數(shù)控等離子切割技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中的應(yīng)用和發(fā)展

           在現(xiàn)代化大型鋼結(jié)構(gòu)工廠中，無(wú)論是重鋼、輕鋼結(jié)構(gòu)，或者在建筑、設(shè)備、船舶等不同鋼構(gòu)業(yè)界，切割下料都是生產(chǎn)鏈中首道關(guān)鍵制造工序，“切割及焊接”素有鋼鐵裁縫之稱(chēng)，其中主要指應(yīng)用面廣量大的熱切割。熱切割始于上世紀(jì)初，乙炔手工氣割出現(xiàn)在法國(guó)，隨后在世界范圍內(nèi)廣為普及長(zhǎng)期沿用，隨著生產(chǎn)力發(fā)展，熱切割已由手工普通型逐步演進(jìn)發(fā)展，研制出眾多采用新型燃?xì)庖灾列碌那懈钤淼娜鹿I(yè)氣割裝置，自動(dòng)化程度也越來(lái)越高，被加工材料也由普通碳素鋼材擴(kuò)大到不銹鋼、有色金屬等材料，甚至非金屬材料，切割精度和效率都達(dá)到了前所未有的水平。數(shù)控等離子切割機(jī)就是這樣一種技術(shù)先進(jìn)、生產(chǎn)工藝需要、正在推廣的新型自動(dòng)化切割裝備。

            1.等離子切割的原理及與火焰切割的異同

            數(shù)控等離子切割于20世紀(jì)50年代在美國(guó)研制成功，是集數(shù)控技術(shù)、等離子切割技術(shù)、電源技術(shù)于一體的機(jī)電一體化裝置。它的基本工作原理的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，得益于二戰(zhàn)中美國(guó)飛機(jī)制造業(yè)的技術(shù)革新，從目前仍大量使用的火焰切割變革而來(lái)。作為熱切割的二種主要方式有必要對(duì)二者的異同、特點(diǎn)做一比較，才能對(duì)它們的使用更有針對(duì)和便于選擇，為此，應(yīng)清楚了解等離子切割的原理及與火焰切割的差異。首先，火焰切割是燃?xì)?目前多為丙烷氣等高燃燒值氣體)加氧氣燃燒加熱切割鋼材，加工溫度數(shù)千度。等離子切割所需熱力能源和切割原理則大為不同，先了解一下什么是等離子體?現(xiàn)在知道，物質(zhì)有四種狀態(tài)，隨著溫度升高，依次呈現(xiàn)為固體、液體和氣體三態(tài)，當(dāng)氣體溫度進(jìn)一步升高時(shí)，能量使分子之間徹底分離，其中的原子由于激烈的相互碰撞而使得電子從原子游離出來(lái)，離解為電子和正離子(或稱(chēng)帶正電的核)，這時(shí)物質(zhì)將進(jìn)入一種新的稱(chēng)為第四態(tài)的狀態(tài)，稱(chēng)為等離子體，等離子體之間的撞擊將釋放出巨大的能量，產(chǎn)生和維持更高的溫度，可達(dá)上萬(wàn)度，這應(yīng)是“熱態(tài)等離子”(有別于“冷態(tài)等離子”)。等離子體的這種性質(zhì)用于切割，如由電流產(chǎn)生，再加以約束，可產(chǎn)生電流密度極高的等離子弧，根據(jù)所使用的工作氣體，主要分為氧、氬氣等離子弧切割等，而根據(jù)約束方式，主要分為水再壓縮等離子弧切割、磁場(chǎng)再約束等離子弧切割等，而目前開(kāi)發(fā)的等離子系統(tǒng)，僅使用壓縮空氣和電。一般等離子切割機(jī)由電控系統(tǒng)、機(jī)械裝置及噴嘴組成，根據(jù)引弧原理不同控制系統(tǒng)有所不同。電控系統(tǒng)產(chǎn)生高溫高熱等離子弧，由壓縮空氣壓縮后從噴嘴噴出，(類(lèi)似氣體保護(hù)焊)，將被切割金屬局部熔化并被高速氣流吹走，從而形成細(xì)窄切割縫。從切割效果看，火焰切割與等離子切割的切口質(zhì)量差別較大，等離子切口較窄，光滑度較好一般不需打磨，火焰切割則經(jīng)常需要人工除渣磨邊，但等離子通常只切割30mm以下的鋼板(以及有色金屬板)，較厚的鋼板仍需火焰切割，而多邊直條切割機(jī)一般使用火焰切割。

