數(shù)控等離子切割下料的質(zhì)量控制與測(cè)量

李壽全，張幼民

（齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾161002）

0 前言

數(shù)控等離子切割機(jī)在鐵路裝備制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。板材零件是鐵路貨車(chē)結(jié)構(gòu)中最基本的組成單元，大約60%的零件是由金屬板料加工制成，而數(shù)控等離子切割下料占板材下料總量的53%。等離子切割的零件周邊無(wú)需加工即可直接組焊，作用無(wú)可替代。盡管數(shù)控等離子切割存在設(shè)備購(gòu)置及維護(hù)成本高、有一定的煙塵污染等不利因素，但其優(yōu)良的工藝適應(yīng)性越來(lái)越得到用戶(hù)青睞。

數(shù)控等離子切割機(jī)是集數(shù)控技術(shù)、等離子切割技術(shù)、逆變電源技術(shù)等于一體的高新技術(shù)，其發(fā)展建立在計(jì)算機(jī)控制、等離子弧特性研究、電力電子等學(xué)科共同進(jìn)步的基礎(chǔ)上[1]。為了充分發(fā)揮數(shù)控等離子切割機(jī)的效能、保證切割件的質(zhì)量，除了需要對(duì)切割設(shè)備的特性有一定的了解，正確選擇工藝參數(shù)以外，還應(yīng)對(duì)與切割相關(guān)的材料等因素有正確的認(rèn)識(shí)。

1 切割板料

板料的不平度和內(nèi)在應(yīng)力，對(duì)切割質(zhì)量的影響非常大。板材在切割前一定要經(jīng)過(guò)校平，充分釋放板材內(nèi)在應(yīng)力，并達(dá)到工藝要求的不平度（中厚板平面度一般要求≤2mm/m2）。如果待切割板料平面度不好，那么當(dāng)板料為上彎時(shí)板料與機(jī)床平臺(tái)接觸面積變小，切割時(shí)會(huì)使變形趨勢(shì)被放大，切割件實(shí)際尺寸與正常值偏離。板料為下彎時(shí)，對(duì)切割尺寸影響相對(duì)上彎時(shí)要小，只是工件與板料分離瞬間會(huì)發(fā)生掉落，工件表面易被等離子流灼傷從而出現(xiàn)起弧缺陷。在北方寒冷地區(qū)的冬季，室外放置的板材進(jìn)入車(chē)間工作場(chǎng)地后，應(yīng)經(jīng)過(guò)24 小時(shí)以上的緩霜，使之達(dá)到室溫后再進(jìn)行切割操作。為確保切割質(zhì)量，板料表面應(yīng)清潔，不得有沙粒、灰塵，板料切割前一般應(yīng)進(jìn)行拋丸涂漆預(yù)處理，漆膜厚度≤20μm，漆膜必須干燥。

2 工作平臺(tái)

工作平臺(tái)（也稱(chēng)料拍）是板料放在數(shù)控等離子切割機(jī)上進(jìn)行切割的基準(zhǔn)和支撐架，因此表面需保持水平狀態(tài)，平面度≤1.5mm/m2，根據(jù)所生產(chǎn)的切割件尺寸大小確定合理料拍間隙與間距。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)往往對(duì)料拍的重視不夠，常用剩余料邊焊接料拍，存在料拍間隙過(guò)大、其制造質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求的情況，當(dāng)多組料拍安裝在切割設(shè)備的基礎(chǔ)架體過(guò)程中，疏于對(duì)料拍整體平面度進(jìn)行調(diào)校，使各個(gè)料拍之間錯(cuò)位，將直接影響切割質(zhì)量。

