數(shù)控切割技術的研究與應用現(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上，結合國內(nèi)外數(shù)控等離子切割技術研究現(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，以提升實際應用中數(shù)控切割技術水平。

關鍵詞：數(shù)控；切割；工藝；等離子

中圖分類號：TG66 文獻標志碼：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后設備即開啟供氣，當負極接通后，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構如圖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通氣、電源通路（接觸器控制）、高頻引弧（由控制電路振蕩器實現(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)控切割技術的應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)加工中得到廣泛應用，有利于提升勞動效率。國內(nèi)數(shù)控切割技術發(fā)展起步較晚，由于較高的生產(chǎn)控制成本及維護的復雜性，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?。?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)控技術的更新，等離子數(shù)控技術也不斷朝著高精度、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)結構的開放性，提升數(shù)控系統(tǒng)的適應性、擴展性及通用性，其中開放系統(tǒng)結構包括CNC+工控機主板及工控機+運動控制板兩大類，網(wǎng)絡化及自動化性能不斷提升。總體上講，未來切割行業(yè)將朝著智能化、網(wǎng)絡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，切割噴嘴作為關鍵性組件，在冷卻過程及清潔過程中發(fā)揮著關鍵性作用，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)控切割設備的電弧電壓是切割效率及精度控制的關鍵，電弧電壓提升將導致電弧焓值的提升，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)及熱導率等密切相關，切割速度較低時不利于對電弧質(zhì)量的有效控制，且易導致金屬融化，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。

結語

數(shù)控切割技術基于數(shù)字化程序控制技術發(fā)展而來，并伴隨技術領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要點的有效控制不斷提升切割效率及精度。

參考文獻

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