數(shù)控等離子切割下料的質(zhì)量控制與測量

李壽全，張幼民

（齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾161002）

0 前言

數(shù)控等離子切割機在鐵路裝備制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。板材零件是鐵路貨車結(jié)構(gòu)中最基本的組成單元，大約60%的零件是由金屬板料加工制成，而數(shù)控等離子切割下料占板材下料總量的53%。等離子切割的零件周邊無需加工即可直接組焊，作用無可替代。盡管數(shù)控等離子切割存在設(shè)備購置及維護(hù)成本高、有一定的煙塵污染等不利因素，但其優(yōu)良的工藝適應(yīng)性越來越得到用戶青睞。

數(shù)控等離子切割機是集數(shù)控技術(shù)、等離子切割技術(shù)、逆變電源技術(shù)等于一體的高新技術(shù)，其發(fā)展建立在計算機控制、等離子弧特性研究、電力電子等學(xué)科共同進(jìn)步的基礎(chǔ)上[1]。為了充分發(fā)揮數(shù)控等離子切割機的效能、保證切割件的質(zhì)量，除了需要對切割設(shè)備的特性有一定的了解，正確選擇工藝參數(shù)以外，還應(yīng)對與切割相關(guān)的材料等因素有正確的認(rèn)識。

1 切割板料

板料的不平度和內(nèi)在應(yīng)力，對切割質(zhì)量的影響非常大。板材在切割前一定要經(jīng)過校平，充分釋放板材內(nèi)在應(yīng)力，并達(dá)到工藝要求的不平度（中厚板平面度一般要求≤2mm/m2）。如果待切割板料平面度不好，那么當(dāng)板料為上彎時板料與機床平臺接觸面積變小，切割時會使變形趨勢被放大，切割件實際尺寸與正常值偏離。板料為下彎時，對切割尺寸影響相對上彎時要小，只是工件與板料分離瞬間會發(fā)生掉落，工件表面易被等離子流灼傷從而出現(xiàn)起弧缺陷。在北方寒冷地區(qū)的冬季，室外放置的板材進(jìn)入車間工作場地后，應(yīng)經(jīng)過24 小時以上的緩霜，使之達(dá)到室溫后再進(jìn)行切割操作。為確保切割質(zhì)量，板料表面應(yīng)清潔，不得有沙粒、灰塵，板料切割前一般應(yīng)進(jìn)行拋丸涂漆預(yù)處理，漆膜厚度≤20μm，漆膜必須干燥。

2 工作平臺

工作平臺（也稱料拍）是板料放在數(shù)控等離子切割機上進(jìn)行切割的基準(zhǔn)和支撐架，因此表面需保持水平狀態(tài)，平面度≤1.5mm/m2，根據(jù)所生產(chǎn)的切割件尺寸大小確定合理料拍間隙與間距。生產(chǎn)現(xiàn)場往往對料拍的重視不夠，常用剩余料邊焊接料拍，存在料拍間隙過大、其制造質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求的情況，當(dāng)多組料拍安裝在切割設(shè)備的基礎(chǔ)架體過程中，疏于對料拍整體平面度進(jìn)行調(diào)校，使各個料拍之間錯位，將直接影響切割質(zhì)量。

3 切割方法

等離子切割機工作速度是指切割機的割炬在工作過程中的移動速度（等離子割炬工作速度：50～6000 mm/min），切割速度選擇合理，可以使切口表面光滑無毛刺，斷口斜度較小。切割速度加快將導(dǎo)致切口斜度變大，過快則會在切口處出現(xiàn)波紋和毛刺，甚至無法切透或斷弧。切割速度過慢也會出現(xiàn)毛刺，并會使切縫變寬，影響工件尺寸與質(zhì)量，降低了切割效率。

切割順序的選擇對于保證切割質(zhì)量也非常關(guān)鍵。應(yīng)遵循先內(nèi)后外，先小后大的原則；先切割加工件的內(nèi)輪廓或內(nèi)輪廓中套切的零件，后切割工件的外部輪廓，否則如先切割外輪廓，則切割后外輪廓先從母材上脫離，必然會出現(xiàn)相對位移，在切割內(nèi)輪廓時則無法保證內(nèi)輪廓的尺寸；先切割母材上面積小的零件，后切割大尺寸的零件，可使尺寸大的零件周邊的材料質(zhì)量變輕，有利于減小大尺寸零件切割時產(chǎn)生的熱變形偏差；在能保證最佳的切割質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量選擇最近的切割路線。