3 切割方法

等離子切割機(jī)工作速度是指切割機(jī)的割炬在工作過(guò)程中的移動(dòng)速度（等離子割炬工作速度：50～6000 mm/min），切割速度選擇合理，可以使切口表面光滑無(wú)毛刺，斷口斜度較小。切割速度加快將導(dǎo)致切口斜度變大，過(guò)快則會(huì)在切口處出現(xiàn)波紋和毛刺，甚至無(wú)法切透或斷弧。切割速度過(guò)慢也會(huì)出現(xiàn)毛刺，并會(huì)使切縫變寬，影響工件尺寸與質(zhì)量，降低了切割效率。

切割順序的選擇對(duì)于保證切割質(zhì)量也非常關(guān)鍵。應(yīng)遵循先內(nèi)后外，先小后大的原則；先切割加工件的內(nèi)輪廓或內(nèi)輪廓中套切的零件，后切割工件的外部輪廓，否則如先切割外輪廓，則切割后外輪廓先從母材上脫離，必然會(huì)出現(xiàn)相對(duì)位移，在切割內(nèi)輪廓時(shí)則無(wú)法保證內(nèi)輪廓的尺寸；先切割母材上面積小的零件，后切割大尺寸的零件，可使尺寸大的零件周邊的材料質(zhì)量變輕，有利于減小大尺寸零件切割時(shí)產(chǎn)生的熱變形偏差；在能保證最佳的切割質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量選擇最近的切割路線(xiàn)。

切割零件在板料上排布時(shí)，2 個(gè)零件之間的距離，應(yīng)根據(jù)材料的材質(zhì)、板厚與割炬上割縫的大小而定，一般應(yīng)在10mm～20mm 之間,過(guò)近則會(huì)在切割過(guò)程切傷鄰近工件或出現(xiàn)刮槍現(xiàn)象，過(guò)遠(yuǎn)則浪費(fèi)材料。切割時(shí)割炬應(yīng)垂直工件表面，可稍帶一定的后傾斜角，一般不大于3°。

4 切割缺陷與對(duì)策措施

等離子切割件最常見(jiàn)的切割缺陷是起收弧缺陷。起弧缺陷一般是由板料不平、工件切割過(guò)程中發(fā)生變形或位移，起弧線(xiàn)、補(bǔ)償值設(shè)置不合理等原因造成的。由于板料不平，工件和母板脫離時(shí)會(huì)向下掉落，掉落瞬間會(huì)被等離子流灼傷，造成起弧缺陷，處理方法是根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置提前收弧時(shí)間，使工件掉落時(shí)剛好停弧或者在編程時(shí)去掉引出線(xiàn)。另外對(duì)于工件切割過(guò)程中發(fā)生變形或位移，產(chǎn)生的起收弧微小缺陷可以通過(guò)設(shè)置四分之一圓弧的起收弧線(xiàn)來(lái)彌補(bǔ)，起收弧缺陷大或者錯(cuò)位明顯時(shí)，則說(shuō)明工件變形或位移嚴(yán)重，導(dǎo)致零件尺寸偏離正常值。當(dāng)在非角點(diǎn)起收弧時(shí)，補(bǔ)償數(shù)值設(shè)置過(guò)大，起收弧線(xiàn)沒(méi)有交叉設(shè)置，則會(huì)出現(xiàn)起收弧缺陷。

等離子切割件另一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是難以切割出零件的頂點(diǎn)或尖點(diǎn)。等離子切割機(jī)由于切割速度和后托量的相互作用一般無(wú)法切割出直角頂點(diǎn)，更無(wú)法切割出銳角尖點(diǎn)。切割件通常在沒(méi)有特殊要求時(shí)，允許工件帶有切割過(guò)程自然形成的小圓角。當(dāng)要求工件切割頂點(diǎn)必須形成時(shí)，則需采取以下手段：一是通過(guò)設(shè)置拐點(diǎn)減速來(lái)減小切割時(shí)后托量對(duì)尖角的影響；二是編程時(shí)，在尖角處增加外接角，以達(dá)到對(duì)尖角或銳角理想的切割效果。

