现代切割技术

现代切割技术前言在现代工业制造领域中，切割是应用量很大、应用面广泛的基础工艺之一，尤其是在工程机械制造行业，切割工作量占有很大的比重，切割的效率和质量将直接影响生产的效率和质量。 近年来，国内外切割技术取得了突破性进展，从单一的氧乙炔火焰气割发展成为新型工业燃气火焰切割、等离子弧切割、激光切割、水射流切割、超声切割等多能源、多种工艺方法在内的现代化切割技术，与此同时又将现代化数控技术与切割技术相结合，研究开发出新一代的全自动数控切割设备。 一、几种典型切割技术、 氧乙炔新型燃气火焰切割 自1895年法国人发明氧乙炔火焰，至1900年和制造出第一把氧乙炔割炬，氧乙炔火焰切割作为最古老的热切割技术至今仍是机械制造中的一种加工方法。由于乙炔生产的原料为电石，生产过程中会排出大量电石渣（1电石生成3.3电石渣）及、等有毒有害气体，严重污染环境，在制取溶解乙炔气同时又消耗大量重要化工原料丙酮，加大了生产成本。因此，近20年来国内外有关研究机构及企业相继投入大量资金，开发研究成本低、安全、减少环境污染的新型燃气，目前国内己自主开发及引进了多种新型工业燃气代替乙炔用于工业火焰加工。同时与新型工业燃气相配套的割炬也相继投建成投产，各种割炬器种齐全。手工割炬切割厚度可达350，机用割炬切割厚度可达1800。 2、线切割,线切割,其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝（称为线切割的电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。线切割主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件，例如线切割可以加工冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，成形刀具、样板、线切割还可以加工各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等.线切割有许多无可比拟的优点,比如:线切割具有加工余量小、线切割具有加工精度高、线切割具有生产周期短、线切割具有制造成本低等突出优点，线切割已在生产中获得广泛的应用。 电火花线切割是利用工具电极（钼丝）和工件两极之间脉冲放电时产生的电腐蚀现象对工件进行尺寸加工。电火花腐蚀主要原因：两电极在绝缘液体中靠近时，由于两电极的微观表面是凹凸不平，其电场分布不均匀离得最近凸点处的电场度最高，极间介质被击穿，形成放电通道，电流迅速上升。在电场作用下，通道内的负电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极形成火花放电，电子和离子在电场作用下高速运动时相互碰撞，阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的轰击，使电极间隙内形成瞬时高温热源，通道中心温度达到10000度以上。以致局部金属材料熔化和气化。3、激光切割激光切割的工业应用始于20世纪70年代初。由于其切割尺寸质量好、速度快、精度高、效率高等优点，在多种行业获得了广泛应用。随着激光器件功率等级、稳定性及可靠性的提高和加工技术的进步，其应用领域逐步扩大到各种金属和非金属板材的切割。据2002年的统计表明：在世界激光工业应用范围内，激光切割所占比例最大，约为24。 激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现割开工件的一种切割方法。激光切割是现代切割技术中最具特色的切割技术。随着被切材料和切割参数的不同，激光切割主要有以下三种方式：1）气化切割。切口部分的材料以蒸气或渣的形式排出。是切割不熔化材料（如木材、碳和某些塑料）的基本形式。2）熔化切割。当被切材料的切口处受到较低功率密度的激光作用时，主要是发生熔化。在气流作用下，切口料以熔融物质的形式由切口底部排出。3）反应熔化切割，采用氧气或其他反应气体吹气，气体与被切材料产生放热反应，在激光辐照之外，提供了另一个切割所需的能源。在吹氧切割钢板时大约切割所需能量的60%是来自铁的氧化反应。 激光切割具有以下特点：质量好。激光的光斑小、能量密度高，切速快，切口宽度窄，切割面光洁美观，热影响小，热变形小。）效率高。可实现高速切割，切割速度可达每分钟数米至数十米。）柔性高。易实现自动控制，可切割任意形状、尺寸的板材。）材料适应性好。几乎可切割任何金属和非金属材料。激光切割可广泛用于各种材料（金属和非金属）的切割，涉及汽车、钢铁、石油、电子电器、航天航空、医疗器械和一般制造业中各种板材切割。采用同轴吹氧工艺切割金属材料，可提高切割速度和切口质量；切割纸张，木材等易燃材料时，可采用同轴吹保护气体（二氧化碳、氩气、氮气等），能防止烧焦和切口缩小；切割陶瓷、玻璃、石英等脆性材料时，采用热应力切割；对布料、纸张还可作分层切割。 等离子弧切割等离子弧切割是80年代中期发展起来的一种加工方法，当时主要是为解决不锈钢和有色金属的切割，先后开发了氩、氢、压缩空气、氮、氧等多种气体，一般等离子弧切割及水再压缩等离子切割等多种工艺方法，以适应不同的需要。 