數(shù)控切割技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

龐磊

摘 要：本文在對于等離子切割機工作原理進行深入理解的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外數(shù)控等離子切割技術(shù)研究現(xiàn)狀，對于數(shù)控切割的工藝控制要點進行了分析，如切割功率密度、噴嘴高度、工作氣體與流量、電弧電壓以及切割速度等的優(yōu)化控制，以提升實際應(yīng)用中數(shù)控切割技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：數(shù)控；切割；工藝；等離子

中圖分類號：TG66 文獻標(biāo)志碼：A

1 等離子切割機的工作原理

高壓正饋式等離子切割機主要包括漏抗變壓器、開關(guān)電源、電氣控制組件和整流橋等部件，在電源接通后即可輸出120V～180V電壓，撥動噴嘴頭部的切割開關(guān)后設(shè)備即開啟供氣，當(dāng)負極接通后，噴嘴接觸待切割金屬板開啟切割工序。在切割過程中，高壓電場將氣流組織逐步電離，并形成電離子通路，即電弧，在此綜合作用下，待切割金屬板被快速熔斷，待切割完成后關(guān)閉高壓及供氣繼電器。其中等離子氣體可實現(xiàn)電弧功率的高效轉(zhuǎn)移，極高溫度的電離氣體不斷融化待切割金屬板，形成等離子切割弧。數(shù)控等離子切割噴頭部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括液體工作介質(zhì)、加熱器、氣體、離子化工作介質(zhì)和等離子割嘴等，在陰極形成等離子射束。割炬中壓縮空氣包括等離子氣體及輔助氣體兩路，其中前者對于金屬制品的融化起到關(guān)鍵作用，而后者主要起到冷卻、清潔作用。切割電源主要分為主電路（接觸器、整流器、變壓器、保護裝置及引弧線圈等）及控制電路（通過割炬的通斷實現(xiàn)對整個切割過程的有效控制），其中切割工藝過程包括預(yù)通氣、電源通路（接觸器控制）、高頻引?。ㄓ煽刂齐娐氛袷幤鲗崿F(xiàn)）、等離子切割、息弧和停機等階段。

2 國內(nèi)外數(shù)控等離子切割的現(xiàn)狀

國內(nèi)數(shù)控切割技術(shù)的應(yīng)用主要包括等離子切割機、火焰切割機兩大類，由此誕生了包括手工下料、自動化切割機下料以及數(shù)控切割機下料等多類機械裝置。其中手工下料裝置具有較強的靈活性，但其控制精度及勞動效率較低；仿形機下料需與工件靠模搭配使用，有利于提升工件下料質(zhì)量；而半自動化下料機對于工件的普適性較差。伴隨經(jīng)濟形勢的利好，數(shù)控切割設(shè)備以其優(yōu)異的板材利用率及產(chǎn)品質(zhì)量控制在生產(chǎn)加工中得到廣泛應(yīng)用，有利于提升勞動效率。國內(nèi)數(shù)控切割技術(shù)發(fā)展起步較晚，由于較高的生產(chǎn)控制成本及維護的復(fù)雜性，目前數(shù)控切割機下料占比僅為20%左右，但伴隨控制系統(tǒng)的不斷改良升級，數(shù)控切割機的發(fā)展逐步進入快速發(fā)展期，等離子切割機的數(shù)控水平不斷提升，目前國內(nèi)數(shù)控切割機的市場需求量也在不斷提升，具有較大的市場及發(fā)展?jié)摿Α?shù)控等離子切割機主要包括普通等離子弧切割（氧氣及氬氣等離子弧切割等）、再約束等離子弧切割（切割速度及質(zhì)量進一步得到提升）以及精細等離子弧切割（具有高密度的等離子弧電流密度，旋轉(zhuǎn)磁場技術(shù)不斷提升了電弧穩(wěn)定性，且切割成本進一步降低）等類型，其中，高速精細等離子切割機中配置性能優(yōu)異的數(shù)控傳動系統(tǒng)，精細化等離子弧切割的控制精度可達0.25mm，性價比較高。