            火焰切割與等離子切割又一直觀的效果差別在于，由于電弧與溫度不同，火焰切割對(duì)金屬板起著熔化與吹離作用，而等離子弧的高溫，除熔化外還有氧化蒸發(fā)過(guò)程，切割中常常冒出黃煙，因而不得不采用板下水槽或其他除塵措施。然而綜合比較各方面優(yōu)缺點(diǎn)，等離子切割由于切割速度快、切口質(zhì)量好，穿孔時(shí)間短，僅用電可不使用切割氣，使得前期投資高而后期成本較低，這些獨(dú)有的特點(diǎn)使它在技術(shù)選型中優(yōu)勢(shì)較突出，因而越來(lái)越受到市場(chǎng)重視。可見(jiàn)，根據(jù)使用目的和范圍的不同，二種切割方式還是有著比較明顯的分工取向的。

          2.數(shù)控等離子設(shè)備的基本系統(tǒng)構(gòu)成

          數(shù)控等離子切割設(shè)備一般概括為三大部分：機(jī)床部分、數(shù)控部分和軟件部分。機(jī)床整體由道軌、機(jī)架、齒輪齒條傳動(dòng)、減速機(jī)、伺服電機(jī)、氣路系統(tǒng)、切割機(jī)噴嘴、冷卻除塵等系統(tǒng)組成；二是以計(jì)算機(jī)、電源系統(tǒng)、伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為核心的全套電氣系統(tǒng)硬件；計(jì)算機(jī)軟件則為第三部分，以下擬分類(lèi)簡(jiǎn)介.

2．1等離子切割的引弧方式和電源等離子切割的引弧方式一般有傳統(tǒng)的高頻高壓方式和新型非高頻方式，目前國(guó)內(nèi)許多公司仍采用高頻高壓方式，國(guó)外新技術(shù)代表美國(guó)海寶等公司及國(guó)內(nèi)一些新技術(shù)公司，則采用非高頻引弧技術(shù)。而電源類(lèi)型則通常有增強(qiáng)漏磁型變壓器電源、晶閘管整流電源、逆變電源和斬波電源四種。比較通用的海寶MAX200是一種恒流、提供40—200A連續(xù)可調(diào)電流的次級(jí)變換斬波器電源，這類(lèi)品牌目前在制作技術(shù)和性能上更為專(zhuān)業(yè)和精良，國(guó)內(nèi)也有越來(lái)越多的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。高壓高頻引弧要求在工件和電極間產(chǎn)生3KV以上的高壓和150—200KHZ的高頻振蕩，擊穿中性氣體介質(zhì)而形成電弧，電路又分為短路和非短路型，這種引弧方式具有較高的引弧成功率，但造成的電磁干擾較嚴(yán)重，在數(shù)控自動(dòng)切割和對(duì)電磁干擾要求嚴(yán)格的場(chǎng)合無(wú)法使用。非高頻引弧也稱(chēng)為接觸引弧，要求電極與噴嘴直接接觸短路后靠氣體分壓而引燃小弧，產(chǎn)品內(nèi)無(wú)需高頻振蕩器，消除了高頻高壓放電產(chǎn)生的電磁干擾，降低了對(duì)人體的傷害。該型燃弧方式對(duì)電極引弧高度控制提出了較高要求，一般設(shè)立專(zhuān)門(mén)的弧壓高度控制系統(tǒng)。

2．2伺服控制系統(tǒng)

數(shù)控切割機(jī)是一種將數(shù)控技術(shù)與精密機(jī)械緊密結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品，技術(shù)性能已遠(yuǎn)超越仿形切割、半自動(dòng)小車(chē)之類(lèi)初級(jí)產(chǎn)品，適應(yīng)切割任意復(fù)雜圖形。根據(jù)加工大小，其機(jī)械結(jié)構(gòu)形式可為龍門(mén)式、懸臂式、臺(tái)式便攜式數(shù)控切割機(jī)，可選用等離子或火焰切割頭，還有更為專(zhuān)用的數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)、機(jī)械人切割機(jī)、激光切割機(jī)等。以大中型龍門(mén)、懸臂式為例，數(shù)控等離子切割機(jī)實(shí)質(zhì)是一種切割專(zhuān)用的多軸數(shù)控伺服系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)控制為中心，可在二軸以上方向?qū)η懈铑^進(jìn)行圖形運(yùn)動(dòng)控制，以達(dá)到切割加工目的。

