淺談提高數(shù)控等離子切割機(jī)的切割質(zhì)量

奚增良

(陜西建設(shè)機(jī)械股份有限公司，陜西 西安 710032)

等離子切割的基本原理是利用高溫使等離子電弧的高熱量將金屬工件的切口處熔化，同時(shí)借助高速等離子的動(dòng)能使金屬工件形成板材下料尺寸所需的切口形狀。這種金屬切割方法并非傳統(tǒng)金屬板材切割中的氧化反應(yīng)，而是用高溫能力熔化金屬板材，因此幾乎能切割所有的金屬制品和板材，切割范圍比有氧切割大，而且切割精度高，對(duì)于非金屬也有很好的切割效果。同時(shí)對(duì)于加工精度要求較高的制造業(yè)，等離子切割技術(shù)的較窄的切口和光滑平整的切割面是高精制造行業(yè)十分青睞之處。目前，等離子切割技術(shù)以其精度高、切割范圍大、加工材料熱變形小、切割厚度較大等優(yōu)點(diǎn)，在汽車制造、工程機(jī)械、航天科工、造船、化工、核工業(yè)、壓力容器等行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。

一 我國(guó)數(shù)控等離子切割機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)制造行業(yè)中的板料切割加工多數(shù)采用有氧切割如火焰切割或等離子切割技術(shù)。在切割過(guò)程中的下料工藝多采用手工下料或傳統(tǒng)的半自動(dòng)下料仿形機(jī)下料。這種下料方式對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)中質(zhì)量要求不高、加工精度要求不高和人工成本低廉的制造方式來(lái)說(shuō)是較好的選擇。然而現(xiàn)代制造業(yè)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)、國(guó)外市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求、加工精度要求、外觀要求等日益提高，同時(shí)金屬板材的價(jià)格居高不下，傳統(tǒng)切割模式中的人工下料或仿形機(jī)的半自動(dòng)下料方式不僅影響了工件的加工質(zhì)量、加工速度，更造成原材料的過(guò)多浪費(fèi)，而且對(duì)于制造行業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大的局面來(lái)說(shuō)，數(shù)控技術(shù)下料是制造行業(yè)批量化生產(chǎn)的必然趨勢(shì)。

我國(guó)數(shù)控等離子切割技術(shù)起步與上世紀(jì)八十年代，初期是在航空航天領(lǐng)域中獲得應(yīng)用，此后加工制造行業(yè)的各行各業(yè)意識(shí)到數(shù)控等離子切割技術(shù)的優(yōu)越性，數(shù)控等離子切割技術(shù)在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。然而，由于我國(guó)數(shù)控等離子技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，起步落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，而且大部分的需要用到等離子切割技術(shù)的制造中還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)數(shù)控等離子切割。據(jù)沈陽(yáng)航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)研究稱，我國(guó)目前在金屬制造加工行業(yè)中，使用數(shù)控切割技術(shù)的僅占全部切割的30%，而發(fā)達(dá)國(guó)家和制造業(yè)發(fā)展水平較高的國(guó)家這一數(shù)值達(dá)到了90%甚至更高。而數(shù)控等離子切割技術(shù)在金屬切割行業(yè)所占的比例就更少，目前我國(guó)數(shù)控等離子切割機(jī)的研發(fā)與制造以及相關(guān)研究不多，絕大多數(shù)加工精度要求較高的制造業(yè)數(shù)控等離子切割機(jī)都是從國(guó)外引進(jìn)，國(guó)內(nèi)少數(shù)等離子切割機(jī)制造廠家對(duì)于數(shù)控等離子切割機(jī)的制造與研發(fā)也僅僅停留在對(duì)進(jìn)口的數(shù)控等離子切割機(jī)進(jìn)行改動(dòng)、二次開(kāi)發(fā)和局部非標(biāo)的層面。我國(guó)數(shù)控等離子切割機(jī)的應(yīng)用中也存在諸多問(wèn)題，由于對(duì)數(shù)控等離子切割技術(shù)了解不深、研究不透，導(dǎo)致數(shù)控等離子切割過(guò)程中出現(xiàn)加工質(zhì)量問(wèn)題的情況十分普遍，以下從三方面就如何提高數(shù)控等離子切割機(jī)的切割質(zhì)量進(jìn)行探討。

