數控等離子切割機工作原理及質量分析

（三一汽車起重機械有限公司，湖南 長沙 410600）

數控等離子切割機工作原理及質量分析

陸雄

（三一汽車起重機械有限公司，湖南 長沙 410600）

介紹了數控等離子切割機的基本組成及工作原理，針對切割斷面波質量問題進行了分析討論，并提出處理方法以供參考。

數控等離子切割機；等離子電??；切割斷面波紋

數控等離子切割機可以切割各種形狀工件并具有切割速度快、切割面質量好、切割尺寸精確、工件熱變形小等優(yōu)點，被廣泛應用。

三一汽車起重機械有限公司現(xiàn)擁有16臺數控等離子切割機，在實際的切割加工中，經常出現(xiàn)各種質量問題，如有切割斜角、熔渣、斷面波紋等。為提高加工質量，應對數控等離子切割機的工作原理有較全面的了解。

一、數控等離子切割機的基本組成

數控等離子切割機主要由CNC數控系統(tǒng)、機械本體及等離子電源等三大部分組成（圖1）。

圖1 數控等離子切割機的組成框圖

1.CNC數控系統(tǒng)

CNC數控系統(tǒng)是主要由CNC數控主機、I/O控制電路板、伺服驅動器、伺服電機及割炬高度控制等部分組成（圖2）。

圖2 CNC數控系統(tǒng)組成框圖

CNC數控主機是數控系統(tǒng)的核心，它采用Hypertherm的Edge系統(tǒng)，在WindowsXP軟件系統(tǒng)平臺上安裝Phoenix圖形切割軟件，具有人機界面直觀、操作簡單靈活等特點。數控主機指令通過I/O接口控制電路傳送到伺服驅動器以控制伺服電機實現(xiàn)位置控制，完成圖形切割加工。割炬高度控制主要有兩個作用，一是在等離子起弧時實現(xiàn)初始定位功能，二是在切割加工過程中實現(xiàn)割炬高度自動控制，常用的調高方式有弧壓調高和電容調高，這里采用的是弧壓調高。

2.機械本體

機械本體是數控等離子切割機的機械結構件，通常采用龍門式結構，軌距6m?？v向大車采用雙邊驅動。主要由兩側端梁、橫梁、割炬小車、割炬升降機構、導向及傳動機構等部分組成（圖3）。

圖3 數控等離子切割機結構示意圖

由橫梁及兩側端梁組成了機床的主體結構?？v向大車驅動方式采用雙邊高精度齒輪齒條傳動，齒輪與齒條為無側隙嚙合。下面主要對這幾個關鍵結構進行詳細介紹。

（1）縱向大車導向機構

縱向大車導向機構主要由大車導軌、大車行走輪、導向軸承、調節(jié)杠桿機構等部分組成（圖4）。

縱向大車方向采用工字型導軌，表面經過熱處理及加工。兩側端梁下部各有2個大車行走輪及4只導向軸承，用來實現(xiàn)縱向大車行走的導向。這種導向結構實現(xiàn)導向軸承與導軌之間零間隙，通過一套杠桿調節(jié)機構產生預緊力。預緊力由一組碟形彈簧產生，其大小應適當。過小導軌的接觸剛度降低，影響加工精度。預緊力過大將增加傳動阻力，電機負荷增大、加快導向軸承的磨損。

圖4 縱向大車導向機構

（2）縱向大車傳動機構

縱向大車的傳動采用齒輪齒條傳動，由伺服電機通過減速機傳送給大車齒輪。

大車齒條安裝在縱向導軌的側面，大車齒輪與伺服電機及減速機一起安裝在回轉座上，為了提高傳動精度，齒輪齒條傳動利用彈簧機構來自動消除齒側間隙。圖5為齒側間隙消除機構，齒輪齒條間的接觸力由壓縮彈簧產生，其大小可以通過調節(jié)螺桿來進行調節(jié)。彈簧力的大小必須保證在正常傳動過程中齒輪與齒條不脫開，且需要有足夠的剛度。這種機構還有一個作用就是在機床發(fā)生撞車時，齒輪齒條能夠脫開，以保護傳動機構，所以彈簧力的大小必須適當。

圖5 縱向大車傳動機構

（3）橫向割炬小車導向機構

模向割炬小車方向采用2根圓柱形導軌（圖6a），該導軌嵌在方型的基座上，以保證導軌的剛度。

橫向導向機構采用4對特制導向軸承來實現(xiàn)導向行走，上部導向軸承采用同心銷軸固定，為不可調結構。如圖6b所示，下部導向軸承采用偏心銷軸固定，可以通過轉動偏心銷軸的角度來消除導向軸承與導軌之間的間隙，并產生一定的預緊力，這樣提高了橫向割炬小車的運動剛度。

圖6a 橫向割炬小車導向機構

圖6b偏心調節(jié)機構放大圖

3.等離子電源

等離子電源主要由主控制板、啟動電路、斬波器、引弧電路、冷卻水路、氣路等部分組成（圖7）。

圖7 MAX200等離子電源組成框圖

二、等離子弧切割過程分析

等離子切割是以高溫、高速的等離子弧為熱源，它以壓縮氣體為工作介質,通過被壓縮氣體電離形成高溫、高速的等離子電弧,將被切割的金屬或非金屬局部熔化（或蒸發(fā)），同時用高速、高壓氣流將已熔化的金屬或非金屬“吹離”基體而形成狹窄而光潔切口的一個過程。

