高精度切割新技術的研究現(xiàn)狀

夏志全，肖海明

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院，湖北 武漢430080)

0 引 言

切割是將板材或型材等切成所需形狀和尺寸的坯料或工件的過程.切割在工業(yè)生產過程中具有十分重要的地位，它不僅關系到機械零件的加工精度、材料利用率和加工成本，同時，切割方法的合理選擇還直接關系到零件的使用性能和整機的質量.目前，工業(yè)生產中常用的高精度切割方法有電火花切割、等離子切割、激光切割和超高壓水切割.本文從工作原理和加工特點兩個方面出發(fā)，闡述了上述四種切割方法的研究現(xiàn)狀及其工藝優(yōu)勢，并從切割工藝要求和切割成本出發(fā)，給出了選用切割工藝的三條原則.

1 工作原理

1.1 電火花切割

電火花切割屬電加工范疇，該方法利用電火花的瞬時高溫使局部的金屬熔化、氧化而被腐蝕掉.圖1是電火花切割的原理圖。

圖1 電火花切割原理圖Fig.1 The schematic diagram of electric spark cutting

由圖1可知，電火花切割就是以電極絲(鉬絲或銅絲)做為工具電極，以被切割的工件做為工件電極，從而形成一個閉合回路，當脈沖電源輸送一個電脈沖過來時，就會在電極絲和工件之間形成一次電火花，從而瞬時產生大量熱能使材料熔化，甚至氣化而產生爆炸力，使工件表面的一個點被電蝕，就這樣在不斷產生電脈沖不斷進給的過程中工件材料被連續(xù)電蝕，從而對工件進行切割加工[1].

1.2 等離子切割

等離子是加熱到極高溫度并被高度電離的氣體，等離子態(tài)時，能量使分子與分子之間徹底分離，原子開始分裂，電子從原子中分離出來.一旦熱能使電子脫離了原子， 電子就開始了高速的運動，當高速運動的電子撞擊到其他的電子或是離子時，將釋放出巨大的能量，也正是這些能量使等離子態(tài)有著特殊的性質，從而有了極好的切割能力.在等離子切割過程中，壓縮空氣進入割炬后經由氣室分配成兩路，即等離子氣體和輔助氣體.等離子氣體弧產生極高溫度從而熔化金屬，而輔助氣體則冷卻割炬的各個部件并吹掉被等離子氣體弧熔化的金屬.圖2為等離子切割的工作原理圖.

1.3 激光切割

激光切割是一種利用聚焦后的激光束作為主要熱源的熱切割方法.激光源一般采用CO2激光束，工作頻率較低，為500～2 500 W， 但是通過透鏡和反射鏡作用后，可以使激光束聚集在很小的區(qū)域，從而使能量高度集中，迅速熔化、氣化被照射的材料，同時用高速氣流吹除熔融物質，達到切割工件的目的.圖3為激光切割的原理圖.

圖2 等離子切割原理圖Fig.2 The schematic diagram of plasma cutting

圖3 激光切割原理圖Fig.3 The schematic diagram of laser cutting

1.4 超高壓水切割

超高壓水切割是一種基于超高壓水射流應用的冷態(tài)切割技術.首先利用軟水處理系統(tǒng)除掉自來水中的雜質，以免堵塞寶石噴嘴.再利用超高壓技術(直流驅動泵或增壓泵)將經過處理后得到的軟水加壓到100～400 MPa，最后通過內孔直徑約0.3 mm的寶石噴嘴形成速度約為800～1000 m/s的高速射流，俗稱水箭，水箭由于速度很快，而且集中度高，具有很高的能量，可以用來切割軟基性材料.而且還可以在水箭中加入適量的磨料，這樣就幾乎可以用來切割所有的軟硬性材料.圖4為超高壓水切割的原理圖.

圖4 超高壓水切割原理圖Fig.4 The schematic diagram of super high pressure water cutting

2 加工特點及工藝優(yōu)勢

由上述的幾種切割方法的原理可知，電火花，等離子和激光切割都是利用熱量使工件瞬時熔化而達到切割目的的熱切割方法，而超高壓水切割則是利用高壓水的壓力和動能對工件進行切割的冷態(tài)切割方法.

2.1 電火花切割

由電火花切割原理可知電火花切割加工不依靠機械能，而是依靠電能去除金屬材料[2]，由于加工過程中工具和工件并不接觸，因此具有較高的材料利用率及極高的加工精度和加工表面粗糙度，慢走絲線切割機所加工的工件加工精度可達到0.001 mm級，表面質量也接近磨削水平，表面粗糙度通?？蛇_到Ra=0.8 μm及以上而且其能夠切割的工件的最大厚度也是最大的，國內不少廠家已實現(xiàn)300～600 mm的最大切割厚度，而國外有些廠家的最大切割厚度已經達到805 mm.正是由于電火花切割的這些特點，電火花切割技術為試制新產品、加工特殊材料、精密零件加工及模具制造開辟了一條新的工藝途徑.

