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数控等离子切割机在切割板材中应用

发表时间:2018-01-26 19:49:21

   等离子弧切割是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化(和蒸发),并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法。数控等离子切割机广泛运用于汽车、机车、压力容器、化工机械、核工业、通用机械、工程机械、钢结构、船舶等各行各业。影响等离子切割质量和效率的因素是多方面的,且相互作用。同样,各种改善优化方法也要综合利用,才能取得更好的效果。 

   1、等离子弧切割概述 

   等离子弧切割是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化(和蒸发),并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法。等离子切割配合不同的工作气体可以切割各种氧气切割难以切割的金属,尤其是对于有色金属(不锈钢、铝、铜、钛、镍)切割效果更佳;其主要优点在于切割厚度不大的金属的时候,等离子切割速度快,尤其在切割普通碳素钢薄板时,速度可达氧切割法的5~6倍、切割面光洁、热变形小、较少的热影响区。等离子切割机广泛运用于汽车、机车、压力容器、化工机械、核工业、通用机械、工程机械、钢结构、船舶等各行各业。等离子切割的影响因素很多,包括切割参数、工作气体类型与纯度、操作人员技术能力及对设备的了解程度等多方面。本文从切割程序设置、排料等方面出发,谈几种可提高等离子切割产品表面质量及生产效率的方法。 
   2、预留工艺小凸台 
   为保证被切割零件的完整性,切割时不在零件的轮廓线上设置切割的起点和终点。对于外轮廓的零件,切割在零件轮廓外部起割和终止;对于内轮廓零件,切割在零件轮廓内部起止。我们分别把起割点和终止点到零件轮廓上这段多出来的切割线,叫做引入线和引出线。 
   一般在设计引入引出线时,两者的交汇点仍然在零件轮廓上。以圆弧引入引出线为例,引入线为半圆弧引入,而引出线为四分之一圆弧,虽然切割起点和终点避开了零件轮廓,但从切割实际情况看,引入引出线交汇处还是会产生凹坑等缺陷(见图1),影响零件外观质量,对于后续有焊接工序的零件,则需补焊再打磨平整。为此,通过修改程序在零件外部加入工艺小凸台,将引入引出线交汇处“搬移”至零件轮廓外(见图1)。 
   为了减少后续打磨工作量,设计工艺小凸台时要考虑板厚及切割缝宽度等因素,保证小凸台突出量在5mm以内,这样有效地解决了交汇点处凹陷疤痕等质量问题。通过观察统计,对于无加工余量的等离子切割零件,采用预留工艺小凸台的方法,结合正常的焊前打磨工序可轻易去除,工作量不大,质量提高效果明显。对于精度要求较高且无加工余量的等离子切割零件,工艺小凸台的应用解决了切割引入引出线处的凹坑等缺陷;但对于精度要求不高且留有机械加工余量的零件,则没有必要预留工艺小凸台。 
   3、引出线的处理 
   对于等离子切割,程序员会习惯性地同时设置引入引出线,然而在切割零件内轮廓或小零件外轮廓时,笔者发现经常出现割枪自动断弧停机的现象。经过观察分析,得出以下原因:板料在切割过程中存在变形,且事业部切割平台底部支撑板间隙为90mm,而设置的引入引出线使切割形成了全轮廓完整切割过程,于是切割行进至引出线附近时,板料倾斜或掉落至切割平台底下,导致弧高突然产生巨大变化,割枪自动断弧停机。为此,采用将引出线去除,甚至预留0.5 ~1.5mm不切割的方法。这样,即使零件倾斜,由于切割程序已结束,电弧已断并按程序自动空转至另一切割线处,所以设备不会自动停机。这一方法目前已应用至多种车型机车零部件的等离子切割生产中,避免了切割过程中的不正常断弧停机现象,极大地提高了切割效率(如图2所示)。 
   4、共边连续切割 
   数控等离子切割机程序通常是一次点火切割一个零件,这样加工零件的精度相对较高,但切割路径长,设备易损件寿命短,成本较高。在追求效益的今天,共边连续切割是一个很好的选择。 
   共边切割是两零件之间不留隔墙,使用一条公共边,减少切割路径和切割时间,提高材料利用率;连续切割就是将钢板穿透一个孔后,不抬割嘴就可以割几个甚至几十个零件,减少了穿孔次数,对易损件寿命提高有好处。 
   如某8轴车砂箱左/右扫石器铝板,单台车16件。原切割封闭程序是一次只切割一个零件,由于此零件的原材料铝板规格为宽1000mm,故切割排版及路径如图3、图4所示;而采用“8字形”共边连续切割法,排版如图5所示,图6显示了“8字形”法时切割路径方向(为了示图清晰,B处圆弧进行了夸张处理)。使用Fastcam软件中fastPlot模块的“成本”功能,可得到附表对比数据。从表中可以明显看出,采用共边连续切割效果十分明显,仅仅按120台车计算:切割路线减少为158.4m,穿孔数量减少为1760个,空程路线减少为422.4m。随着切割路线长度和穿孔次数的减少,易损件寿命及生产降成都会得到增加。 
   虽然采用“8字形”共边连续等离子切割法切割效益明显提高,但也不可盲目追求共边连续,因为等离子切割会产生变形,过度共边切割效果会因切割方向、打孔点位置受到局限而产生更大的切割变形。一次连续切割时间也不能太长,需结合切割易损件的情况合理设置切割时间或路径总长,否则连续切割时间过长,最后切割的零件质量会有一定影响。且对于无加工余量的零件,一定要控制好割缝宽度,防止补偿不到位。 
   5、合适的切割起点 
   一般而言,等离子切割时,穿孔切割次数越多,对易损件的损耗越厉害;且对于同样的材料,等离子切割厚度比穿孔厚度要大,甚至有些零件切割前要采用机械方法预先穿孔再切割。 
   如美国海宝某型号为HySpeedH t2000的等离子切割机,切割碳钢最大厚度可达约50mm,打孔厚度就只能达约38mm。所以通常情况下,使用数控切割机时尽量减少使用“穿孔切割”的方式,而是将起割点位置设置在钢板边缘,将喷嘴直接对准工件的边缘后再启动等离子弧,且切入零件的位置处于零件最大外轮廓尺寸上。同时,由于目前国内大部分等离子切割机割缝沿切割前进方向右侧质量较好,所以切割起点确定后,切割方向就也随之基本固定了。好的切割方向选择应该保持最后一条割边与母板大部分脱离,如果过早地与母板大部分脱离,则周边的边角框可能不足以承受切割过程中出现的热变形应力,造成切割件在切割过程中移位,出现尺寸超差。 
如以图7所示的某储能车接口零件的切割起点为例,相较于方案1的切割起点,方案2的起点在零件最大外轮廓上,最后一条割边较长;并且由于切割机操作界面上不能显示细节尺寸,所以采用方案1的起割点校板时需考虑尺寸A,而操作者为了保险起见,往往会多放余量,而方案2则校板更简单明了(见表1)。 
   为了提高零件割面质量,在采用边缘作为切割起点时,增设适量长度的引线,以提高割缝质量。 
   6 结语 
   去引出线避免了等离子数控切割机切割过程中自动停机问题,既提高了切割效率,又降低了操作强度。预留小凸台解决了切口凹陷问题,对于机加无余量的零件有一定好处。采用共边连续切割既可减少切割路线长度,也可以极大减少穿孔次数。针对不同形状零件选择合适的起点,从而减少穿孔次数,有利于提高易损件的寿命,且在一定程序上可提高切割厚板能力。
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