在國際范圍內(nèi)，等離子切割機不斷取得技術(shù)性突破，如將NEC520連續(xù)軌跡控制器與PC600水射流式等離子系統(tǒng)搭配應(yīng)用可提升金屬板材切割精度；搭配HD890等離子機可提升切割精度；采用計算機優(yōu)化控制程序可實現(xiàn)全自動除塵功能。

等離子切割電源的應(yīng)用以高漏抗變壓器搭配逆變式等離子切割電源為主，而伴隨數(shù)控技術(shù)的更新，等離子數(shù)控技術(shù)也不斷朝著高精度、高效化方向發(fā)展，充分利用豐富的硬件及軟件資源日升數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開放性，提升數(shù)控系統(tǒng)的適應(yīng)性、擴展性及通用性，其中開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括CNC+工控機主板及工控機+運動控制板兩大類，網(wǎng)絡(luò)化及自動化性能不斷提升?？傮w上講，未來切割行業(yè)將朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及高效化等方向不斷發(fā)展。

3 數(shù)控切割的工藝控制

3.1 切割功率密度

在等離子數(shù)控切割過程中，切割噴嘴作為關(guān)鍵性組件，在冷卻過程及清潔過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，為提升等離子切割弧的性能，可考慮縮小噴嘴孔徑，并加長孔道，有利于提升電弧的功率密度及噴嘴有效斷面電流值。在另一方面，工作介質(zhì)進一步被壓縮將導(dǎo)致切割電弧的功率損失，相較于電源功率輸出，等離子弧切割過程的能量損失率可達40%～60%，因此需進行高效的造價控制及切割工藝控制，不斷提升切割精度及效率。

3.2 噴嘴高度

切割噴嘴也是等離子弧長的有效組成部分，噴嘴高度即其斷面距離待切割金屬上平面的長度，等離子切割過程中電源通常選用恒流特征電源，噴嘴高度提升后，切口將被拓寬，切割電流將減小，而功耗、弧長及電壓均會增大，進一步增大弧柱能量損耗，導(dǎo)致切割能量的降低；同時，在噴嘴射流口處等離子射流的形態(tài)多為外膨脹型，而為實現(xiàn)對切割質(zhì)量及速度的有效控制，需控制噴嘴高度在閾值范圍下限，并避免雙弧現(xiàn)象出現(xiàn)，可考慮采用陶瓷外噴嘴。

3.3 工作氣體與流量

在等離子數(shù)控切割中，需依據(jù)待切割金屬板的材質(zhì)、厚度等合理選用工作介質(zhì)，包括切割氣體、輔助氣體及起弧氣體等，一方面起到對氧化物的清潔作用，另一方面確保等離子射流合理形態(tài)。在流量控制方面，應(yīng)避免流量過大引發(fā)射流長度的縮短，進一步降低電弧穩(wěn)定性及切割質(zhì)量性能；也應(yīng)避免流量過小引發(fā)的等離子弧挺直度變差，等離子弧切割機多通過氣體壓力實現(xiàn)有效控制。

3.4 電弧電壓及切割速度

等離子數(shù)控切割設(shè)備的電弧電壓是切割效率及精度控制的關(guān)鍵，電弧電壓提升將導(dǎo)致電弧焓值的提升，同時射流流速也得到提升，有利于提升切割速度；切割速度范圍與待切割金屬制品材質(zhì)、尺寸參數(shù)及熱導(dǎo)率等密切相關(guān)，切割速度較低時不利于對電弧質(zhì)量的有效控制，且易導(dǎo)致金屬融化，形成圓角邊緣；而切割速度過快時易引發(fā)切口掛渣，影響切割質(zhì)量。

結(jié)語

數(shù)控切割技術(shù)基于數(shù)字化程序控制技術(shù)發(fā)展而來，并伴隨技術(shù)領(lǐng)域的突破不斷取得新的發(fā)展。國內(nèi)等離子數(shù)控切割技術(shù)尚處于起步發(fā)展階段，需通過電弧電壓及切割速度、切割功率密度、噴嘴高度、工作氣體與流量等技術(shù)要點的有效控制不斷提升切割效率及精度。

參考文獻

[1]劉德剛，李佳星，趙靜赟.基于ObjectARX的切割軌跡自動編程系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2014（8）：137-139.

[2]雷剛，汪健，彭林，等.基于PC104和PCL6025B的數(shù)控切割機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2014（5）：148-151.