數(shù)控火焰切割件切割變形的工藝控制

陳麗

【摘要】：鋼板在進(jìn)行火焰切割加工的過(guò)程中，產(chǎn)生變形是比較常見(jiàn)問(wèn)題，變形問(wèn)題不僅會(huì)影響到加工質(zhì)量，嚴(yán)重的還會(huì)給加工構(gòu)件的使用造成影響，最終導(dǎo)致產(chǎn)品成品升高。本文主要以我公司出口到澳大利亞PN機(jī)車(chē)的切割零件為例，首先分析了在切割過(guò)程中零件產(chǎn)生變形的主要原因，然后針對(duì)實(shí)際情況提出相應(yīng)的解決策略，以期通過(guò)分析研究能夠提高數(shù)控火焰切割件的質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】：數(shù)控火焰切割；切割變形；工藝控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TG48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

0引言

數(shù)控火焰切割機(jī)的控制系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)，主要切割部分使用的是氧氣加丙烷等氣體，然后對(duì)金屬材料實(shí)施切割處理。工作原理是使氣體達(dá)到金屬材料的燃點(diǎn)，將其進(jìn)行熔化后進(jìn)行切割分離，然后在通入高壓氧氣，將殘?jiān)档?，切口產(chǎn)生[1]。由于這種加工方式能夠切割的鋼板比較后、成本非常低，所以被廣泛使用在各種機(jī)車(chē)車(chē)輛行業(yè)。但是，由于火焰的溫度非常高，切割鋼板會(huì)產(chǎn)生較大變形量，因此，必須要研究出如何避免變形的出現(xiàn)，才能夠從根本上提高質(zhì)量。

1產(chǎn)生變形的原因

金屬材料在進(jìn)行火焰切割加工時(shí)產(chǎn)生變形的主要原因如下：

（1）金屬材料在軋制或開(kāi)卷時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生比較大的內(nèi)應(yīng)力；

（2）金屬材料在進(jìn)行切割處理時(shí)，局部受熱加速，材料沿切割方向迅速膨脹，火焰周?chē)矔?huì)急速膨脹，切口處會(huì)形成較大應(yīng)力，且難以消除，如果應(yīng)力超過(guò)材料本身的趨勢(shì)強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形；

（3）冷卻過(guò)程中，金屬材料在切割時(shí)由于溫度變化會(huì)產(chǎn)生變形，周?chē)覆臅?huì)形成比較大拉應(yīng)力。由于這種受熱和冷卻的不均勻性，材料的內(nèi)部應(yīng)力不可能全部抵消，正是由于這種內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生，導(dǎo)致整個(gè)零件會(huì)產(chǎn)生不同程度形變，零件整體尺寸會(huì)發(fā)生變化，表現(xiàn)也會(huì)出現(xiàn)不同形狀的變化。

2切割變形分析及控制

出口澳大利亞PN公司的零件非常多，從實(shí)際切割過(guò)程入手，仔細(xì)分析出發(fā)生變形的主要原因，進(jìn)一步提高工藝水平，有效控制變形量是生產(chǎn)的目標(biāo)。

2.1單一規(guī)則零件的切割

以PN機(jī)車(chē)構(gòu)架上的某一零件為例，該零件的厚度為10mm，該零件形狀非常規(guī)則，可以使用幾個(gè)割嘴同時(shí)進(jìn)行切割，零件的寬度方向尺寸比長(zhǎng)度大。圖1中1-A模型中所說(shuō)明的是三只割嘴同時(shí)工作的數(shù)控程序，箭頭方向即割嘴走向，虛線則為割嘴的空程。每只割嘴切割完A的所有孔之后從a點(diǎn)引入后進(jìn)行A出的外表面切割，然后在將B出所有孔切割完成，再?gòu)腷點(diǎn)切割B處的外表面。

事實(shí)表明，按照這個(gè)切割程序所完成的零件，大部分都會(huì)形成一定的變形，主要的表現(xiàn)形式是孔中心線處較之圖紙尺寸發(fā)生偏移，最大偏移量為4mm。

產(chǎn)生這種情況主要是因?yàn)榱慵L(zhǎng)寬比例比較大，長(zhǎng)邊受熱后內(nèi)部應(yīng)力不平衡導(dǎo)致出現(xiàn)變形。圖1中，a點(diǎn)開(kāi)始切割A(yù)，鋼板靜止不動(dòng)，零件邊緣處的邊1和邊2內(nèi)部應(yīng)力基本平衡，零件此時(shí)沒(méi)有變形。但是在進(jìn)行邊3處的B切割時(shí)，因?yàn)?與3距離非常近，所以進(jìn)行3處切割的時(shí)候2同時(shí)被加熱，此時(shí)的邊2與邊1內(nèi)部應(yīng)力就出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，邊1處的應(yīng)力會(huì)迫使整個(gè)邊1進(jìn)行收縮，鋼板框架就會(huì)整體偏移，割嘴慢慢切割零件下端時(shí)，加上之前的孔已經(jīng)移動(dòng)，就會(huì)形成如圖3所示的變形。

經(jīng)過(guò)上述分析得出，使用圖1中1-B進(jìn)行切割時(shí)，A和B可以當(dāng)做是一個(gè)整體，先加工內(nèi)孔，然后按照1-7的順序?qū)⒘慵羞呥M(jìn)行切割，邊4是共用邊。如此一來(lái)，切割B后，邊2與邊4內(nèi)部應(yīng)力相同，切割A(yù)時(shí)，邊4與邊6內(nèi)部應(yīng)力相同，鋼板框架不會(huì)因?yàn)榍懈顟?yīng)力發(fā)生形變，這就保證了整個(gè)零件的尺寸準(zhǔn)確性。