二 數(shù)控等離子切割機(jī)的切割質(zhì)量控制

1.數(shù)控等離子切割機(jī)切割過(guò)程中的熱變形對(duì)切割質(zhì)量的影響及控制

由于金屬具有良好的韌性和延展性，在加工過(guò)程中在外力和溫度等的影響下，引起加工尺寸的變化和形狀的變化，是金屬制品加工過(guò)程中較難克服的問(wèn)題。金屬制品加工過(guò)程中的變形通常是永久性的塑性變形，變形后無(wú)法自然恢復(fù)，需要重新加工或?qū)⒃牧蠄?bào)廢，引起了金屬制造加工過(guò)程中的成本上升和原材料、人工、機(jī)械的浪費(fèi)。在數(shù)控等離子切割加工過(guò)程中，由于切割件受到高溫切割的影響，切割件發(fā)生永久變形，變形的過(guò)程持續(xù)在切割和冷卻的整個(gè)過(guò)程，因此又叫切割熱變形。數(shù)控等離子的切割原理是利用高能量的等離子和高速等離子運(yùn)動(dòng)將高溫下被熔化的金屬板材從切割口處通過(guò)風(fēng)壓、動(dòng)能等移除，從而形成連續(xù)的切口，并達(dá)到分離金屬板材的目的。等離子切割時(shí)，熱變形相對(duì)于有氧切割過(guò)程的變形稍小，但由于切割時(shí)，金屬板材的切口處受到局部高溫影響，而且沿切割線迅速膨脹，而母材并未吸收高溫和等離子動(dòng)能影響，因此限制受熱局部的膨脹。這樣一來(lái)，切割線的邊緣產(chǎn)生了應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的應(yīng)力大于金屬板材的區(qū)服強(qiáng)度，金屬板材便產(chǎn)生了永久性變形。盡管這一熱變形的過(guò)程在板材的切口溫度下降后，變形有所減小，但由于金屬板材的殘余應(yīng)力的限制以及金屬的延展性的影響，變形不能被完全消除，從而產(chǎn)生了加工過(guò)程的塑性變形，影響了加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量。為減小切割變形，切割前必須保證金屬板材定位的準(zhǔn)確牢靠，以消除金屬材料不均勻的殘余內(nèi)應(yīng)力，提高平整度。數(shù)控等離子切割機(jī)是數(shù)控編制程序，機(jī)器是在預(yù)先編制程序的基礎(chǔ)上運(yùn)行的。在切割過(guò)程中，由于板材的熱脹冷縮，加工工件與余料之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，當(dāng)加工工件質(zhì)量遠(yuǎn)小于余料質(zhì)量時(shí)，加工件相對(duì)于平臺(tái)移動(dòng)，余料不動(dòng)，加工件產(chǎn)生一定的偏差;當(dāng)加工件質(zhì)量與余料質(zhì)量相當(dāng)時(shí)，加工件余料相對(duì)平臺(tái)都可能產(chǎn)生移動(dòng)，影響工件加工尺寸[2]。

2.數(shù)控等離子切割機(jī)工作氣體種類對(duì)切割質(zhì)量的影響及選擇

使用氣體種類不同，切口和切割面的形狀也有差異。(1)采用Ar-H2混合氣時(shí)(通常氣流為軸流式)，切割面傾斜度最小，但呈內(nèi)凹形。(2)采用O2時(shí)(通常氣流為渦旋式)，由于切口中氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的附加熱，切割面傾斜度增大。(3)采用N2時(shí)，切割面傾斜度介于上述兩種氣體之間，但上緣呈圓角。

至于選擇何種氣體作為等離子氣體，要根據(jù)切割工藝的具體實(shí)際情況來(lái)決定。

3.數(shù)控等離子切割機(jī)切割速度、工作氣壓等對(duì)切割質(zhì)量的影響及控制

數(shù)控等離子切割機(jī)能夠切割形狀復(fù)雜、材質(zhì)多樣化的工件，而且切割速度快、切割質(zhì)量高、熱變形相對(duì)較小的優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)控等離子切割機(jī)切割過(guò)程中存在表面粗糙度較高以及切割面斜度較大、掛渣率高的缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)影響了數(shù)控等離子切割機(jī)的切割質(zhì)量，其主要影響因素是切割速度、工作氣壓與切割嘴的高度以及三者之間的配合。如果在切割過(guò)程中，切割速度控制過(guò)快，將會(huì)導(dǎo)致切割面斜度增大，如果切割速度過(guò)低，則會(huì)造成掛渣較多的缺陷。同時(shí)切割過(guò)程中，如果工作氣壓過(guò)高，則切割面的挺度和圓滑度被破壞，影響切割能力，增大了切割面的粗糙度。因此在數(shù)控等離子切割機(jī)的作業(yè)過(guò)程中要根據(jù)板材的厚度、密度、硬度等參數(shù)合理控制切割速度、工作氣壓以及切割嘴的高度，才能獲得良好的切割質(zhì)量。

三 結(jié)語(yǔ)

總之，數(shù)控等離子切割機(jī)的切割質(zhì)量控制除了本文的觀點(diǎn)外還有其它影響因素，需要我們?cè)賹?shí)際操作中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并不斷改進(jìn)。