等離子切割時(shí)等離子風(fēng)線(xiàn)成倒轉(zhuǎn)的蠟燭火焰形狀，再加上風(fēng)線(xiàn)與等離子電弧之間有一定的后拖量，所以在切割時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定量切口斜度。控制切口斜度首先切割速度要控制在合理要求范圍內(nèi)，其次割炬高度、割炬傾角也應(yīng)該符合要求。有時(shí)割嘴損壞，也影響切割件的切口斜度。

對(duì)于等離子切割件上經(jīng)常出現(xiàn)的毛刺與掛渣現(xiàn)象，首先，切割速度過(guò)快或過(guò)慢都能使工件切口處產(chǎn)生一定毛刺或掛渣現(xiàn)象；其次，割嘴損壞、老化也可在切口上下方產(chǎn)生毛刺或掛渣。此時(shí)應(yīng)及時(shí)更換割嘴。還有就是切割保護(hù)氣體純度不夠或者割嘴種類(lèi)與氣體種類(lèi)不符合，也可能在工件上下表面產(chǎn)生毛刺或掛渣現(xiàn)象。如工件下方掛渣面積非常大，可能是等離子料拍被熔渣糊死，使得熔渣反彈后掛在工件表面造成。

等離子切割件的對(duì)角線(xiàn)超差也是常見(jiàn)缺陷，原因是等離子切割機(jī)一側(cè)齒輪出現(xiàn)相對(duì)偏移或齒輪與齒條間隙不合理造成的。調(diào)節(jié)對(duì)角線(xiàn)超差時(shí)，首先用專(zhuān)用的畫(huà)線(xiàn)筆做槍嘴，在平臺(tái)上畫(huà)出1 米見(jiàn)方的方形，在方形上實(shí)際測(cè)量出對(duì)角線(xiàn)偏差的大小，再根據(jù)偏差的大小調(diào)節(jié)機(jī)床。調(diào)節(jié)機(jī)床時(shí)先固定切割機(jī)的一側(cè)，調(diào)節(jié)另一側(cè)的齒輪齒條，使機(jī)床的對(duì)角線(xiàn)偏差達(dá)到要求范圍。

至于切割斷面處出現(xiàn)波紋現(xiàn)象，一般是由于切割速度過(guò)快或割嘴損壞造成的。另外機(jī)床的軌道上齒輪齒條磨損、齒條之間有異物或間隙過(guò)大、松動(dòng)等現(xiàn)象也可能造成切割件斷口處出現(xiàn)明顯波紋。

綜上所述，根據(jù)數(shù)控等離子切割工藝的特點(diǎn)和規(guī)律，通過(guò)采取得當(dāng)措施就可減少切割缺陷、控制切割質(zhì)量。當(dāng)?shù)入x子切割件尺寸與圖紙有偏差時(shí)，首先可以進(jìn)行割縫補(bǔ)償調(diào)節(jié)：割縫值正常時(shí)應(yīng)該與割炬的割縫實(shí)際值相等，但在工件尺寸需要微小變動(dòng)時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)割縫的數(shù)值來(lái)補(bǔ)償，以達(dá)到我們要求的準(zhǔn)確輪廓尺寸。調(diào)節(jié)割縫值使之加大，則所有零件外輪廓尺寸都會(huì)加大，內(nèi)輪廓尺寸則會(huì)相應(yīng)的縮小。若調(diào)節(jié)割縫值變小，零件尺寸變化趨勢(shì)則會(huì)相反。其次是調(diào)整割炬高度與電弧壓力：割炬高度一般應(yīng)在3mm～6mm 之間，電弧壓則根據(jù)切割板料的厚度設(shè)置調(diào)節(jié)范圍，在起弧時(shí)電弧壓可為550～700voltsl，根據(jù)實(shí)際板厚與板料的不平度情況微調(diào)割炬高度與電弧壓力，在其他因素不變的情況下可減小切口的斜度，改善切口質(zhì)量，減少斷弧率，達(dá)到更加理想的效果。另外，在切割材料內(nèi)在應(yīng)力特別大并對(duì)熱變形應(yīng)力比較敏感的細(xì)長(zhǎng)件時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況先破開(kāi)板材，釋放內(nèi)應(yīng)力后再切割，或采取在切割時(shí)預(yù)留工藝筋的辦法，使工件和板料一體，減小變形應(yīng)力對(duì)工件的影響，在切割完成后再切斷工藝筋。這種方法雖然可以保證工件變形小，但在最后切斷的工藝筋處會(huì)出現(xiàn)明顯的斷面缺陷，需要用修磨或焊補(bǔ)的方法進(jìn)行后續(xù)處理。