目前，等离子弧切割机的割炬正朝着割缝精度接近激光精度的方向发展；小功率切割电源向逆变方向发展，以提高电源效率及电弧的收缩性；大功率切割电源向闸管方向发展，并采用一定的补偿措施以提高效率，从而提高切割速度，改善切割质量。近年来，随着等离子弧技术的发展，切割20以下的碳钢和低合金钢，因其切割速度快，综合效益好，在工程机械制造业的应用有增长的趋势等离子弧切割是利用高温、高速的等离子弧及其焰流使工件材料熔化、蒸发和气化并被吹离基体的一种切割方法。三种压缩效应1）机械压缩效应等离子弧之所以具有极高的能量密度是以机械压缩效应。电弧被迫通过喷嘴通道喷出时，通道对电弧产生机械压缩作用，而喷嘴通道的直径和长度对机械压缩效应的影响很大。2）热收缩效应喷嘴内部通入冷却水，使喷嘴内壁受到冷却，温度降低，因而靠近内壁的气体电离度急下降，导电性差，电弧中心导电性好，电离度高，电弧电流被迫在电弧中心高温区通过，使弧的有效截面缩小，电流密度大大增加。这种因冷却而形成的电弧截面缩小作用，就是热收缩效应。一般高速等离子气体流量越大，压力越大，冷却愈充分，其热收缩效应愈强烈。3）磁收缩效应由于电弧电流周围磁场的作用，迫使电弧产生强烈的收缩作用，使电弧变得更细，电弧区中心电流密度更大，电弧更稳定而不扩散。由于上述三种压缩效应的综合作用，使等离子体的能量高度集中，电流密度、等离子气体的电离弧的温度都很高，其温度达到11000-28000，（普通电弧仅5000-8000）气体电离度随之剧增，并以极高的速度（比声速还，约800-2000m/s）从喷嘴孔喷出，具有很大的动能和冲击力当达到金属表面时，可以释放出大量的热能，加热和熔化金属，并将熔化了的金属材料吹除。 等离子弧切割的特点：1） 能切割氧气割难以切割的各种金属材料。 2）切割厚度不大的金属时，切割速度快，尤其在切割碳素钢薄板时，速度可达气割法的5-6倍。 3）切割面较光洁，热变形较小。4）切口宽度和切割面斜角较大，主要切割厚度有关。5）切割厚板的能力尚不及气割。超声切割超声切割是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛展、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料。特别适合硬脆材料切割。超声切割时，高频电源联接超声换能器（参见图3-27）由此将电振荡转为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动，其振幅仅0.005-0.01mm，再经变幅杆放大至0.05-0.1mm以驱动工具端面作超声振动。此时，磨料悬浮液（磨料、水或煤油等）在工具的超声振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的击碎成微粒和粉末。同时，由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面，又由于超声振动产生的空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不断地循环、磨粒的不断更新、切割产物的不断排除，实现了 超声加 工的目的。总之，超声切割是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象，综合切割作用的结果。其中 ，以磨粒不断冲击为主。由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声切割。超声切割的特点：适合切割各种硬脆材料，尤其适合不导电非金属硬脆材料。也可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，但加工效率较低。由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切割应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也较低，可达Ra0.63-0.08um，尺寸精度达到0.03mm，也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件.工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工具和工件做比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。比用金刚石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好等优点。高压水射流切割高压水射流作为工业产品的精密加工手段，该项切割技术的研究是从世纪年代开始，国外经过多年的研究和开发，制造出第一台高压水射流切割设备，使之能切割各种金属和陶瓷等材料。我国于年代开发研制出国产化的高压加磨料型水射流切割设备并用于生产。目前大部分水射流切割设备主要应用于非金属板材的切割。 