмента, а их цилиндры жёстко прикреплены к основанию устройства – обеспечивает возможность резать металлические изделия большой толщины и габаритов, многослойные конструкции из различных материалов, сверх тугоплавкие металлические и неметаллические изделия, повысить производительность работы устройства;

- использование в качестве высокотермостойкого материала графита обеспечивает возможность достигать высоких температур нагрева режущего инструмента, порядка 3800⁰C, что превышает значительно температуры плавления всех известных металлов (ближайшее значение температуры плавления = 3380°C у вольфрама);

- использование в качестве высокотермостойкого материала углерод-углеродного материала также обеспечивает возможность достигать высоких температур нагрева режущего инструмента, порядка 3500°C (начало сублимации), что соизмеримо с аналогичным показателем по графиту, но у этого материала есть преимущество – более высокая прочность за счёт его армировки по всему объёму, что важно в условиях больших механических нагрузок, в особенности, ударных;

- использование в качестве высокотермостойкого материала вольфрама также обеспечивает возможность достигать высоких температур нагрева режущего инструмента, порядка 3300°C что соизмеримо с аналогичным показателем по графиту, но у этого материала есть преимущество – более высокая электропроводность, что важно для эффективности и экономичности процесса резания, в частности, сокращения потребления электроэнергии;

- наличие защитного противоокислительного высокотемпературного покрытия по всей поверхности нагреваемого режущего инструмента, выполненного из высокотермостойкого материала, обеспечивает возможность защитить этот инструмент от разрушающего воздействия кислорода воздуха и тем самым продлить срок его эксплуатации;

- выполнение защитного противоокислительного высокотемпературного покрытия нагреваемого режущего инструмента из карбида тантала (TaC) или карбида ниобия (NbC) обеспечивает надёжную защиту поверхности нагреваемого режущего инструмента и предоставляет возможность варьирования материала покрытия при работе с различными разрезаемыми материалами и по различным технологическим процессам;

- просверливание в нагреваемом режущем инструменте сквозного отверстия для пропускания по нему потока высокотемпературного расплавленного материала, например, оксида алюминия (Al₂O₃) обеспечивает дополнительный нагрев режущего инструмента наряду с его нагревом от пропускания по нему электрического тока, а также обеспечивает возможность в ряде технологических процессов производить нагрев режущего инструмента только потоком оксида алюминия (Al₂O₃), что также является техническим средством достижения технического результата, направленного на повышение (расширение) технологических возможностей заявляемого устройства для резки материалов.

Изобретение иллюстрируется рисунками (фиг.1 – фиг.3), где представлено устройство для резки крупногабаритных и толстостенных конструкций из металлических и неметаллических материалов.

Фиг. 1 – общий вид устройства.

Фиг. 2 – разрез А – А.

Фиг. 3 – вид по стрелке B.

Устройство состоит из основания 1 (фиг.1) на которое уложено теплоизоляционное покрытие 2, и на котором смонтированы водоохлаждаемые направляющие колонны 3, связанные поперечиной 4. Колонны снабжены штуцерами 5 и 6 (всего восемь штуцеров на фиг.1) для подвода и для отвода воды, а внутри них выполнены каналы для охлаждения. В каждой колонне 3 выполнены окна, в которых с зазором размещены охлаждаемые водой цапфы 7 нагреваемого режущего инструмента 8, выполненного из высокотермостойкого материала в виде ножа каплевидной формы (фиг.2), причём, в цапфах 7 выполнено центральное отверстие, в которое входит медный стакан 9, насаженный на цилиндрические консольные хвостовики 10, выполненные заодно целое с телом режущего инструмента 8.

Стаканы 9, к которым винтами закреплены токоподводы 11, опираются на кронштейны 12 штоков гидродомкратов 13.

Устройство снабжено подвижной кареткой 15, на которой установлен разрезаемый объект 14. На каретке 15 выполнено углубление 16 (фиг. 2) для выхода режущего инструмента 8.

На фиг. 3 при виде сбоку (вид B) показана одна из двух колонн 3 с поперечиной 4 и размещённым в створе этой колонны одним из двух гидродомкратов 13, на верхнем штоке которого расположен кронштейн 12, являющийся опорой для медного стакана 9 (фиг.2) с токоподводом 11 (фиг.3).