切割零件在板料上排布時，2 個零件之間的距離，應(yīng)根據(jù)材料的材質(zhì)、板厚與割炬上割縫的大小而定，一般應(yīng)在10mm～20mm 之間,過近則會在切割過程切傷鄰近工件或出現(xiàn)刮槍現(xiàn)象，過遠(yuǎn)則浪費材料。切割時割炬應(yīng)垂直工件表面，可稍帶一定的后傾斜角，一般不大于3°。

4 切割缺陷與對策措施

等離子切割件最常見的切割缺陷是起收弧缺陷。起弧缺陷一般是由板料不平、工件切割過程中發(fā)生變形或位移，起弧線、補償值設(shè)置不合理等原因造成的。由于板料不平，工件和母板脫離時會向下掉落，掉落瞬間會被等離子流灼傷，造成起弧缺陷，處理方法是根據(jù)實際情況設(shè)置提前收弧時間，使工件掉落時剛好停弧或者在編程時去掉引出線。另外對于工件切割過程中發(fā)生變形或位移，產(chǎn)生的起收弧微小缺陷可以通過設(shè)置四分之一圓弧的起收弧線來彌補，起收弧缺陷大或者錯位明顯時，則說明工件變形或位移嚴(yán)重，導(dǎo)致零件尺寸偏離正常值。當(dāng)在非角點起收弧時，補償數(shù)值設(shè)置過大，起收弧線沒有交叉設(shè)置，則會出現(xiàn)起收弧缺陷。

等離子切割件另一個常見問題是難以切割出零件的頂點或尖點。等離子切割機由于切割速度和后托量的相互作用一般無法切割出直角頂點，更無法切割出銳角尖點。切割件通常在沒有特殊要求時，允許工件帶有切割過程自然形成的小圓角。當(dāng)要求工件切割頂點必須形成時，則需采取以下手段：一是通過設(shè)置拐點減速來減小切割時后托量對尖角的影響；二是編程時，在尖角處增加外接角，以達(dá)到對尖角或銳角理想的切割效果。

等離子切割時等離子風(fēng)線成倒轉(zhuǎn)的蠟燭火焰形狀，再加上風(fēng)線與等離子電弧之間有一定的后拖量，所以在切割時，會出現(xiàn)一定量切口斜度。控制切口斜度首先切割速度要控制在合理要求范圍內(nèi)，其次割炬高度、割炬傾角也應(yīng)該符合要求。有時割嘴損壞，也影響切割件的切口斜度。

對于等離子切割件上經(jīng)常出現(xiàn)的毛刺與掛渣現(xiàn)象，首先，切割速度過快或過慢都能使工件切口處產(chǎn)生一定毛刺或掛渣現(xiàn)象；其次，割嘴損壞、老化也可在切口上下方產(chǎn)生毛刺或掛渣。此時應(yīng)及時更換割嘴。還有就是切割保護(hù)氣體純度不夠或者割嘴種類與氣體種類不符合，也可能在工件上下表面產(chǎn)生毛刺或掛渣現(xiàn)象。如工件下方掛渣面積非常大，可能是等離子料拍被熔渣糊死，使得熔渣反彈后掛在工件表面造成。

等離子切割件的對角線超差也是常見缺陷，原因是等離子切割機一側(cè)齒輪出現(xiàn)相對偏移或齒輪與齒條間隙不合理造成的。調(diào)節(jié)對角線超差時，首先用專用的畫線筆做槍嘴，在平臺上畫出1 米見方的方形，在方形上實際測量出對角線偏差的大小，再根據(jù)偏差的大小調(diào)節(jié)機床。調(diào)節(jié)機床時先固定切割機的一側(cè)，調(diào)節(jié)另一側(cè)的齒輪齒條，使機床的對角線偏差達(dá)到要求范圍。

