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，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，隨后在世界范圍內(nèi)廣為普及長期沿用，隨著生產(chǎn)力發(fā)展，熱切割已由手工普通型逐步演進發(fā)展，研制出眾多采用新型燃氣以至新的切割原理的全新工業(yè)氣割裝置，自動化程度也越來越高，被加工材料也由普通碳素鋼材擴大到不銹鋼、有色金屬等材料，甚至非金屬材料，切割精度和效率都達到了前所未有的水平。數(shù)控等離子切割機就是這樣一種技術(shù)先進、生產(chǎn)工藝需要、正在推廣的新型自動化切割裝備。

            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)中美國飛機制造業(yè)的技術(shù)革新，從目前仍大量使用的火焰切割變革而來。作為熱切割的二種主要方式有必要對二者的異同、特點做一比較，才能對它們的使用更有針對和便于選擇，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，火焰切割是燃氣(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)氣體溫度進一步升高時，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，離解為電子和正離子(或稱帶正電的核)，這時物質(zhì)將進入一種新的稱為第四態(tài)的狀態(tài)，稱為等離子體，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，可達上萬度，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、磁場再約束等離子弧切割等，而目前開發(fā)的等離子系統(tǒng)，僅使用壓縮空氣和電。一般等離子切割機由電控系統(tǒng)、機械裝置及噴嘴組成，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，(類似氣體保護焊)，將被切割金屬局部熔化并被高速氣流吹走，從而形成細窄切割縫。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，等離子切割由于切割速度快、切口質(zhì)量好，穿孔時間短，僅用電可不使用切割氣，使得前期投資高而后期成本較低，這些獨有的特點使它在技術(shù)選型中優(yōu)勢較突出，因而越來越受到市場重視。可見，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：機床部分、數(shù)控部分和軟件部分。機床整體由道軌、機架、齒輪齒條傳動、減速機、伺服電機、氣路系統(tǒng)、切割機噴嘴、冷卻除塵等系統(tǒng)組成；二是以計算機、電源系統(tǒng)、伺服運動控制系統(tǒng)為核心的全套電氣系統(tǒng)硬件；計算機軟件則為第三部分，以下擬分類簡介.

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，目前國內(nèi)許多公司仍采用高頻高壓方式，國外新技術(shù)代表美國海寶等公司及國內(nèi)一些新技術(shù)公司，則采用非高頻引弧技術(shù)。而電源類型則通常有增強漏磁型變壓器電源、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)電流的次級變換斬波器電源，這類品牌目前在制作技術(shù)和性能上更為專業(yè)和精良，國內(nèi)也有越來越多的產(chǎn)品進入市場競爭。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)控自動切割和對電磁干擾要求嚴(yán)格的場合無法使用。非高頻引弧也稱為接觸引弧，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，降低了對人體的傷害。該型燃弧方式對電極引弧高度控制提出了較高要求，一般設(shè)立專門的弧壓高度控制系統(tǒng)。

2．2伺服控制系統(tǒng)

數(shù)控切割機是一種將數(shù)控技術(shù)與精密機械緊密結(jié)合的機電一體化產(chǎn)品，技術(shù)性能已遠超越仿形切割、半自動小車之類初級產(chǎn)品，適應(yīng)切割任意復(fù)雜圖形。根據(jù)加工大小，其機械結(jié)構(gòu)形式可為龍門式、懸臂式、臺式便攜式數(shù)控切割機，可選用等離子或火焰切割頭，還有更為專用的數(shù)控相貫線切割機、機械人切割機、激光切割機等。以大中型龍門、懸臂式為例，數(shù)控等離子切割機實質(zhì)是一種切割專用的多軸數(shù)控伺服系統(tǒng)，以計算機控制為中心，可在二軸以上方向?qū)η懈铑^進行圖形運動控制，以達到切割加工目的。

2．3弧壓高度控制器

以上提到，數(shù)控等離子切割對引弧、弧壓控制要求很高，廠家多采用專門的弧壓高度控制器來實現(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，通過檢測等離子弧電壓的變化，來測定等離子切割過程的割炬高度變化，實現(xiàn)對切割割炬的高度控制。通常具有的基本功能有，初始自動定位、開機穿孔與斷弧提升功能、割炬防撞、給定與實際弧壓顯示監(jiān)控、手動與自動操作等。海寶產(chǎn)品有自身配套的高性能高度控制器，應(yīng)提及，目前許多國產(chǎn)該用途產(chǎn)品，性能已完全可以滿足工程要求，替代進口使用已很普遍。

2．4工控計算機與自動編程套料軟件

數(shù)控等離子切割系統(tǒng)的控制中心，是一套以工控計算機為核心，集顯示器、鍵盤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，還需要安裝專用的自動編程套料軟件。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)入才能夠容易實現(xiàn)，整個切割系統(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、重疊體，壓縮擬合小實體曲線，自動識別過渡圓弧，全自動共邊、借邊、橋接和智能連接這樣一些細節(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操作人員手眼配合手把的移動路線和速度，加工精度和產(chǎn)出率難以保證，后來出現(xiàn)的小車切割、仿形切割在直線或某些復(fù)雜曲線加工中，相對提高了質(zhì)量和效率，但對于靈活快速加工、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)狀來看，可以了解到數(shù)控?zé)崆懈钜殉蔀橹匾募庸な侄?，設(shè)備投入和占有量越來越多。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，采用了八臺以上的大型數(shù)控等離子切割機；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)代化船廠建立長期戰(zhàn)略合作關(guān)系，在原配有數(shù)控自動、半自動直條切割機基礎(chǔ)上，新上二臺6M海寶數(shù)控等離子切割機，目前正加緊對上千噸各種厚度、形狀各異的船體基座、分段結(jié)構(gòu)板進行套料加工，數(shù)控等離子切割設(shè)備顯現(xiàn)出強大的專業(yè)加工能力，將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。

           4.編程方法及應(yīng)用實例

           數(shù)控切割機在應(yīng)用過程中首先應(yīng)進行編程工作，由于Fastcam套料軟件的應(yīng)用，使其編程簡單化。在操作過程中需要使用AutoCAD或其他繪圖軟件，另存為DXF格式。然后打開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，對零件排布進行調(diào)整并根據(jù)零件的技術(shù)要求選擇合理的切入點。然后將其輸出，F(xiàn)astcam系統(tǒng)將自動生成程序文件，將這套程序文件作為數(shù)控切割機可識別的程序，數(shù)控割機的切割頭將沿著所繪零部件的軌跡進行運動。切割實例一：軸支座部件下料

          本部件兩半圓切割口下料后需要機械加工，由此可見對切割面的表面粗糙度要求相對高一些，而且板厚60 mill。如用手工下料難以保證圓弧的平滑過渡和垂直度。又因為批量不是太大，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。實例二：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)束語近年來，隨著數(shù)控切割和等離子弧技術(shù)的發(fā)展，極大的促進和滿足了工程機械制造業(yè)切割工序的技術(shù)改進，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)出良好的增長發(fā)展態(tài)勢。如等離子弧切割機的割炬正朝著割縫精度接近激光精度的精細方向發(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)展將進一步提高切割速度，改善切割質(zhì)量。目前來看，不僅國外廠商，國內(nèi)業(yè)界公司，也已瞄準(zhǔn)了這一發(fā)展趨勢和機遇，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，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。

 

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