2.2 等離子切割

等離子切割技術可以采用不同的的工作氣體切割各種氧氣切割難以切割的金屬，尤其是對于不銹鋼、鋁、銅、鈦、鎳等有色金屬切割效果更佳.在切割厚度不大的金屬的時候，等離子切割速度快，而且切割成本僅為激光切割的三分之一，尤其在切割普通碳素鋼薄板時，速度可達氧切割法的5～6倍、切割面光潔、熱變形小[3].正是由于等離子切割的這種加工特點，等離子切割技術被廣泛應用于汽車、機車、壓力容器、化工機械、核工業(yè)、通用機械、工程機械、鋼結構、船舶等各行各業(yè).

2.3 激光切割

激光是一種相干光，它具有非常優(yōu)秀的單色性能、極高的亮度、極大的能量密度以及非常好的方向性.正是由于激光的這種特性，激光切割技術與傳統(tǒng)的切割工藝相比具有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)：切割速度快，切縫小，切口部位光潔平整，整體切割質量好.尤其在進行復制加工時無需模具就可以高精度、高質量的加工各種形狀的鈑金零件，加工方式靈活，成本低[4].激光切割一般來說能切割0.1～16.0 mm的冷軋、熱軋鋼板、銅板、紙張、木材、布匹等，因此目前激光切割技術已被廣泛應用與機床制造、工程機械、電氣開關柜控制、電梯制造、糧食機械、紡織機械、食品機械、汽車制造、航空航天等各行各業(yè)，用于鈑金下料及機械零部件切割制造[5].

2.4 超高壓水切割

超高壓水切割的最大特點就是冷態(tài)切割，被切割工件無熱變形，切割面質量好，切割金屬的粗糙度達1.6 μm，切割精度達到±0.10 mm[6]，無需二次加工，而且切口寬度極小，材料利用率高.目前水切割的用途主要有三個方面：一是切割非可燃性材料，如大理石、瓷磚、玻璃、水泥制品等材料，這些都是熱切割無法加工的材料；二是通過在水射流中加入磨料，完成對一些可燃性材料的切割，如鋼板、塑料、布料、聚氨酯等，雖然加工這些材料熱切割也可以完成，但容易產生燃燒區(qū)和毛刺，水切割則不會，被切割材料的物理、機械性能不發(fā)生改變；三是一些特殊環(huán)境中和特殊材料的加工，例如水下切割和易燃易爆環(huán)境中的切割，以及對一些軍工產品例如彈藥的切割，這些都是其它方法無法取代的.

3 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

3.1 電火花切割

電火花切割具有極高的加工精度和加工表面粗糙度，而且其能夠切割的工件的最大厚度也是最大的，但是制約電火花切割技術快速發(fā)展的一個瓶頸就是電火花的切割速度慢，而且在切割過程中極易出現(xiàn)斷絲的情況，尤其是在臨近切割完成時，經常出現(xiàn)斷絲.出現(xiàn)斷絲情況后則必須停機斷電，重新接上電極絲才能繼續(xù)工作.然而現(xiàn)如今的企業(yè)很多都是流水化生產的，電火花切割經常斷絲是無法滿足企業(yè)的連續(xù)生產的，而且切割速度慢，無法提高生產效率.然而電火花切割過程中，為避免斷絲的出現(xiàn)，就得降低切割速度，但如果切割速度太慢，則會影響生產效率，因此必須在這兩者之間找到平衡點.國外很多學者已經在這方面進行了大量的研究，在電火花切割的控制系統(tǒng)中引入神經網絡的概念，通過傳感器檢測電極絲的情況反饋到控制單元，然后實時調節(jié)切割速度，在避免斷絲的前提下，以求達到最大的切割速度.另外新型走絲系統(tǒng)的研發(fā)，高度自動化、人工智能的控制系統(tǒng)的引入，高速走絲的多次切割技術[7]的研究都將促使電火花切割技術在不遠的將來成為一種應用更加廣泛的切割技術.

3.2 等離子切割

等離子切割的最大優(yōu)點就是切割速度快，但是在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，等離子切割也存在一些問題，切割過程中噪音大，煙塵多，輻射大，不僅嚴重的污染了環(huán)境，更重要的是損害操作人員的身體健康.另外作為等離子切割機關鍵部位的噴嘴、電極和割炬在目前的技術條件下都是易損件，這些部件制造成本高，使用周期短，大大增加了切割成本.與激光切割相比，等離子切割精度低，工件表面粗糙度不好，需要進行后續(xù)加工處理.

