数控等离子切割工艺优化创新

随着等离子切割技术的不断发展，数控等离子切割机的使用越来越普遍。作为中小厚度板切割下料主要设备之一，数控等离子切割机具有操作简单、精确度高、工作效率高、劳动强度低等优点，被广泛应用于多个行业，如化工行业、汽车行业、机械行业、轨道交通行业等。对于采用传统切割方式难以切割的材料，可使用数控等离子切割机完成；从切割速度上，在切割中小厚度碳钢板时，数控等离子切割速度快于传统的火焰切割速度，同时切割面保持光洁且热变形情况好；从切割成本上，数控等离子切割成本远远低于激光切割成本。

切割工作台的优化

切割机自带的切割工作台有很多块隔板支撑，如图1所示，两隔板间距110mm，切割小件时往往会出现工件掉进隔板之间而无法拿出的情况，而且隔板为8mm×190mm×4600mm直平钢板，由于经常切割的原因，下面隔板氧化渣太多，影响正常切割，需经常清理或更换。

切割工作台的优化方案及实施情况

由于本行业产品结构和产品批次均不固定，为了节省材料，经常采用套料形式（即大料和小料配套排版），如何通过对等离子工作台的工艺创新提升等离子切割机的利用率和切割工作台的使用寿命，是我们目前需要解决的问题。

图1 数控等离子切割机自带切割台

针对此问题，对现有下料产品进行工艺分析并分类，挑选出最小切割件，并确定最小件尺寸，结合现场情况设计一套新的工作台，如图2所示。

图2 数控等离子切割机优化后工作台模型图

⑴具体方案。

1)该平台按1500mm×3000mm的尺寸制作，可以多个平台组合使用；

2)平台外框由4mm板材折成U形件，并组焊成长方形框架结构，确保框架的刚度，以防在吊运过程中变形；

3)框架内部有2～3个由4mm 板折成的V形件，纵向倒扣在框架内，在纵梁上开3.5mm宽槽口，便于隔板的插入；

4)隔板由1500mm×200mm板制成，将一边切割成锯齿形结构。

⑵具体实施过程。

1)根据设备参数及所需切割零件的大小，设计切割工作台的长、宽、高和隔板间距；

2)根据设计图制作切割工作台；

3)所有切割工作台零件均用数控切割机一次割出，尺寸精确，方便隔板的更换；

4)切割工作台框架采用数控折弯机进行编程折弯，定位尺寸准确，成形度好；

5)组焊切割工作台框架；

6)将隔板插入切割工作台；

7)将切割工作台放在原有切割工作台上，切割时将料放在活动切割工作台上进行切割，如图3所示。

图3 数控等离子切割机优化后工作台实物图

切割过程中路径优化

由于板材的热胀冷缩效应，在切割过程中加工件与余料之间会产生相对移动，按加工件重量与余料重量的差别，产生相对移动可分为以下三种情况：

⑴当加工件重量＞余料重量时，加工件不动，余料相对平台移动，不影响加工件的尺寸；

⑵当加工件重量＜余料重量时，加工件相对平台移动，余料不动，加工件产生一定的偏差；

⑶当加工件重量与余料重量相当时，加工件和余料相对平台都可能产生移动，影响加工件的尺寸。

实践表明，加工件或余料相对平台产生的移动，使加工件产生的尺寸误差一般在0.3～4mm之间。

工件单边的切割路径

在数控等离子切割过程中选择合理的切割工艺，产生的变形量会有不同。在切割图4所示板材时，若选择A点为起弧点，切割方向和顺序为：A→D→C→B→A（图4a），当完成AD段的切割，加工DC段时，由于DC段余料窄，切割时高温使DC段余料产生线性伸长，CB段向外偏转，切割后使DC段尺寸缩小δ（图4b），δ 的大小与DC段的尺寸成正比。如果选择 A→B→C→D→A的切割顺序，工件最后经DA与母板分离，可有效减小切割变形。

图4 工件单边的切割路径及变形情况

图5 细长件切割

图6 细长件两件配对切割

细长件的变形控制

对于图5细长件的切割，若按A→B→C→D→A，当切割DA段时，BC段的膨胀可阻止CD 段的膨胀，完成整体切割冷却后，DA段的收缩量要大于BC段的收缩量，使工件向DA侧弯曲。旁弯量δ的大小取决于加工件的长宽比Y/X，长宽比越大，旁弯量δ就越大。

如果采用两件配对切割，如图6所示，选择A点为起弧点，切割方向和顺序：A→B→C→D→E→A→F。在完成DE段时，与母板分离相当于工件长宽比缩小一半，使旁弯量δ减小，当切割AF段时使工件两侧膨胀和收缩量相等，细长件旁弯变形能明显减小。

异形件的切割工艺

对于特殊件的切割（图7），综合上述的加工方法并针对不同异形件，可选择下列的切割工艺。

图7 特殊件切割

⑴对于凹形件采取两件配对切割的方法，先切割内边，后切割外边，最后由外向内使两件分开。切割顺序如图 8所示，内边：A1→B1→C1→D1→A1；外边：A→B→C→D→A，最后E→F、H→G。

图8 凹形件两件配对切割

⑵对于偏置中空件应采取两件配对切割，最后使两件分离。切割顺序如图9所示，内边：A1→B1→C1→D1→A1，A2→B2→C2→D2→A2，外边：A→B→C→D→A，最后 E→F。

图9 偏置中空件两件配对切割

结论

本工艺创新取得的有益效果如下:通过工艺创新,等离子切割机的利用率大大提升,工作台隔板更换方便且更换率降低一半,降低了更换成本。切割小件得到了满足,目前本工艺创新已广泛应用于铁路客车钢结构下料中,每辆车均有很多小件需要切割下料,提高了工效并且节约了大量成本。

使用等离子切割时应注意以下问题:分析数控等离子切割机切割件变形规律及影响,在切割前进行适当的板材校平处理,合理地进行板材固定,防止在切割过程中加工件发生移动;编制切割程序时,选择合理的切割工艺,使工件的最大尺寸面最后与母板分离;对于切割细长件或异形件时,用两件配对切割等控制方法,可有效防止或减小切割件的变形。

数控等离子切割在加工行业中无论从切割质量还是切割效益都优于火焰切割,配合不同的工作气体可切割各种金属,尤其对有色金属切割效果更佳。