數控火焰切割件切割變形的工藝控制

陳麗

【摘要】：鋼板在進行火焰切割加工的過程中，產生變形是比較常見問題，變形問題不僅會影響到加工質量，嚴重的還會給加工構件的使用造成影響，最終導致產品成品升高。本文主要以我公司出口到澳大利亞PN機車的切割零件為例，首先分析了在切割過程中零件產生變形的主要原因，然后針對實際情況提出相應的解決策略，以期通過分析研究能夠提高數控火焰切割件的質量。

【關鍵詞】：數控火焰切割；切割變形；工藝控制

中圖分類號：TG48 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

0引言

數控火焰切割機的控制系統是數控系統，主要切割部分使用的是氧氣加丙烷等氣體，然后對金屬材料實施切割處理。工作原理是使氣體達到金屬材料的燃點，將其進行熔化后進行切割分離，然后在通入高壓氧氣，將殘渣吹掉，切口產生[1]。由于這種加工方式能夠切割的鋼板比較后、成本非常低，所以被廣泛使用在各種機車車輛行業。但是，由于火焰的溫度非常高，切割鋼板會產生較大變形量，因此，必須要研究出如何避免變形的出現，才能夠從根本上提高質量。

1產生變形的原因

金屬材料在進行火焰切割加工時產生變形的主要原因如下：

（1）金屬材料在軋制或開卷時必然會產生比較大的內應力；

（2）金屬材料在進行切割處理時，局部受熱加速，材料沿切割方向迅速膨脹，火焰周圍也會急速膨脹，切口處會形成較大應力，且難以消除，如果應力超過材料本身的趨勢強度，就會產生塑性變形；

（3）冷卻過程中，金屬材料在切割時由于溫度變化會產生變形，周圍母材會形成比較大拉應力。由于這種受熱和冷卻的不均勻性，材料的內部應力不可能全部抵消，正是由于這種內部應力的產生，導致整個零件會產生不同程度形變，零件整體尺寸會發生變化，表現也會出現不同形狀的變化。

2切割變形分析及控制

出口澳大利亞PN公司的零件非常多，從實際切割過程入手，仔細分析出發生變形的主要原因，進一步提高工藝水平，有效控制變形量是生產的目標。

2.1單一規則零件的切割

以PN機車構架上的某一零件為例，該零件的厚度為10mm，該零件形狀非常規則，可以使用幾個割嘴同時進行切割，零件的寬度方向尺寸比長度大。圖1中1-A模型中所說明的是三只割嘴同時工作的數控程序，箭頭方向即割嘴走向，虛線則為割嘴的空程。每只割嘴切割完A的所有孔之后從a點引入后進行A出的外表面切割，然后在將B出所有孔切割完成，再從b點切割B處的外表面。

事實表明，按照這個切割程序所完成的零件，大部分都會形成一定的變形，主要的表現形式是孔中心線處較之圖紙尺寸發生偏移，最大偏移量為4mm。

產生這種情況主要是因為零件長寬比例比較大，長邊受熱后內部應力不平衡導致出現變形。圖1中，a點開始切割A，鋼板靜止不動，零件邊緣處的邊1和邊2內部應力基本平衡，零件此時沒有變形。但是在進行邊3處的B切割時，因為2與3距離非常近，所以進行3處切割的時候2同時被加熱，此時的邊2與邊1內部應力就出現不均勻的現象，邊1處的應力會迫使整個邊1進行收縮，鋼板框架就會整體偏移，割嘴慢慢切割零件下端時，加上之前的孔已經移動，就會形成如圖3所示的變形。

經過上述分析得出，使用圖1中1-B進行切割時，A和B可以當做是一個整體，先加工內孔，然后按照1-7的順序將零件所有邊進行切割，邊4是共用邊。如此一來，切割B后，邊2與邊4內部應力相同，切割A時，邊4與邊6內部應力相同，鋼板框架不會因為切割應力發生形變，這就保證了整個零件的尺寸準確性。