5 切割件的測(cè)量

5.1 測(cè)量作業(yè)現(xiàn)狀

數(shù)控等離子切割過(guò)程是按預(yù)設(shè)程序自動(dòng)完成的，但是切割出的工件必須進(jìn)行測(cè)量，原因是切割設(shè)備需要編程員根據(jù)工藝卡片編程，存在人為失誤的可能，另外切割設(shè)備在操作中也存在不確定因素，所以對(duì)切割后工件進(jìn)行測(cè)量是零件制造過(guò)程中的必要環(huán)節(jié)。不僅校驗(yàn)編程的正確性，而且可查看零件尺寸公差是否在范圍內(nèi)、查看是否有切割缺陷，如起收弧缺陷、斷面波紋、切割斜度等，確定是否需要進(jìn)一步調(diào)整切割參數(shù)和采取優(yōu)化切割程序等方法加以控制。

對(duì)于大多數(shù)中小型零件，一般使用卷尺等通用量具檢驗(yàn)就能滿(mǎn)足檢測(cè)要求，外形輪廓稍復(fù)雜些的零件，可將零件放在平板上用細(xì)筆沿輪廓?jiǎng)澗€(xiàn)，必要時(shí)對(duì)輪廓線(xiàn)進(jìn)行延長(zhǎng)并形成交點(diǎn)，將交點(diǎn)及其他輪廓線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量即能滿(mǎn)足零件外形尺寸檢測(cè)要求。

對(duì)于外形尺寸超過(guò)3000mm 以上的大型工件，特別是形狀比較復(fù)雜的異形件，其尺寸的測(cè)量十分困難。一般情況下工件切割后就需要判斷質(zhì)量是否合格，以便決定能否繼續(xù)生產(chǎn)，目前的常規(guī)做法是在料拍上面、以切割上平面邊緣為測(cè)量基準(zhǔn)實(shí)施檢測(cè)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)測(cè)量值進(jìn)行一定的修正，其測(cè)量誤差通常較大，個(gè)別零件的細(xì)節(jié)尺寸甚至無(wú)法測(cè)量。例如鐵路貨運(yùn)平車(chē)中梁腹板，如圖1 所示，材質(zhì)為耐候鋼09CuPCrNi-A，板厚12mm，因工藝需要預(yù)制垂直撓度，零件上下邊緣均為4 條折線(xiàn)，其夾角從左到右分別為：179.955°（撓度-11）、179.952°（撓度-5）、179.659°（撓度0），由于工件本身形狀拐點(diǎn)不明顯，而數(shù)控等離子切割機(jī)走行系統(tǒng)誤差及等離子實(shí)際割縫軌跡的圓滑型趨向，零件形狀細(xì)微的變化被湮沒(méi)，導(dǎo)致用人工測(cè)量方法無(wú)法識(shí)別拐點(diǎn)，對(duì)于撓度值更無(wú)從測(cè)得。為此只能讓零件流入組裝單位試裝，在大平臺(tái)上與其相配合零件對(duì)接擺放，通過(guò)測(cè)量總裝配尺寸來(lái)確認(rèn)零件是否合格。總之對(duì)于較為復(fù)雜二維形狀零件僅靠人工測(cè)量的傳統(tǒng)方法，導(dǎo)致檢測(cè)精度低、效率低下、工作量大等問(wèn)題已成為零件制造工藝過(guò)程中的障礙。