1.割炬的結構及功能

割炬是等離子弧切割的關鍵部件，直接關系等離子切割的效率及質量。主要零件有電極、噴嘴、渦流環(huán)、保護套、保護罩、水管。

（1）噴嘴功能

①等離子噴嘴是通過使旋轉的等離子氣體收縮、噴射，對等離子電弧弧柱產生機械壓縮、熱收縮、磁收縮等效應，使其能量密度和沖擊力增加，達到切割的目的。

②等離子弧噴嘴產生引導電弧的功能，其工作過程：先以電極為陰極，噴嘴為陽極，在電場的作用下，通過使電極與噴嘴間等離子氣電離產生引導電弧，當引導電弧的焰流接觸工件后，焰流接通了電極與工件之間的電流通路，此時工件取代噴嘴作為陽極，與電極間產生切割等離子弧，同時繼電器切斷噴嘴上的電路。

③等離子噴嘴耐高溫且導熱性好，等離子弧的弧柱溫度高達30 000℃以上，弧柱從噴嘴的φ2mm小孔中穿過，使噴嘴溫度很高。

（2）渦流環(huán)主要功能

渦流環(huán)的主要功能是產生旋轉的等離子氣，等離子氣流旋轉噴射結構如圖8所示，它是先通過渦流環(huán)將氣體改變成切向氣流旋轉，然后再進行收縮和噴射。

圖8 切割示意圖

當等離子氣體在高速旋轉時，離心作用使溫度較低密度較高的氣體向外側移動，溫度高而密度低的氣體向中間移動，這樣就在噴嘴的噴射孔內形成了徑向的外冷內熱的溫度梯度。這種梯度增加了等離子氣對弧柱的熱縮和磁縮效應。在機械收縮的共同作用下，使等離子弧柱能量密度更高、挺直性更好、沖擊力更大。由此可見，在其它條件相同的情況下，等離子氣流的旋轉速度越高，則對等離子弧柱的收縮效果越好。

2.弧壓高度控制

在切割過程中等離子割炬與工件的高度距離控制很重要。在實際切割過程中,由于板材不平整，使割炬與鋼板高度距離不斷變化，為此，割炬必須相應做上、下調整以穩(wěn)定電弧，保證正常切割。

根據理論研究，如圖9所示，割炬的切割高度與弧壓成一定的比例關系，利用這一原理，通常我們利用弧壓來控制割炬的高度，稱為弧壓調高。

三、常見質量問題產生的原因及解決措施

圖9 弧壓與切割高度的關系

評定數控等離子切割質量好壞可從以下3個方面來判斷:切割斜角的大小、熔渣量的多少、切割斷面波紋的深度等。操作工可以通過調節(jié)弧壓、切割電流、切割速度、工作氣壓等來改善切割質量。

1.切割斜角

如圖10所示，切割斜角（切割角度）指的是切割邊部和垂直線的夾角。假如切割非常完美，則切割斜角接近于0°。

圖10 切割斜角

如圖11所示，調節(jié)割炬高度可以改變切割斜角，可以通過調節(jié)弧壓來改變割炬高度。

圖11 割炬高度對切割斜角的影響

2.熔渣

（1）頂部熔渣（圖12）

位于割縫的頂部兩側，這種溶渣是飛濺而形成的，減小弧壓可以使頂部溶渣消失。

（2）高速熔渣（圖13）

這種溶渣較小，在割縫的底部，其產生的原因是由于噴嘴損壞、電流過低、速度過快、切割高度過高造成的。清除時需鏟除或打磨，可以通過更換電極噴嘴、減小速度、降低弧壓等方法來減少高速熔渣。

（3）低速熔渣（圖14）

圖12 頂部熔渣

圖13 高速熔渣

圖14 低速熔渣

這是大量沉積而成的球狀溶渣。其產生的原因是電流過高、速度過低、切割高度過低造成的，可以通過增加切割速度及增加弧壓來減小低速熔渣。

3.切割斷面波紋

切割斜角、熔渣及切割表面相互影響，表面平滑與粗糙與熔渣量取決于適當的速度。凹形的切割面是由于割炬到工件的距離太小或易損件燒損；凸形切割面是由于割炬到工件的距離太大或易損件燒損。

前文所述的質量問題通?？赏ㄟ^選擇合適的切割電流、切割速度、弧壓、調節(jié)工作氣壓和及時更換電極、噴嘴、渦流環(huán)等易損件的辦法加以解決。在實際切割加工中，經常會出現(xiàn)波浪狀的切割斷面波紋，這種波紋表面光潔、排列整齊、紋路有規(guī)律。這種切割斷面波紋采用調節(jié)切割參數的方法是沒法解決的。

通過維修實踐發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種波紋的原因主要是由于機床結構及傳動剛性不夠，導致機床在運行時發(fā)生振動及抖動而產生的。因此應從這些方面加以分析處理。

[1]下料應知應會手冊.精益質量總部下料焊接工藝所[M]. 2011.

[2]MAX200PlasmaArcCuttingSystemServiceManual，801620-Rivision13Hypertherm.

[3]趙家政.數控等離子切割機弧壓自動調高系統(tǒng)[J].現(xiàn)代制造工程，2007（1）.

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