長(zhǎng)方形板料是一種比較常見(jiàn)的長(zhǎng)寬比比較大的規(guī)則形狀的零件，使用常規(guī)切割方法會(huì)出現(xiàn)旁彎現(xiàn)象，因此可以使用如下加工方法：多割嘴一起工作，先將長(zhǎng)邊進(jìn)行切割，待鋼板溫度下降至常溫后在進(jìn)行短邊切割。如果兩次切割中的火焰強(qiáng)度偏差不大，零件兩個(gè)長(zhǎng)度方向同時(shí)受熱，所以就不會(huì)發(fā)生變形情況。

2.2單一異形零件的切割

以PN機(jī)車(chē)車(chē)架中的某零件為例，其厚度為6mm，異形件且外形比較大。要想提高此類(lèi)零件的材料利用率，就會(huì)選擇套料的方法進(jìn)行加工。圖1中3-A是常規(guī)數(shù)控程序，每只割嘴從a點(diǎn)引入進(jìn)行A的加工，然后以b點(diǎn)開(kāi)始加工B。大量事實(shí)表明，此種加工方法變形率基本會(huì)維持在50%左右，因?yàn)樵摪宀暮穸缺容^薄，所以其整個(gè)變形量會(huì)高達(dá)5-7mm。形成這種現(xiàn)象的主要原因是：A出切割時(shí)，后續(xù)加工的邊2較之先加工的邊1長(zhǎng)度較大，因此邊2處的內(nèi)應(yīng)力會(huì)大于邊1處，而又因?yàn)檫?是凹邊，所以凸邊會(huì)阻止一部分變形的發(fā)生，綜合應(yīng)力影響之下，零件變形不大且框架不會(huì)出現(xiàn)偏移；B邊切割時(shí)，后續(xù)加工的邊4應(yīng)力較之先鉗工的邊3要小很多，而鋼板凸邊只能阻止邊3處的部分變形，這就導(dǎo)致整個(gè)工件出現(xiàn)比較大的變形量。

經(jīng)過(guò)上述分析，使用圖1中的3-B切割模型，A處程序保持不變，進(jìn)行B處加工時(shí)，b點(diǎn)引入，逆時(shí)針切割，此時(shí)B處的綜合應(yīng)力不大，此處變形量較小。不管零件形狀如何，只要是零件比較長(zhǎng)且尺寸比較大時(shí)，間斷切割法是保證變形量在可控范圍內(nèi)的最佳加工方式。此種方法主要是在零件周邊事先設(shè)置一些不需要加工的點(diǎn)，用來(lái)將零件連接，避免出現(xiàn)較大變形量，待工件冷卻后再進(jìn)行加工。

2.3多零件套料切割

如果在一張較大的板材上進(jìn)行多出切割，一般會(huì)進(jìn)行套料加工，此時(shí)因此板料變形的因素就比較負(fù)責(zé)。要想使得內(nèi)部應(yīng)力不大，方向和順序要控制的好。

2.3.1切割方向

切割方向選擇好的話(huà)可以保證最后切割一側(cè)能夠有效分離板材。如果切割過(guò)早或者鋼板大部分已經(jīng)分離出去，周邊框架內(nèi)部應(yīng)力就不會(huì)消除，最終導(dǎo)致整個(gè)框架的變形，關(guān)鍵尺寸也無(wú)法保證。

2.3.2切割順序

切割順序?qū)τ谇懈钭冃蔚挠绊懛浅４?，?jīng)過(guò)大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出，通常會(huì)按照“先內(nèi)后外、先小后大、先圓后方”的加工方式[2]。先內(nèi)后外就是指先進(jìn)行板料內(nèi)部零件的切割；先小后大是指先加工尺寸小的零件，此時(shí)熱量不大，不能對(duì)零件產(chǎn)生影響；先圓后方是指先進(jìn)行圓形的加工，熱量會(huì)均勻傳遞，內(nèi)部應(yīng)力保持平衡。

2.3.3應(yīng)用SigmaNEST套料軟件

SigmaNEST中包含有先進(jìn)的自動(dòng)套料程序、加工軌跡最佳選擇以及自動(dòng)化管理的自動(dòng)套料軟件。在避免變形中，具有非常多的方法可以選擇，如留割、搭橋、最小熱量法等等。留割是指尺寸較大部分的零件一般要保留15-30mm部分，與母材連接，避免出現(xiàn)較大變形量；搭橋是指套料完成后，零件之間單獨(dú)設(shè)置一些橋，將相鄰零件當(dāng)做一個(gè)整體，保證連接作用，避免出現(xiàn)變形現(xiàn)象；最小熱量法是軟件中會(huì)自動(dòng)選擇產(chǎn)生熱量最小的行走路線，而實(shí)際應(yīng)用中，也可以根據(jù)套料情況選擇最佳切割方向，以減小變形量。

3結(jié)語(yǔ)

數(shù)控火焰切割過(guò)程中，選擇變形量較小的加工方式，如留割、搭橋等等，選擇最佳的加工方向以及加工順序，制定變形量最小的加工程序，防止零件出現(xiàn)較大變形量，提高零件加工水平，以達(dá)到提質(zhì)降本的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]施漢生，姜興辰.氫氧火焰切割節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].冶金設(shè)備.2012（02）

[2]錢(qián)金川.分離式氫氧機(jī)在連鑄坯火焰切割中的應(yīng)用[J].金屬加工（熱加工）.2011（02）

[3] 陳建平，馬琳. 傳統(tǒng)火焰切割技術(shù)在機(jī)加工領(lǐng)域的推廣應(yīng)用[J]. 金屬加工（熱加工）. 2012（02）