2．3弧壓高度控制器

以上提到，數(shù)控等離子切割對(duì)引弧、弧壓控制要求很高，廠家多采用專(zhuān)門(mén)的弧壓高度控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求。等離子弧壓高度控制器的原理是利用等離子電源的基本恒流特性，通過(guò)檢測(cè)等離子弧電壓的變化，來(lái)測(cè)定等離子切割過(guò)程的割炬高度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)切割割炬的高度控制。通常具有的基本功能有，初始自動(dòng)定位、開(kāi)機(jī)穿孔與斷弧提升功能、割炬防撞、給定與實(shí)際弧壓顯示監(jiān)控、手動(dòng)與自動(dòng)操作等。海寶產(chǎn)品有自身配套的高性能高度控制器，應(yīng)提及，目前許多國(guó)產(chǎn)該用途產(chǎn)品，性能已完全可以滿(mǎn)足工程要求，替代進(jìn)口使用已很普遍。

2．4工控計(jì)算機(jī)與自動(dòng)編程套料軟件

數(shù)控等離子切割系統(tǒng)的控制中心，是一套以工控計(jì)算機(jī)為核心，集顯示器、鍵盤(pán)一體化可視化編程的圖形切割控制器。系統(tǒng)除裝有通常Windows操作系統(tǒng)、數(shù)控控制系統(tǒng)外，還需要安裝專(zhuān)用的自動(dòng)編程套料軟件。好馬配好鞍，有了相應(yīng)的具備CAD／CAM功能的繪圖編程軟件，切割圖形的編輯和導(dǎo)入才能夠容易實(shí)現(xiàn)，整個(gè)切割系統(tǒng)將如虎添翼，可方便、靈巧、可靠地完成復(fù)雜的加工功能。發(fā)思特軟件公司授權(quán)的FastCAM自動(dòng)編程套料軟件，就是當(dāng)前業(yè)界很受歡迎的一款用于二維切割數(shù)控系統(tǒng)的繪圖編程軟件，與一般傳統(tǒng)CAD繪圖軟件相比，F(xiàn)astCAM不僅可以把通常CAD軟件繪制圖形方便錄入機(jī)器，轉(zhuǎn)化為切割軟件，還可以用清除、壓縮、擬合等優(yōu)化手段，完成清除DXT／DWG文件中多余點(diǎn)、重疊體，壓縮擬合小實(shí)體曲線(xiàn)，自動(dòng)識(shí)別過(guò)渡圓弧，全自動(dòng)共邊、借邊、橋接和智能連接這樣一些細(xì)節(jié)功能，使其有更高的智能性和交互性，有效提高和保證切割質(zhì)量，這也是該軟件的核心技術(shù)之一，尤其是FastCAM優(yōu)化套料技術(shù)，可有效提高鋼材套料利用率，有效節(jié)省鋼材，提高加工效率。

            3.數(shù)控等離子(火焰)切割在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中的應(yīng)用