Каплевидная форма поперечного сечения режущего инструмента (ножа) 8 обосновывается необходимостью сосредоточить наибольшее количество тепла в месте реза, в котором происходит интенсивный отток тепла в толщу разрезаемого материала, который являясь металлом, сам со своей высокой теплоёмкостью и теплопроводностью интенсивно отбирает тепло от режущего инструмента (от ножа). И по этой причине это место режущего инструмента должно быть массивным, толстым, чтобы быть теплонасыщенным. А верхняя часть режущего инструмента (ножа) должна быть тонкой, чтобы минимизировать теплосъём с режущего инструмента (ножа) в окружающее пространство. Получается, что мы здесь имеем, “нож перевёрнутого типа”, у которого “лезвие” вверху.

Возможен, конечно, и вариант просто круглого поперечного сечения режущего инструмента (ножа). Разнообразие практических задач и определяет конкретные варианты воплощения технического решения.

Устройство работает следующим образом.

После включения системы управления (на рисунках не показано) подаётся электропитание через токоподводы 11 и медный стакан 9 на режущий инструмент 8, и он разогревается до заданной температуры, после чего срабатывает гидросистема гидродомкратов 13 и они растормаживаются. Под действием собственного веса режущий инструмент 8 опускается на разрезаемый объект 14, расплавляет в месте соприкосновения материал объекта 14 и углубляется внутрь него до тех пор, пока полностью его не разрежет. При этом режущий инструмент 8 входит в углубление 16. Расплавленный в зоне резания металл стекает на специальные площадки, устанавливаемые на каретке 15 и на основании 1 (на рисунках не показано).

После окончания процесса резания система управления обесточивает режущий инструмент, одновременно в гидродомкраты 13 подаётся давление, и они поднимают режущий инструмент в исходное положение.

В этом же описанном выше устройстве возможно применение и ряда других дополнительных технических решений, составляющих предмет заявляемого изобретения:

- вариант выполнения режущего инструмента (ножа) 8 из вольфрама;

- вариант выполнения режущего инструмента (ножа) 8 из графита;

- вариант выполнения режущего инструмента (ножа) 8 из углерод-углеродного материала ;

- вариант нанесения на поверхность режущего инструмента 8 (или из вольфрама, или из графита, или из углерод-углеродного материала) любого противоокислительного высокотемпературного покрытия;

- вариант выполнения противоокислительного высокотемпературного покрытия в виде карбида тантала (TaC), имеющем температуру плавления 3880 °C;

- вариант выполнения противоокислительного высокотемпературного покрытия в виде карбида ниобия (NbC), имеющем температуру плавления 3490 °C;

- вариант выполнения режущего инструмента 8 - из любого названного выше материала с любым из названных выше противоокислительных высокотемпературных покрытий – с просверленным по всей его длине сквозным отверстием для пропускания по нему потока высокотемпературного расплавленного материала, например, оксида алюминия (Al₂O₃).

Любое из названных выше дополнительных технических решений по отдельности или при их сочетании является техническим средством, повышающим, расширяющим технологические возможности заявляемого устройства, а именно обеспечивает возможность резать металлические изделия большой толщины и габаритов, многослойные конструкции из различных материалов, сверх тугоплавкие металлические и неметаллические изделия, повысить производительность работы устройства, что и подтверждает достижение технического результата заявляемым изобретением и решение задачи, на которую оно направлено.

Проведённые в Научно-исследовательской отраслевой лаборатории “Энергомашиностроение” при ПГТУ (ныне ПНИПУ, г. Пермь) экспериментальные работы по резанию различных материалов на лабораторной установке подтвердили возможность выполнения таких технологических операций. К настоящей Заявке на изобретение (Заявитель ПНИПУ, г. Пермь) приложены фотографии, иллюстрирующие ход и результаты этих работ:

Фото-01. Лабораторная установка для резания материалов и конструкций.

Фото-02. Идёт эксперимент по резанию материала.

Фото-03. Рез на инструментальной стали.

Фото-04. Рез на нержавеющей стали.

Фото-05. Рез на чёрной стали.

Фото-06. Рез на красном кирпиче.