至于切割斷面處出現(xiàn)波紋現(xiàn)象，一般是由于切割速度過快或割嘴損壞造成的。另外機床的軌道上齒輪齒條磨損、齒條之間有異物或間隙過大、松動等現(xiàn)象也可能造成切割件斷口處出現(xiàn)明顯波紋。

綜上所述，根據(jù)數(shù)控等離子切割工藝的特點和規(guī)律，通過采取得當(dāng)措施就可減少切割缺陷、控制切割質(zhì)量。當(dāng)?shù)入x子切割件尺寸與圖紙有偏差時，首先可以進(jìn)行割縫補償調(diào)節(jié)：割縫值正常時應(yīng)該與割炬的割縫實際值相等，但在工件尺寸需要微小變動時，可通過調(diào)節(jié)割縫的數(shù)值來補償，以達(dá)到我們要求的準(zhǔn)確輪廓尺寸。調(diào)節(jié)割縫值使之加大，則所有零件外輪廓尺寸都會加大，內(nèi)輪廓尺寸則會相應(yīng)的縮小。若調(diào)節(jié)割縫值變小，零件尺寸變化趨勢則會相反。其次是調(diào)整割炬高度與電弧壓力：割炬高度一般應(yīng)在3mm～6mm 之間，電弧壓則根據(jù)切割板料的厚度設(shè)置調(diào)節(jié)范圍，在起弧時電弧壓可為550～700voltsl，根據(jù)實際板厚與板料的不平度情況微調(diào)割炬高度與電弧壓力，在其他因素不變的情況下可減小切口的斜度，改善切口質(zhì)量，減少斷弧率，達(dá)到更加理想的效果。另外，在切割材料內(nèi)在應(yīng)力特別大并對熱變形應(yīng)力比較敏感的細(xì)長件時，可根據(jù)實際情況先破開板材，釋放內(nèi)應(yīng)力后再切割，或采取在切割時預(yù)留工藝筋的辦法，使工件和板料一體，減小變形應(yīng)力對工件的影響，在切割完成后再切斷工藝筋。這種方法雖然可以保證工件變形小，但在最后切斷的工藝筋處會出現(xiàn)明顯的斷面缺陷，需要用修磨或焊補的方法進(jìn)行后續(xù)處理。

5 切割件的測量

5.1 測量作業(yè)現(xiàn)狀

數(shù)控等離子切割過程是按預(yù)設(shè)程序自動完成的，但是切割出的工件必須進(jìn)行測量，原因是切割設(shè)備需要編程員根據(jù)工藝卡片編程，存在人為失誤的可能，另外切割設(shè)備在操作中也存在不確定因素，所以對切割后工件進(jìn)行測量是零件制造過程中的必要環(huán)節(jié)。不僅校驗編程的正確性，而且可查看零件尺寸公差是否在范圍內(nèi)、查看是否有切割缺陷，如起收弧缺陷、斷面波紋、切割斜度等，確定是否需要進(jìn)一步調(diào)整切割參數(shù)和采取優(yōu)化切割程序等方法加以控制。

對于大多數(shù)中小型零件，一般使用卷尺等通用量具檢驗就能滿足檢測要求，外形輪廓稍復(fù)雜些的零件，可將零件放在平板上用細(xì)筆沿輪廓劃線，必要時對輪廓線進(jìn)行延長并形成交點，將交點及其他輪廓線進(jìn)行測量即能滿足零件外形尺寸檢測要求。