高压水射流切割是利用水或水中加添加剂的液体，经水泵至增压器（参见图3-28），再经贮液蓄能器使高压液体流动平稳，最后由人造蓝宝石喷嘴形成300-900m/s（约为音速的1-3倍）的高速液体束流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的加工目的。高速液体束流的能量密，流量为度可100W/mm,流量为7.5L/min.高压水射流切割的特点： 1）加工精度较高，一般可达0.075-0.1mm，切边质量较好。2）液体束流的能量密度高、流速亦高，故工件切缝很窄（0.075-0.4mm）喷嘴寿命非常耐久。喷嘴和加工表面无机械接触，能实现高速加工。3）加工产物混入液体排出，故无灰尘、无污染，加之加工区温度低，不产生热量，4）适于木材、纸张、皮革等材料的加工。5）设备维护简单，操作方便，可以灵活地任意选择加工起点和部位，可通过数控，容易地进行复杂形状的自动加工。 高压水射流切割的液体流束直径为0.05-0.38mm,可以加工很薄，很软的金属和非金属材料，已广泛用于铝、铅、铜、钛合金板、复合材料、石棉、石墨、混凝土、岩石、软木、地毯、胶合板、玻璃纤维板、橡胶、棉布、纸、塑料、皮革、不锈钢等近不百种材料的切割加工。二、现代化控制技术与切割技术相结合-数控切割机 1、数控切割机现状经过几十年的发展，数控切割机在切割能源和数控控制系统两方面取得了长足的发展，切割能源已由单一的火焰能源切割发展为目前的多种能源(火焰、等离子、激光、高压水射流)切割方式；数控切割机控制系统已由当初的简单功能、复杂编程和输入方式、自动化程度不高发展到具有功能完善、智能化、图形化、网络化的控制方式； 驱动系统也从的步进驱动、模拟伺服驱动到今天的全数字式伺服驱动；数控切割机主要品种包括以下几种：数控火焰切割机数控等离子切割机数控激光切割机数控高压水射流切割机其它专用特殊切割设备（如数控管材切割机、数控型材切割机、其它非金属专用切割设备等，）2、各类型数控切割机的特点及其应用情况数控火焰切割机 ，切割具有大厚度碳钢切割能力，切割费用较低，但存在切割变形大，切割精度不高，而且切割速度较低，切割预热时间、穿孔时间长，较难适应全自动化操作的需要。它的应用场合主要限于碳钢、大厚度板材切割，在中、薄碳钢板材切割上逐渐会被等离子切割代替。数控等离子切割机，等离子切割具有切割领域宽，可切割所有金属板材，切割速度快，效率高，切割速度可达10m/min以上。等离子在水下切割能消除 切割时产生的噪声，粉尘、有害气体和弧光的污染，有效地改善工作场合的环境。采用精细等离子切割已使切割质量接近激光切割水平，目前随着大功率等离子切割技术的成熟，切割厚度已超过100mm，拓宽了数控等离子切割机切割范围。数控激光切割机，具有切割速度快，精度高等特点，激光切割机价格昂贵，切割费用高，目前只适合于薄板切割、精度要求高的场合，数控高压水射流切割机，适用于任何材料的切割（金属、非金属、复合材料），切割精度高，不产生热变形，具环保的切割方式。它的缺点在于切割速度慢、效率低、切割费用高。其它数控切割机：包括数控管材切割机，数控型钢切割机，数控坡口切割机，这些专用切割设备主要应用于各种专用型材地数控切割，目前市场上生产厂家不多。3、 数控切割机发展趋势随着现代机械加工业地发展，对切割的质量、精度要求的不断提高，对提高生产效率、降低生产成本、具有高智能化的自动切割功能的要求也在提升。数控切割机的发展必须要适应现代机械加工业发展的要求。1、数控切割机的发展。从现在几种通用数控切割机应用情况来看，数控火焰切割机功能及性能已比较完善，其材料切割的局限性（只能切割碳钢板），切割速度慢，生产效率低，其适用范围逐渐在缩小，市场不可能有大的增加。等离子切割机具有切割范围广（可切割所有金属材料），切割速度快，工作效率高等特点，未来的发展方向在于等离子电源技术的提高、数控系统与等离子切割配合问题，如电源功率的提升可切割更厚的板材；精细等离子技术的完善和提高可提高切割的速度、切面质量和切割精度；数控系统的完善和提高以适应等离子切割，可有效提高工作效率和切割质量。激光切割机具有切割速度快，精度和切割质量好等特点。激光切割技术一直是国家重点支持和推动应用的一项高新技术，特别是政府强调要振兴制造业，这就给激光切割技术应用带来发展机遇。在国家制定中长远期发展规划时，又将激光切割列为关键支撑技术，因为它涉及国家安全、国防建设、高新技术的产业化和科技前沿的发展，这就把激光切割提升到很高的重视程度，也必将给激光切割机的制造和升级带来很大的商机。 前几年，国内在销的激光切割机大部分为国外进口产品，国内产品所占份额甚小。随着用户对激光切割技术特点的逐步深入了解和示范性采用，带动了国内企业开发、生产激光切割机。2、专用数控切割机的发展。数控管材切割机适用于各种管材上切割圆柱正交、斜交、偏心交等相惯线孔、方孔、椭圆孔，并能在管子端部切割与之相交的相惯线。这种类型的设备广泛应用于金属结构件生产，电力设备、锅炉业、石油、化工等工业部门。数控坡口切割机是行内比较高端的产品之一，此类型设备的回转坡口切割功能可以满足焊接工艺中不同板材开不同角度坡口的要求。随着我国造船业的发展，船厂在国内率先引进和使用了数控等离子切割机。随着技术的发展，目前国内外船厂纷纷配备具有回转坡口切割功能的数控等离子切割机，以满足高技术、高附加值船的建造要求。