В основе лабораторной установки – трансформатор мощностью 60 кВт, материал нагреваемого режущего инструмента (ножа) – вольфрам и графит марки В-1 НИИГрафита, температура ножа ~ 2800 – 3000 °C. Испытаны материалы: инструментальная сталь, нержавеющая сталь, чёрная сталь, красный кирпич. Скорость продвижения ножа в толщу образца материала на лабораторной установке и на использованных образцах – примерно 1 мм/с (для металлов) вне зависимости от длины реза. Если перенести полученный результат с малой модели на полноразмерный объект, например, на танк, на немецкий танк “Тигр”, высота которого ~3000 мм, то он может быть при утилизации разрезан “сверху-до-низу” за 3000 секунд, то есть за = (3000с/3600с)=0,83 часа = 50 минут. А четвертовать его можно менее, чем за два часа.

Заявляемое устройство позволит разрезать крупногабаритные и толстостенные конструкции из металлических и неметаллических материалов, например, танки, бронетранспортёры, вагоны, станки, цистерны, бетонные и кирпичные преграды и сооружения, фрагменты подводных лодок (а при необходимости – и целиком, для чего потребуется создать по данному способу специальный режущий орган).

Преимущество заявляемого устройства перед всеми другими устройствами и способами состоит, прежде всего, в том, что режущий орган может продвигаться внутрь разрезаемой конструкции вне зависимости от того, из какого единого материала или из какого набора материалов создана эта конструкция, поскольку для нашего режущего инструмента (режущего ножа) в заявляемом изобретении предложены самые тугоплавкие материалы из ныне существующих (вольфрам, графит, углерод-углеродный композиционный материал), промышленно освоенные и сравнительно не дорогие.

На основе всего выше сказанного следует вывод, что техническое решение, составляющее предмет заявляемого изобретения “Устройство для резки крупногабаритных и толстостенных конструкций из металлических и неметаллических материалов” обеспечивает решение задачи изобретения – повышение технологических возможностей устройства для резки материалов за счёт достижения технического результата, заключающегося в создании технических средств, обеспечивающих возможность резать металлические конструкции большой толщины и габаритов, многослойные конструкции из различных материалов, сверх тугоплавкие металлические и неметаллические изделия, повысить производительность работы устройства.

Изобретение относится к устройствам для резки крупногабаритных и толстостенных конструкций из металлических и неметаллических материалов. Устройство для резки крупногабаритных и толстостенных конструкций из металлических и неметаллических материалов содержит основание, нагреваемый режущий инструмент и каретку для установки разрезаемой конструкции. Нагреваемый режущий инструмент выполнен из высокотермостойкого материала в виде ножа каплевидной в поперечном сечении формы. Нож соединён токоподводами с источником электрической энергии. Нож установлен при помощи водоохлаждаемых цапф на водоохлаждаемых направляющих колоннах с возможностью перемещения его в вертикальной плоскости с помощью гидропривода. Гидропривод состоит из системы управления и гидродомкратов. Штоки гидродомкратов связаны с цапфами нагреваемого режущего инструмента. Техническим результатом изобретения является повышение технологических возможностей устройства для резки материалов. 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для резки крупногабаритных и толстостенных конструкций из металлических и неметаллических материалов, содержащее основание, нагреваемый режущий инструмент, установленный с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, и размещённую на основании устройства с возможностью перемещения каретку для установки разрезаемой конструкции, отличающееся тем, что нагреваемый режущий инструмент выполнен из высокотермостойкого материала в виде ножа каплевидной в поперечном сечении формы, соединённого токоподводами с источником электрической энергии и установленного при помощи водоохлаждаемых цапф на водоохлаждаемых направляющих колоннах, стоящих на основании устройства и жёстко скреплённых с ним, с возможностью перемещения его в вертикальной плоскости с помощью гидропривода, состоящего из системы управления и гидродомкратов, штоки которых связаны с цапфами нагреваемого режущего инструмента, а их цилиндры жёстко прикреплены к основанию устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве высокотермостойкого материала использован графит.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве высокотермостойкого материала использован углерод-углеродный материал.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве высокотермостойкого материала использован вольфрам.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагреваемый режущий инструмент, выполненный из высокотермостойкого материала, по всей своей поверхности имеет защитное противоокислительное высокотемпературное покрытие.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что защитное противоокислительное высокотемпературное покрытие нагреваемого режущего инструмента представляет собой карбид тантала (TaC).

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что защитное противоокислительное высокотемпературное покрытие нагреваемого режущего инструмента представляет собой карбид ниобия (NbC).

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нагреваемом режущем инструменте, выполненном из высокотермостойкого материала, по всей его длине просверлено сквозное отверстие для пропускания по нему потока высокотемпературного расплавленного материала, например, оксида алюминия (Al₂O₃).