圖1 工件圖

5.2 光電測(cè)量

實(shí)踐證明傳統(tǒng)的測(cè)量方法已無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)精益制造、產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級(jí)的需要，隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，多種檢測(cè)方式逐漸出現(xiàn)，例如激光檢測(cè)方法，象激光全站儀、激光經(jīng)緯儀、激光干涉儀等雖然能保證較好的精度，但其缺點(diǎn)也很明顯，如價(jià)格昂貴、測(cè)量空間要求很大，而且對(duì)作業(yè)環(huán)境要求較高，只適合實(shí)驗(yàn)室等特殊工作環(huán)境中作為抽檢或計(jì)量室定標(biāo)所用。值得注意的是CCD 及圖像采集、圖像處理技術(shù)的日臻成熟為在作業(yè)中實(shí)施光電檢測(cè)方式提供了可能，毫無(wú)疑問(wèn)非接觸光電測(cè)量技術(shù)將成為制造業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。目前利用CCD 技術(shù)進(jìn)行機(jī)器視覺(jué)成像對(duì)二維物體的非接觸測(cè)量技術(shù)發(fā)展很快，機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)在零件檢測(cè)方面的技術(shù)無(wú)論在精度上還是效率上都能達(dá)到很高的程度，其操作也更加自動(dòng)化、人性化[2]。

但是數(shù)控等離子切割機(jī)并非高精度的加工設(shè)備，其加工的對(duì)象也不夠精密，使測(cè)量信息的獲取有一定難度：其一是切割斷面一般有約3°的斜度，應(yīng)按照底面也就是最大實(shí)體進(jìn)行測(cè)量；其二是切割斷面有波紋；其三是切割件的棱角或尖點(diǎn)往往切成圓角，測(cè)量時(shí)需要對(duì)其延長(zhǎng)做出交點(diǎn)。另外就是切割件往往會(huì)有一定翹曲。因此測(cè)量技術(shù)的重點(diǎn)是能夠排除干擾因素對(duì)零件的關(guān)鍵特征點(diǎn)或形狀拐點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉，并自動(dòng)對(duì)其交點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。至于測(cè)量精度也不必苛求，對(duì)于大型工件測(cè)量精度在1mm 以?xún)?nèi)就可滿(mǎn)足技術(shù)要求。光電檢測(cè)方法一旦能夠在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得以實(shí)際應(yīng)用，將會(huì)推動(dòng)制造業(yè)工藝技術(shù)水平的極大提升，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的精準(zhǔn)控制也將產(chǎn)生無(wú)法估量的作用。

6 結(jié)論

數(shù)控等離子切割技術(shù)是在制造業(yè)中普遍使用的板材下料方法，生產(chǎn)過(guò)程中往往存在過(guò)程控制比較粗放，工序質(zhì)量波動(dòng)的情況，需要大力推行精益制造、強(qiáng)化過(guò)程管理，將具體作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)到位，避免重復(fù)勞動(dòng)和材料浪費(fèi)。科學(xué)測(cè)量也是質(zhì)量控制必不可少的手段，目前有關(guān)這方面的成果不多，應(yīng)對(duì)其實(shí)用性、可靠性做深入研究和探索。

[1]陳 潔，鄭 鵬.數(shù)控等離子切割技術(shù)及應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2009，（2）.

[2]曹自然.大型板類(lèi)零件孔形位尺寸檢測(cè)系統(tǒng)[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2010.

[3]李 勇，曹 炬.矩形件排樣優(yōu)化的十字線(xiàn)法[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2004，39（6）.

[4]陳樹(shù)明，趙志超.高性能數(shù)控激光切割機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn).鍛壓裝備與制造技術(shù)，2003，38（1）.