            傳統(tǒng)的手工切割只能通過(guò)操作人員手眼配合手把的移動(dòng)路線(xiàn)和速度，加工精度和產(chǎn)出率難以保證，后來(lái)出現(xiàn)的小車(chē)切割、仿形切割在直線(xiàn)或某些復(fù)雜曲線(xiàn)加工中，相對(duì)提高了質(zhì)量和效率，但對(duì)于靈活快速加工、單件及特種批量加工受到局限，而數(shù)控切割技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用，真正使熱切割工藝發(fā)生了質(zhì)的變革飛躍。拿當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀來(lái)看，可以了解到數(shù)控?zé)崆懈钜殉蔀橹匾募庸な侄危O(shè)備投入和占有量越來(lái)越多。以某沿海城市工業(yè)園區(qū)為例，某大型鋼構(gòu)廠，由于以加工大型H鋼鋼構(gòu)產(chǎn)品為主，采用了大量數(shù)控火焰切割和自動(dòng)焊接設(shè)備；某船廠由于船舶鋼結(jié)構(gòu)特種加工的要求，采用了八臺(tái)以上的大型數(shù)控等離子切割機(jī)；我公司曾以H型鋼廠房鋼構(gòu)生產(chǎn)為主，于近期與某現(xiàn)代化船廠建立長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作關(guān)系，在原配有數(shù)控自動(dòng)、半自動(dòng)直條切割機(jī)基礎(chǔ)上，新上二臺(tái)6M海寶數(shù)控等離子切割機(jī)，目前正加緊對(duì)上千噸各種厚度、形狀各異的船體基座、分段結(jié)構(gòu)板進(jìn)行套料加工，數(shù)控等離子切割設(shè)備顯現(xiàn)出強(qiáng)大的專(zhuān)業(yè)加工能力，將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

           4.編程方法及應(yīng)用實(shí)例

           數(shù)控切割機(jī)在應(yīng)用過(guò)程中首先應(yīng)進(jìn)行編程工作，由于Fastcam套料軟件的應(yīng)用，使其編程簡(jiǎn)單化。在操作過(guò)程中需要使用AutoCAD或其他繪圖軟件，另存為DXF格式。然后打開(kāi)Fastcam套料軟件，輸人數(shù)據(jù)確定板料的尺寸，然后將DXF格式下料文件導(dǎo)入到Fastcam套料軟件中，根據(jù)提示確定下料的數(shù)量，根據(jù)板料的規(guī)格，以最佳節(jié)省材料為原則，對(duì)零件排布進(jìn)行調(diào)整并根據(jù)零件的技術(shù)要求選擇合理的切入點(diǎn)。然后將其輸出，F(xiàn)astcam系統(tǒng)將自動(dòng)生成程序文件，將這套程序文件作為數(shù)控切割機(jī)可識(shí)別的程序，數(shù)控割機(jī)的切割頭將沿著所繪零部件的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。切割實(shí)例一：軸支座部件下料

          本部件兩半圓切割口下料后需要機(jī)械加工，由此可見(jiàn)對(duì)切割面的表面粗糙度要求相對(duì)高一些，而且板厚60 mill。如用手工下料難以保證圓弧的平滑過(guò)渡和垂直度。又因?yàn)榕坎皇翘?，不適合使用仿形切割，使用數(shù)控火焰就解決了以上困難點(diǎn)。實(shí)例二：船用舾裝件部件

            此部件若用傳統(tǒng)的下料方法不但難以保證質(zhì)量，而且效率非常低，如果采用數(shù)控下料設(shè)備并使用等離子頭，快捷方便，切割質(zhì)量和效率均可保證。5結(jié)束語(yǔ)近年來(lái)，隨著數(shù)控切割和等離子弧技術(shù)的發(fā)展，極大的促進(jìn)和滿(mǎn)足了工程機(jī)械制造業(yè)切割工序的技術(shù)改進(jìn)，鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)行業(yè)內(nèi)也是這樣，它的技術(shù)發(fā)展和綜合效益使之展現(xiàn)出良好的增長(zhǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)。如等離子弧切割機(jī)的割炬正朝著割縫精度接近激光精度的精細(xì)方向發(fā)展；小功率切割電源向逆變方向發(fā)展，以提高電源效率及電弧的收縮性；大功率切割電源向閘管方向發(fā)展，并采用一定的補(bǔ)償措施以提高效率，出現(xiàn)了水射流式大功率等離子電源，新技術(shù)發(fā)展將進(jìn)一步提高切割速度，改善切割質(zhì)量。目前來(lái)看，不僅國(guó)外廠商，國(guó)內(nèi)業(yè)界公司，也已瞄準(zhǔn)了這一發(fā)展趨勢(shì)和機(jī)遇，急起直追，不斷加大技術(shù)推廣和研發(fā)的力度，可以預(yù)見(jiàn)，數(shù)控切割特別是等離子切割的技術(shù)提高將步伐加快，有著廣闊的發(fā)展空間。

 

來(lái)源：www.barrlsol.com.cn