數控火焰切割件切割變形的工藝控制

王曉娥 周 華

（南車戚墅堰機車有限公司 鋼結構公司，江蘇 常州 213011）

0 引言

數控火焰切割機是一種使用數控系統控制切割系統，利用氧氣加丙烷等燃燒氣體對金屬材料進行切割的設備。切割過程利用氣體火焰將金屬材料加熱到燃點，在金屬材料燃燒熔化的同時，利用高速氧氣流將熔渣吹除，從而形成切口[1]。由于可切割厚度大、切割成本低，數控火焰切割機廣泛應用于機車車輛等行業。但是，火焰切割的熱影響區較大，所以切割變形大的問題經常存在且難以避免，探索出有效控制變形的方法，是提高火焰切割質量的重要手段。

1 產生切割變形的理論分析

金屬板材在火焰切割時產生切割變形，主要有以下三方面的原因：（1）金屬板材在軋制或開卷過程中難免存在分布不均勻的殘余內應力；（2）金屬板材在切割過程中，受局部高溫熱源的影響，沿切割方向急劇膨脹，而周圍母材金屬又會限制這種膨脹，從而在切口邊緣產生不可抵消的應力，當應力超過金屬的屈服強度時，就產生壓縮塑性變形；（3）在冷卻過程中，金屬板材沿切割方向產生一定的收縮變形，同時受周圍母材金屬的限制，材料內部會產生一定的拉應力。由于這種不均勻的加熱和冷卻，材料內部的應力不可能平衡和完全消除，所以在材料內部應力的作用下，被切割的零件會發生不同程度熱變形，表現為零件形狀扭曲和尺寸偏差。

影響切割變形的因素主要有切割速度、割嘴的型號及其高度、切割程序等。根據板材厚度選擇合適的切割速度和割嘴型號，控制好割嘴與板材之間的距離，能有效控制熱輸入量，減少切割變形。切割程序的合理與否，直接影響著切割質量。

2 切割變形分析及控制

從出口澳大利亞PN 機車制造過程中幾種零件的切割變形實際出發，分析這幾種不同形狀特征的零件產生切割變形的原因，優化切割工藝，達到有效控制切割變形的目的。

2.1 單一規則零件的切割

以PN 機車構架上某零件的切割為例，該零件板厚為10mm，其特點是外形比較規則，可采用多只割嘴同時切割，同時零件的長寬比比較大。圖1 中1-A 模型所示為三只割嘴同時切割該零件的常規程序，箭頭方向為割嘴的運行方向，虛線為切割空程。每只割嘴切割完A 的所有孔之后從a 點引入切割A 的外形，然后切割B 的所有孔，再從b點引入切割B 的外形。實踐證明，按該程序切割出的零件，大部分會有不同程度的變形，表現在零件上是實際的孔中心線的一端偏離理論位置，最大偏離量達4mm（圖2）。

分析變形的原因，主要是因為零件長寬比比較大，長邊的熱應力不均衡引起變形。圖1 中，從a 點起沿邊1 切割A 時，鋼板處于靜止狀態，鋼板框架上邊1 和邊2 上的熱應力基本是平衡的，零件基本不產生變形。但沿邊3 切割B 時，由于邊2 離邊3 很近，所以切割邊3 的過程也是加熱邊2 的過程，這時邊2 和邊1 的所受的熱應力就不平衡了，所有邊1 上的應力之和使所有的邊1 同時收縮，從而使鋼板框架向右偏移，導致割嘴割至下端時，之前割好的孔已隨框架發生位移，從而出現圖3 所示的偏差。

基于以上分析，改用圖1 中1-B 所示切割模型，該模型將A 和B看作整體，先切割所有內孔，然后依次按照1-7 的順序依次切割各邊，其中邊4 為共用邊。這樣在切割完B 時，邊2 與邊4 上應力相平衡，切割A 時，邊4 與邊6 上的應力也基本平衡，鋼板框架不會偏移，從而能保證所有孔的位置的準確度。

圖1 單一規則零件切割模型

圖2 零件變形示意圖

細長直條是一種特殊的長寬比比較大的規則零件，用常規方法切割時常常出現旁彎現象，為此可采取以下切割技巧：多割嘴同時切割，先切割稍大于零件長度的直線條，待鋼板冷卻后，再沿寬度方向切割所需要的長度。在各割嘴火焰強度基本一致的情況下，零件長度方向的兩邊是同時受熱的，因此不會出現旁彎。

