數(shù)控等離子切割機在切割板材中應(yīng)用

劉國芳

（重慶賽迪工程咨詢有限公司，重慶 400000）

數(shù)控等離子切割機在切割板材中應(yīng)用

劉國芳

（重慶賽迪工程咨詢有限公司，重慶 400000）

等離子弧切割是利用高溫等離子電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化（和蒸發(fā)），并借高速等離子的動量排除熔融金屬以形成切口的一種加工方法。等離子切割機廣泛運用于汽車、機車、壓力容器、化工機械、核工業(yè)、通用機械、工程機械、鋼結(jié)構(gòu)、船舶等各行各業(yè)。影響等離子切割質(zhì)量和效率的因素是多方面的，且相互作用。同樣，各種改善優(yōu)化方法也要綜合利用，才能取得更好的效果。

等離子切割 火焰切割 共邊連續(xù)切割

1 等離子弧切割概述

等離子弧切割是利用高溫等離子電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化（和蒸發(fā)），并借高速等離子的動量排除熔融金屬以形成切口的一種加工方法。等離子切割配合不同的工作氣體可以切割各種氧氣切割難以切割的金屬，尤其是對于有色金屬（不銹鋼、鋁、銅、鈦、鎳）切割效果更佳；其主要優(yōu)點在于切割厚度不大的金屬的時候，等離子切割速度快，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、較少的熱影響區(qū)。等離子切割機廣泛運用于汽車、機車、壓力容器、化工機械、核工業(yè)、通用機械、工程機械、鋼結(jié)構(gòu)、船舶等各行各業(yè)。等離子切割的影響因素很多，包括切割參數(shù)、工作氣體類型與純度、操作人員技術(shù)能力及對設(shè)備的了解程度等多方面。本文從切割程序設(shè)置、排料等方面出發(fā)，談幾種可提高等離子切割產(chǎn)品表面質(zhì)量及生產(chǎn)效率的方法。

2 預(yù)留工藝小凸臺

為保證被切割零件的完整性，切割時不在零件的輪廓線上設(shè)置切割的起點和終點。對于外輪廓的零件，切割在零件輪廓外部起割和終止；對于內(nèi)輪廓零件，切割在零件輪廓內(nèi)部起止。我們分別把起割點和終止點到零件輪廓上這段多出來的切割線，叫做引入線和引出線。

圖3 原程序排版

圖4 原程序切割順序注:1～7為切割路徑

一般在設(shè)計引入引出線時，兩者的交匯點仍然在零件輪廓上。以圓弧引入引出線為例，引入線為半圓弧引入，而引出線為四分之一圓弧，雖然切割起點和終點避開了零件輪廓，但從切割實際情況看，引入引出線交匯處還是會產(chǎn)生凹坑等缺陷（見圖1），影響零件外觀質(zhì)量，對于后續(xù)有焊接工序的零件，則需補焊再打磨平整。為此，通過修改程序在零件外部加入工藝小凸臺，將引入引出線交匯處“搬移”至零件輪廓外（見圖1）。

為了減少后續(xù)打磨工作量，設(shè)計工藝小凸臺時要考慮板厚及切割縫寬度等因素，保證小凸臺突出量在5mm以內(nèi)，這樣有效地解決了交匯點處凹陷疤痕等質(zhì)量問題。通過觀察統(tǒng)計，對于無加工余量的等離子切割零件，采用預(yù)留工藝小凸臺的方法，結(jié)合正常的焊前打磨工序可輕易去除，工作量不大，質(zhì)量提高效果明顯。對于精度要求較高且無加工余量的等離子切割零件，工藝小凸臺的應(yīng)用解決了切割引入引出線處的凹坑等缺陷；但對于精度要求不高且留有機械加工余量的零件，則沒有必要預(yù)留工藝小凸臺。

3 引出線的處理

圖5 新程序排版

圖6 A處放大及切割方向注:1～7為切割路徑

表1 普通切割法與共邊連續(xù)切割法效果對比

對于等離子切割，程序員會習慣性地同時設(shè)置引入引出線，然而在切割零件內(nèi)輪廓或小零件外輪廓時，筆者發(fā)現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)割槍自動斷弧停機的現(xiàn)象。經(jīng)過觀察分析，得出以下原因：板料在切割過程中存在變形，且事業(yè)部切割平臺底部支撐板間隙為90mm，而設(shè)置的引入引出線使切割形成了全輪廓完整切割過程，于是切割行進至引出線附近時，板料傾斜或掉落至切割平臺底下，導致弧高突然產(chǎn)生巨大變化，割槍自動斷弧停機。為此，采用將引出線去除，甚至預(yù)留0.5 ～1.5mm不切割的方法。這樣，即使零件傾斜，由于切割程序已結(jié)束，電弧已斷并按程序自動空轉(zhuǎn)至另一切割線處，所以設(shè)備不會自動停機。這一方法目前已應(yīng)用至多種車型機車零部件的等離子切割生產(chǎn)中，避免了切割過程中的不正常斷弧停機現(xiàn)象，極大地提高了切割效率（如圖2所示）。

