鋼板切割加工變形控制技術研究

萬 鵬

（中煤北京煤礦機械有限責任公司，北京 102400）

高碳板材是液壓支架中常用的基本型材，直接關系到相關產品的功能指標和使用安全。由于鋼板本身含碳量高，極易受到加工前和加工后的應力影響，因此產生較大變形，影響型材正常使用[1]。在加工過程中，因為瞬時切削力大、切削熱量高，鋼板型材本身易產生熱變形且缺乏約束力，所以殘余應力會導致變形。同樣的問題在加工后依然可能發(fā)生，例如2塊鋼板進行焊裝拼接，當焊接瞬時高溫仍然會導致鋼板型材內殘留大量的殘余應力[2]。因此，如何有效地控制切割過程中的殘余應力，最大限度地減少切割加工后變形，是高碳鋼板切割加工中的首要問題。基于火焰的切割加工方式是有別于等離子切割的一種技術手段。因為切割原理簡單且容易實現，切割加工的成本較低，所以火焰切割是鋼質板材切割的重要加工手段。從切割原理上看，當火焰燃燒達到3000℃以上的溫度時，就可以和純氧氣產生加速氧化現象[3]。切口和切邊處的變形主要產生于加速氧化瞬時高溫所產生的不均勻受熱。該文從鋼板切割的火焰加工原理出發(fā)，分析切割過程中的物理和力學特性，進而通過試驗對可能產生的變形進行分析，從而確定影響變形的關鍵量，以便于加以控制。

1 鋼板切割的火焰加工原理

與一般的切割工藝相比，采用火焰加工完成的鋼板切割不僅具有更高的效率，而且加工成本低、切割精度高，可以實現低碳環(huán)保的生產目標。火焰切割的基本原理是采用丙烷等無污染的清潔型可燃氣體，在切割線路上燃燒并對鋼板切割部位進行加熱；當丙烷燃燒時會釋放大量的熱，從而導致鋼板局部位置的鋼材達到燃點；此時，從側向噴嘴兒配合噴出高純度氧氣，也可以導致鋼材加速氧化；鋼材燃燒不僅可以改變切割線路上的鐵質材料屬性，而且可以釋放巨大的熱量，加速鋼材熔斷；如果鋼板的厚度不大，那么火焰加熱可以在較短時間內完成鋼材切割。根據操作經驗，對純氧噴嘴兒進行控制，得到理想的切割口，提高切割后鋼板型材的加工精度。在上述加工過程中，丙烷燃燒有預熱作用，當其達到第一波板材燃點時，剩余的板材燃點達到所需的熱能，主要利用鋼材和純氧加速氧化自身所產生的熱能。根據經驗統(tǒng)計，助燃的預熱熱能不超過火焰切割總能量的30%，剩余70%的切割能量全部由鋼材純氧加速氧化提供。在火焰切割過程中，鋼鐵和純氧的化學反應是產生熱能并完成切割的關鍵，這里的反應會出現3種情況。第一種情況，鐵和氧氣反應形成一氧化鐵并釋放熱量，化學反應過程如公式（1）所示。

式中：Fe為火焰切割加速氧化過程中的鐵元素；O2為火焰切割加速氧化過程中的氧元素；FeO為火焰切割后形成的反應物一氧化鐵。

根據公式（1）可知，在火焰切割過程中可能出現的第一種情況，就是1份的鐵和半份的氧氣反應生成1份的一氧化鐵，并釋放280.9kJ的熱量。第二種情況，鐵和氧氣反應形成三氧化二鐵并釋放熱量，化學反應過程如公式（2）所示。

式中：Fe為火焰切割加速氧化過程中的鐵元素；O2為火焰切割加速氧化過程中的氧元素；Fe2O3為火焰切割后形成的反應物三氧化二鐵。

根據公式（2）可知，在火焰切割過程中可能出現的第二種情況，就是2份的鐵和1.5份的氧氣反應生成1份的三氧化二鐵，并釋放831.3kJ的熱量。第三種情況，鐵和氧氣反應形成四氧化三鐵并釋放熱量，化學反應過程如公式（3）所示。

式中：Fe為火焰切割加速氧化過程中的鐵元素；O2為火焰切割加速氧化過程中的氧元素；Fe3O4為火焰切割后形成的反應物四氧化三鐵。

根據公式（3）可知，在火焰切割過程中可能出現的第一種情況，就是3份的鐵和2份的氧氣反應生成1份的四氧化三鐵，并釋放1130.1kJ的熱量。

分析上述3種情況可知，在火焰切割過程中，鐵元素和純氧發(fā)生反應，會生成3種不同的氧化物，但是每種氧化物的生成過程都會釋放熱量，滿足切割過程中的熱量需求。其中，四氧化三鐵的生成過程所產生的熱量最大，其次是三氧化二鐵生成所產生的熱量，最后是一氧化鐵。