長方形板料是一種比較常見的長寬比比較大的規則形狀的零件，使用常規切割方法會出現旁彎現象，因此可以使用如下加工方法：多割嘴一起工作，先將長邊進行切割，待鋼板溫度下降至常溫后在進行短邊切割。如果兩次切割中的火焰強度偏差不大，零件兩個長度方向同時受熱，所以就不會發生變形情況。

2.2單一異形零件的切割

以PN機車車架中的某零件為例，其厚度為6mm，異形件且外形比較大。要想提高此類零件的材料利用率，就會選擇套料的方法進行加工。圖1中3-A是常規數控程序，每只割嘴從a點引入進行A的加工，然后以b點開始加工B。大量事實表明，此種加工方法變形率基本會維持在50%左右，因為該板材厚度比較薄，所以其整個變形量會高達5-7mm。形成這種現象的主要原因是：A出切割時，后續加工的邊2較之先加工的邊1長度較大，因此邊2處的內應力會大于邊1處，而又因為邊2是凹邊，所以凸邊會阻止一部分變形的發生，綜合應力影響之下，零件變形不大且框架不會出現偏移；B邊切割時，后續加工的邊4應力較之先鉗工的邊3要小很多，而鋼板凸邊只能阻止邊3處的部分變形，這就導致整個工件出現比較大的變形量。

經過上述分析，使用圖1中的3-B切割模型，A處程序保持不變，進行B處加工時，b點引入，逆時針切割，此時B處的綜合應力不大，此處變形量較小。不管零件形狀如何，只要是零件比較長且尺寸比較大時，間斷切割法是保證變形量在可控范圍內的最佳加工方式。此種方法主要是在零件周邊事先設置一些不需要加工的點，用來將零件連接，避免出現較大變形量，待工件冷卻后再進行加工。

2.3多零件套料切割

如果在一張較大的板材上進行多出切割，一般會進行套料加工，此時因此板料變形的因素就比較負責。要想使得內部應力不大，方向和順序要控制的好。

2.3.1切割方向

切割方向選擇好的話可以保證最后切割一側能夠有效分離板材。如果切割過早或者鋼板大部分已經分離出去，周邊框架內部應力就不會消除，最終導致整個框架的變形，關鍵尺寸也無法保證。

2.3.2切割順序

切割順序對于切割變形的影響非常大，經過大量實踐經驗總結出，通常會按照“先內后外、先小后大、先圓后方”的加工方式[2]。先內后外就是指先進行板料內部零件的切割；先小后大是指先加工尺寸小的零件，此時熱量不大，不能對零件產生影響；先圓后方是指先進行圓形的加工，熱量會均勻傳遞，內部應力保持平衡。

2.3.3應用SigmaNEST套料軟件

SigmaNEST中包含有先進的自動套料程序、加工軌跡最佳選擇以及自動化管理的自動套料軟件。在避免變形中，具有非常多的方法可以選擇，如留割、搭橋、最小熱量法等等。留割是指尺寸較大部分的零件一般要保留15-30mm部分，與母材連接，避免出現較大變形量；搭橋是指套料完成后，零件之間單獨設置一些橋，將相鄰零件當做一個整體，保證連接作用，避免出現變形現象；最小熱量法是軟件中會自動選擇產生熱量最小的行走路線，而實際應用中，也可以根據套料情況選擇最佳切割方向，以減小變形量。

3結語

數控火焰切割過程中，選擇變形量較小的加工方式，如留割、搭橋等等，選擇最佳的加工方向以及加工順序，制定變形量最小的加工程序，防止零件出現較大變形量，提高零件加工水平，以達到提質降本的效果。

參考文獻：

[1]施漢生，姜興辰.氫氧火焰切割節能技術的研究與應用[J].冶金設備.2012（02）

[2]錢金川.分離式氫氧機在連鑄坯火焰切割中的應用[J].金屬加工（熱加工）.2011（02）

[3] 陳建平，馬琳. 傳統火焰切割技術在機加工領域的推廣應用[J]. 金屬加工（熱加工）. 2012（02）