2.2 單一異形零件的切割

以PN 機車車架上某零件的切割為例，該零件厚度為6mm，其特點是外形不規則且尺寸較大。切割這類零件時，為提高板材利用率，常采用套料的方式。圖3 中3-A 為常規的切割程序模型，每只割嘴先從a 點引入切割A，再從b 點引入切割B。實踐結果表明，有近50%的零件會產生旁彎變形，而且由于該零件板料較薄，所以最大變形量可達5-7mm。

分析其變形原因：切割A 時，后切割的邊2 輪廓長度大于先切割的邊1 的長度，所以邊2 上的收縮應力超過了邊1 上應力的作用，同時因為邊2 輪廓是凹邊，所以鋼板的凸邊對邊2 的收縮有一定的阻礙作用，在合應力的作用下，零件變形較小且鋼板框架基本沒有位移；切割B 時，先切割的邊3 產生的應力比很大，后切割的邊4 上的應力，以及鋼板凸邊對邊3 的阻礙作用，只能抵消很小一部分邊3 上的應力，所以零件變形比較大。

基于以上分析，改用圖3 中3-B 所示切割模型，A 的切割程序不變，切割B 時，從b 點引入，逆時針切割，這樣就保證了作用在B 上的合應力最小，從而最大限度地控制變形。

無論是規則零件還是異形零件，如果零件較長且尺寸較大時，采用間斷切割法，是一種有效控制切割變形的方法。間斷切割法是在零件的周邊上設置一些暫時不切割的點，用以連接切割零件與鋼板，防止零件變形，等鋼板冷卻后再斷開這些點。

切割變形不僅與切割零件的形狀有關外，還與鋼板的厚度、切割零件在鋼板上的位置、以及切割零件和鋼板的相對大小有關。一般來講，鋼板越薄，切割變形越大；切割零件離鋼板中心越近，變形越小；切割零件相對鋼板越大，變形越大。

圖3 單一異形零件切割模型

2.3 多零件套料切割

當一張板上切割多種零件時，需要對整張板進行套料切割，影響切割變形的因素也變得很復雜。要能平衡變形應力，切割方向和切割順序就顯得尤為重要。

2.3.1 切割方向

合理的切割方向應該是要保證最后切割的一邊與鋼板的大部分分離。如果切割零件過早和鋼板的大部分分離，那么周邊的框架因為太輕而不能夠抵消切割時產生的熱應力，造成切割零件的變形或者板材框架的位移，從而出現尺寸超差。

2.3.2 切割順序

合理的切割順序也是控制切割變形的有效措施，經過大量探索實踐，一般應該遵守“先內后外、先小后大、先圓后方”的原則[2]。先內后外，即先切割零件的內輪廓或者內輪廓中嵌套的零件；先小后大，即先切割小尺寸零件，產生的熱量相對較小，對零件影響也小；先圓后方，即先切割圓形孔或者圓形零件，使產生的熱量輻射向外傳遞，鋼板內部的應力相對比較平衡。

2.3.3 應用SigmaNEST 套料軟件

SigmaNEST 軟件是一款融合了先進自動套料技術、加工軌跡優化技術和自動化管理技術的自動套料軟件。在控制切割熱變形方面，該軟件有留割、搭橋、工藝筋、最小熱量法等幾種方法。留割是在大尺寸零件的邊上留幾段15-30mm 的橋不切割，使之與母板相連，以牽制零件收縮變形；搭橋是在套料完成后，在零件之間增加一定寬度的橋，將相鄰零件看作一個整體切割，達到相互牽制、降低變形的目的；工藝筋是在零件內部的大開孔上預留一定寬度的工藝拉筋，用于減小零件內孔的收縮；最小熱量法是SigmaNEST 軟件中，按照最小熱變形量設定的切割路徑，實際編程中，也可以根據套料情況更改切割路徑，降低變形量。

3 結語

數控火焰切割時，采用共邊、留割、搭橋、留工藝筋等技巧，從切割方向、切割順序等方面著手，編寫合理的切割程序，能有效減少切割零件的熱變形，提高切割質量，從而降低生產成本。

［1］任秀聯，等.鋼板數控切割熱變形分析[J].煤礦機械，1999，5.

［2］吳新哲，等.提高數控火焰切割質量的途徑[J].機械管理開發，2011，2.