2 鋼板切割的信息化建模和溫度場分析

在明確火焰切割完成鋼板型材加工的基本原理和化學反應過程后，就需要觀察這種加工方式的實際效果。如果完全進行實體切割試驗，就會增加更多的成本。因此，采用仿真加工的手段進行進一步試驗。選擇Patran有限元分析軟件，對鋼板型材、熱源、切割過程進行仿真模擬。將鋼板型材厚度設定為8mm，以滿足高碳中厚板材的特征。鋼板型材的長度設定為500mm，寬度設定為300mm。通過Patran有限元分析軟件，仿真設定后的三維效果，如圖1所示。

圖1 Patran有限元分析軟件下仿真設定的鋼板型材

如圖1所示，8mm厚的鋼板型材在仿真軟件中立體化呈現，在仿真設定過程中一共包括10000個節(jié)點和8000個基本單元，這些微小的基本單元也為火焰切割過程中的仿真模擬奠定了微觀基礎。采用Patran有限元分析軟件模擬火焰切割的加工過程，割縫位置設定在250mm處，觀察鋼板左側邊緣（0位置）到割縫處的溫度變化，如圖2所示。

圖2 火焰切割過程中各點的溫度變化曲線

從圖2中的曲線變化情況可以看出，割縫位置處的溫度最高，達到2000℃。距離割縫較近的位置，溫度也很高。隨著到割縫位置的距離增加，溫度逐漸降低，在220mm位置的溫度降為0℃。從溫度的變化情況來看，從250mm的最高溫度2000℃，距離割縫位置每增加2.5mm，就會明顯下降，依次降至1800℃、1590℃、1100℃、790℃和500℃，然后下降速度更密集，在220mm處與周邊板材溫度相同。從這條曲線的變化形式中可以看出，在鋼板材料的切割過程中，火焰加工所產生的影響只在割縫位置及其較近的范圍內產生，對于割縫位置較遠處以及鋼板型材的整體影響不大。

3 鋼板切割變形試驗與分析

在前面的研究工作中分析了火焰切割加工中的基本原理和化學反應過程，并通過Patran有限元分析軟件構建了仿真系統(tǒng)。在接下來的工作中將進一步分析經過火焰切割后，鋼板型材產生的變形。主要分析面外變形、面內旋轉變形、縱向殘余應變3種變形特征。觀察火焰切割加工后高碳中厚鋼板型材的面外變形情況，結果如圖3所示。

圖3 火焰切割加工后高碳鋼板型材的面外變形

從圖3中的2組曲線的變化情況可知，在250mm的割縫位置處，高碳中厚鋼板型材會產生最大的面外變形，然后沿著割縫位置兩側，距離越遠，面外變形越小，距離越近，面外變形越大。從2條曲線所展現的面外變形情況可以看出，在火焰切割的加工過程中，鋼板材料整體的外面變形呈現開口向上的拋物線的形狀，其中測量值變化曲線位于上方、最大變形曲線位于下方，2條曲線的形狀基本一致，并且在極值點的右側出現重疊。綜上所述，在火焰切割加工的過程中，鋼板材料整體的面外變形發(fā)生在割縫位置，割縫仍然是對鋼板材料影響最大的。其次，觀察火焰切割加工后，高碳鋼板型材的面內旋轉變形情況，結果如圖4所示。

圖4 火焰切割加工后高碳鋼板型材的面內旋轉變形

從圖4中曲線的變化情況可知，在300mm的位置處，高碳鋼板型材的面內旋轉變形最大，這與割縫位置是存在一定偏離的。需要指出的是，距離割縫較遠的左側位置，出現了正向面內旋轉變形，這與大部分是負向變形的情況有明顯區(qū)別。最后，觀察火焰切割加工后，高碳鋼板型材的縱向殘余應變情況，結果如圖5所示。

圖5 火焰切割加工后高碳鋼板型材的縱向殘余應變

從圖5中曲線的變化情況可知，火焰切割加工后的縱向殘余應變不大，最大殘余應變出現在割縫位置處，隨著距離割縫位置不斷增加，縱向殘余應變逐漸變小，在220mm位置處的殘余應變就基本不存在了。從縱向殘余應變曲線的變化趨勢來看，因割縫在250mm處，220mm處就不存在殘余應變，220mm～230mm的殘余應變發(fā)生較為迅速，230mm～250mm的殘余應變變化明顯趨緩。總體來看，火焰切割加工中的最大縱向殘余應變也只有-0.004，完全處在合理的范圍內。

4 結論

高碳鋼板切割加工是一項非常重要的機械加工技術，為液壓支架、鋼結構等領域提供基本的型材需求。該文對火焰切割加工方法進行研究，分析了火焰切割的基本原理和加工過程，證實火焰切割加工會產生一氧化鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵三種物質，每種物質的生成過程都會產生大量的熱量，從而輔助火焰切割過程完成。在Patran有限元分析軟件平臺中，構建火焰切割加工的仿真環(huán)境，并對薄型鋼板切割加工后的面外變形、面內旋轉變形、縱向殘余應力進行分析，試驗結果顯示，割縫位置處上述3種變形都比較明顯，隨著距離割縫的位置越遠，3種變形逐漸減少直至消失。