因此，為了進一步完善等離子切割技術，等離子切割未來的研究趨勢應該放在研究新型電極，割炬材料，提高這些部件的使用壽命，同時研究高精度等離子弧切割技術，加強工作氣體和噴嘴對等離子弧的壓縮作用，使噴嘴噴出的等離子弧更集中、密度更大，從而使切口寬度變窄，提高切割精度和切割表面質量.另外通過研究開發(fā)等離子水下切割技術可有效地減小鋼板熱變形，充分抑制切割過程中產生的粉塵、弧光、噪聲和飛濺[8].

3.3 激光切割

制約激光切割技術發(fā)展的關鍵問題就是激光切割的厚度不大，這主要是由于激光機功率的限制，因此，激光切割只能切割中小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，其切割速度會明顯下降.而且激光切割機一般都比較昂貴，前期投資大，很多激光機都需要配置單獨的穩(wěn)壓電源.激光切割機本身的精度要求高，對設備的保養(yǎng)維護要求高，特別是切割頭鏡片要經常維護，否則，容易損壞鏡片；要求定期進行換水，而且只能使用蒸餾水；所使用的氣體純度要求較高，對濕度等要求較高[9].為了推動激光切割技術的快速發(fā)展，未來激光切割技術的研究方向應將重點放在：大功率激光器和高性能CNC及伺服系統(tǒng)的研發(fā)，從而進一步提高加工速度、生產效率，增大材料切割厚度；建立工藝數(shù)據庫和自適應控制系統(tǒng)，并在控制系統(tǒng)中引入神經網絡概念來調節(jié)不同加工速度下激光器的輸出功率，從而提高激光切割整機性能；將激光切割、激光焊接以及激光強化毛化等工序集成在一起的激光加工中心的研發(fā)，充分發(fā)揮激光加工一機多用的功能[10].

3.4 超高壓水切割

超高壓水切割技術作為一種冷態(tài)切割技術，其各項切割指標都很優(yōu)秀，唯一不足的就是切割成本太高，在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，在切割金屬材料時，需在高壓水中添加如細砂等磨料，不僅要求細砂粒度小，而且必須干燥，否則很容易堵塞.另外水切割對于噴嘴，濾芯等易消耗件要求高，使用周期一到必須更換，否則會影響切割質量；水切割機關鍵設備增壓泵必須定期維護，否則水壓不夠將直接影響切割質量，這些都無形中增加了超高壓水切割的切割成本.而且在實際應用過程中還發(fā)現(xiàn)隨著切割厚度的增加，水切割的切割效率和切割速度明顯下降.針對水切割技術在實際應用中存在的這些問題，近些年國內外已經有學者開始做了大量的研究，例如大功率超高壓系統(tǒng)的研究，通過提高水切割機的壓力和最大輸出流量以提高切割能力；采用多增壓器并聯(lián)技術從而采用大口徑噴嘴進行切割，可以在提高切割能力的同時降低噴嘴堵塞機率；五軸水切割技術-自校正切割的研發(fā)，通過一系列復雜的內部計算得出最佳的切割軌跡，切割過程中不斷地擺動切割頭，從而使切割出來的工件達到完美的無斜度狀態(tài)[5].

4 結 語

從切割原理出發(fā)，詳細闡述了四種切割方法的工藝優(yōu)勢，研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.在查閱了大量相關文獻，以及結合在實際生產過程中累積的一些經驗，從切割工藝要求和切割成本出發(fā)，得出了以下幾條原則：

1.特殊的場合選用特定的切割方法，例如易燃易爆環(huán)境中切割只能選用水切割；在工件上打細孔只能選用電火花線切割等.

2.一般情況下，只要能夠利用熱切割方法滿足加工工藝要求時，則無需采用超高壓水切割，在相同的條件下，水切割的運行成本較高.

3.在等離子切割和激光切割都能滿足加工要求的情況下，最好選用等離子切割，因為等離子切割的運行成本要比激光切割低.

總之，在實際生產過程中要根據具體的切割要求選定合適的切割方法，既要發(fā)揮和充分利用好所選切割方法的最大性能，同時還有考慮切割成本，在提高切割效率的同時，降低成本，以求達到降本增效的目的.

致謝

論文的完成要感謝我的導師吳和保教授，吳老師對整篇論文的構架提出了指導性意見；同時還要感謝領導的親切關懷和各位同事的鼎力支持.

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