圖7 方案1（左）、方案2（右）

4 共邊連續(xù)切割

數(shù)控等離子切割程序通常是一次點火切割一個零件，這樣加工零件的精度相對較高，但切割路徑長，設(shè)備易損件壽命短，成本較高。在追求效益的今天，共邊連續(xù)切割是一個很好的選擇。

共邊切割是兩零件之間不留隔墻，使用一條公共邊，減少切割路徑和切割時間，提高材料利用率；連續(xù)切割就是將鋼板穿透一個孔后，不抬割嘴就可以割幾個甚至幾十個零件，減少了穿孔次數(shù)，對易損件壽命提高有好處。

如某8軸車砂箱左/右掃石器鋁板，單臺車16件。原切割封閉程序是一次只切割一個零件，由于此零件的原材料鋁板規(guī)格為寬1000mm，故切割排版及路徑如圖3、圖4所示；而采用“8字形”共邊連續(xù)切割法，排版如圖5所示，圖6顯示了“8字形”法時切割路徑方向（為了示圖清晰，B處圓弧進行了夸張?zhí)幚恚?。使用Fastcam軟件中fastPlot模塊的“成本”功能，可得到附表對比數(shù)據(jù)。從表中可以明顯看出，采用共邊連續(xù)切割效果十分明顯，僅僅按120臺車計算：切割路線減少為158.4m，穿孔數(shù)量減少為1760個，空程路線減少為422.4m。隨著切割路線長度和穿孔次數(shù)的減少，易損件壽命及生產(chǎn)降成都會得到增加。

雖然采用“8字形”共邊連續(xù)等離子切割法切割效益明顯提高，但也不可盲目追求共邊連續(xù)，因為等離子切割會產(chǎn)生變形，過度共邊切割效果會因切割方向、打孔點位置受到局限而產(chǎn)生更大的切割變形。一次連續(xù)切割時間也不能太長，需結(jié)合切割易損件的情況合理設(shè)置切割時間或路徑總長，否則連續(xù)切割時間過長，最后切割的零件質(zhì)量會有一定影響。且對于無加工余量的零件，一定要控制好割縫寬度，防止補償不到位。

5 合適的切割起點

一般而言，等離子切割時，穿孔切割次數(shù)越多，對易損件的損耗越厲害；且對于同樣的材料，等離子切割厚度比穿孔厚度要大，甚至有些零件切割前要采用機械方法預(yù)先穿孔再切割。

如美國海寶某型號為HySpeedH t2000的等離子切割機，切割碳鋼最大厚度可達約50mm，打孔厚度就只能達約38mm。所以通常情況下，使用數(shù)控切割機時盡量減少使用“穿孔切割”的方式，而是將起割點位置設(shè)置在鋼板邊緣，將噴嘴直接對準工件的邊緣后再啟動等離子弧，且切入零件的位置處于零件最大外輪廓尺寸上。同時，由于目前國內(nèi)大部分等離子切割機割縫沿切割前進方向右側(cè)質(zhì)量較好，所以切割起點確定后，切割方向就也隨之基本固定了。好的切割方向選擇應(yīng)該保持最后一條割邊與母板大部分脫離，如果過早地與母板大部分脫離，則周邊的邊角框可能不足以承受切割過程中出現(xiàn)的熱變形應(yīng)力，造成切割件在切割過程中移位，出現(xiàn)尺寸超差。

如以圖7所示的某儲能車接口零件的切割起點為例，相較于方案1的切割起點，方案2的起點在零件最大外輪廓上，最后一條割邊較長；并且由于切割機操作界面上不能顯示細節(jié)尺寸，所以采用方案1的起割點校板時需考慮尺寸A，而操作者為了保險起見，往往會多放余量，而方案2則校板更簡單明了（見表1）。

為了提高零件割面質(zhì)量，在采用邊緣作為切割起點時，增設(shè)適量長度的引線，以提高割縫質(zhì)量。

6 結(jié)語

去引出線避免了等離子切割過程中自動停機問題，既提高了切割效率，又降低了操作強度。預(yù)留小凸臺解決了切口凹陷問題，對于機加無余量的零件有一定好處。采用共邊連續(xù)切割既可減少切割路線長度，也可以極大減少穿孔次數(shù)。針對不同形狀零件選擇合適的起點，從而減少穿孔次數(shù)，有利于提高易損件的壽命，且在一定程序上可提高切割厚板能力。