對于外形尺寸超過3000mm 以上的大型工件，特別是形狀比較復(fù)雜的異形件，其尺寸的測量十分困難。一般情況下工件切割后就需要判斷質(zhì)量是否合格，以便決定能否繼續(xù)生產(chǎn)，目前的常規(guī)做法是在料拍上面、以切割上平面邊緣為測量基準(zhǔn)實施檢測，根據(jù)經(jīng)驗對測量值進(jìn)行一定的修正，其測量誤差通常較大，個別零件的細(xì)節(jié)尺寸甚至無法測量。例如鐵路貨運平車中梁腹板，如圖1 所示，材質(zhì)為耐候鋼09CuPCrNi-A，板厚12mm，因工藝需要預(yù)制垂直撓度，零件上下邊緣均為4 條折線，其夾角從左到右分別為：179.955°（撓度-11）、179.952°（撓度-5）、179.659°（撓度0），由于工件本身形狀拐點不明顯，而數(shù)控等離子切割機走行系統(tǒng)誤差及等離子實際割縫軌跡的圓滑型趨向，零件形狀細(xì)微的變化被湮沒，導(dǎo)致用人工測量方法無法識別拐點，對于撓度值更無從測得。為此只能讓零件流入組裝單位試裝，在大平臺上與其相配合零件對接擺放，通過測量總裝配尺寸來確認(rèn)零件是否合格。總之對于較為復(fù)雜二維形狀零件僅靠人工測量的傳統(tǒng)方法，導(dǎo)致檢測精度低、效率低下、工作量大等問題已成為零件制造工藝過程中的障礙。

圖1 工件圖

5.2 光電測量

實踐證明傳統(tǒng)的測量方法已無法滿足企業(yè)精益制造、產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級的需要，隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，多種檢測方式逐漸出現(xiàn)，例如激光檢測方法，象激光全站儀、激光經(jīng)緯儀、激光干涉儀等雖然能保證較好的精度，但其缺點也很明顯，如價格昂貴、測量空間要求很大，而且對作業(yè)環(huán)境要求較高，只適合實驗室等特殊工作環(huán)境中作為抽檢或計量室定標(biāo)所用。值得注意的是CCD 及圖像采集、圖像處理技術(shù)的日臻成熟為在作業(yè)中實施光電檢測方式提供了可能，毫無疑問非接觸光電測量技術(shù)將成為制造業(yè)未來的發(fā)展趨勢。目前利用CCD 技術(shù)進(jìn)行機器視覺成像對二維物體的非接觸測量技術(shù)發(fā)展很快，機器視覺測量系統(tǒng)在零件檢測方面的技術(shù)無論在精度上還是效率上都能達(dá)到很高的程度，其操作也更加自動化、人性化[2]。

但是數(shù)控等離子切割機并非高精度的加工設(shè)備，其加工的對象也不夠精密，使測量信息的獲取有一定難度：其一是切割斷面一般有約3°的斜度，應(yīng)按照底面也就是最大實體進(jìn)行測量；其二是切割斷面有波紋；其三是切割件的棱角或尖點往往切成圓角，測量時需要對其延長做出交點。另外就是切割件往往會有一定翹曲。因此測量技術(shù)的重點是能夠排除干擾因素對零件的關(guān)鍵特征點或形狀拐點數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉，并自動對其交點進(jìn)行計算。至于測量精度也不必苛求，對于大型工件測量精度在1mm 以內(nèi)就可滿足技術(shù)要求。光電檢測方法一旦能夠在生產(chǎn)現(xiàn)場得以實際應(yīng)用，將會推動制造業(yè)工藝技術(shù)水平的極大提升，對產(chǎn)品質(zhì)量的精準(zhǔn)控制也將產(chǎn)生無法估量的作用。

6 結(jié)論

數(shù)控等離子切割技術(shù)是在制造業(yè)中普遍使用的板材下料方法，生產(chǎn)過程中往往存在過程控制比較粗放，工序質(zhì)量波動的情況，需要大力推行精益制造、強化過程管理，將具體作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)落實到位，避免重復(fù)勞動和材料浪費。科學(xué)測量也是質(zhì)量控制必不可少的手段，目前有關(guān)這方面的成果不多，應(yīng)對其實用性、可靠性做深入研究和探索。

[1]陳 潔，鄭 鵬.數(shù)控等離子切割技術(shù)及應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2009，（2）.

[2]曹自然.大型板類零件孔形位尺寸檢測系統(tǒng)[D].長春：長春理工大學(xué)，2010.

[3]李 勇，曹 炬.矩形件排樣優(yōu)化的十字線法[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2004，39（6）.

[4]陳樹明，趙志超.高性能數(shù)控激光切割機設(shè)計要點.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2003，38（1）.