数控火焰切割件切割变形的工艺控制

王晓娥 周 华

（南车戚墅堰机车有限公司 钢结构公司，江苏 常州 213011）

0 引言

数控火焰切割机是一种使用数控系统控制切割系统，利用氧气加丙烷等燃烧气体对金属材料进行切割的设备。切割过程利用气体火焰将金属材料加热到燃点，在金属材料燃烧熔化的同时，利用高速氧气流将熔渣吹除，从而形成切口[1]。由于可切割厚度大、切割成本低，数控火焰切割机广泛应用于机车车辆等行业。但是，火焰切割的热影响区较大，所以切割变形大的问题经常存在且难以避免，探索出有效控制变形的方法，是提高火焰切割质量的重要手段。

1 产生切割变形的理论分析

金属板材在火焰切割时产生切割变形，主要有以下三方面的原因：（1）金属板材在轧制或开卷过程中难免存在分布不均匀的残余内应力；（2）金属板材在切割过程中，受局部高温热源的影响，沿切割方向急剧膨胀，而周围母材金属又会限制这种膨胀，从而在切口边缘产生不可抵消的应力，当应力超过金属的屈服强度时，就产生压缩塑性变形；（3）在冷却过程中，金属板材沿切割方向产生一定的收缩变形，同时受周围母材金属的限制，材料内部会产生一定的拉应力。由于这种不均匀的加热和冷却，材料内部的应力不可能平衡和完全消除，所以在材料内部应力的作用下，被切割的零件会发生不同程度热变形，表现为零件形状扭曲和尺寸偏差。

影响切割变形的因素主要有切割速度、割嘴的型号及其高度、切割程序等。根据板材厚度选择合适的切割速度和割嘴型号，控制好割嘴与板材之间的距离，能有效控制热输入量，减少切割变形。切割程序的合理与否，直接影响着切割质量。

2 切割变形分析及控制

从出口澳大利亚PN 机车制造过程中几种零件的切割变形实际出发，分析这几种不同形状特征的零件产生切割变形的原因，优化切割工艺，达到有效控制切割变形的目的。

2.1 单一规则零件的切割

以PN 机车构架上某零件的切割为例，该零件板厚为10mm，其特点是外形比较规则，可采用多只割嘴同时切割，同时零件的长宽比比较大。图1 中1-A 模型所示为三只割嘴同时切割该零件的常规程序，箭头方向为割嘴的运行方向，虚线为切割空程。每只割嘴切割完A 的所有孔之后从a 点引入切割A 的外形，然后切割B 的所有孔，再从b点引入切割B 的外形。实践证明，按该程序切割出的零件，大部分会有不同程度的变形，表现在零件上是实际的孔中心线的一端偏离理论位置，最大偏离量达4mm（图2）。

分析变形的原因，主要是因为零件长宽比比较大，长边的热应力不均衡引起变形。图1 中，从a 点起沿边1 切割A 时，钢板处于静止状态，钢板框架上边1 和边2 上的热应力基本是平衡的，零件基本不产生变形。但沿边3 切割B 时，由于边2 离边3 很近，所以切割边3 的过程也是加热边2 的过程，这时边2 和边1 的所受的热应力就不平衡了，所有边1 上的应力之和使所有的边1 同时收缩，从而使钢板框架向右偏移，导致割嘴割至下端时，之前割好的孔已随框架发生位移，从而出现图3 所示的偏差。

基于以上分析，改用图1 中1-B 所示切割模型，该模型将A 和B看作整体，先切割所有内孔，然后依次按照1-7 的顺序依次切割各边，其中边4 为共用边。这样在切割完B 时，边2 与边4 上应力相平衡，切割A 时，边4 与边6 上的应力也基本平衡，钢板框架不会偏移，从而能保证所有孔的位置的准确度。

图1 单一规则零件切割模型

图2 零件变形示意图

细长直条是一种特殊的长宽比比较大的规则零件，用常规方法切割时常常出现旁弯现象，为此可采取以下切割技巧：多割嘴同时切割，先切割稍大于零件长度的直线条，待钢板冷却后，再沿宽度方向切割所需要的长度。在各割嘴火焰强度基本一致的情况下，零件长度方向的两边是同时受热的，因此不会出现旁弯。

2.2 单一异形零件的切割

以PN 机车车架上某零件的切割为例，该零件厚度为6mm，其特点是外形不规则且尺寸较大。切割这类零件时，为提高板材利用率，常采用套料的方式。图3 中3-A 为常规的切割程序模型，每只割嘴先从a 点引入切割A，再从b 点引入切割B。实践结果表明，有近50%的零件会产生旁弯变形，而且由于该零件板料较薄，所以最大变形量可达5-7mm。

分析其变形原因：切割A 时，后切割的边2 轮廓长度大于先切割的边1 的长度，所以边2 上的收缩应力超过了边1 上应力的作用，同时因为边2 轮廓是凹边，所以钢板的凸边对边2 的收缩有一定的阻碍作用，在合应力的作用下，零件变形较小且钢板框架基本没有位移；切割B 时，先切割的边3 产生的应力比很大，后切割的边4 上的应力，以及钢板凸边对边3 的阻碍作用，只能抵消很小一部分边3 上的应力，所以零件变形比较大。

基于以上分析，改用图3 中3-B 所示切割模型，A 的切割程序不变，切割B 时，从b 点引入，逆时针切割，这样就保证了作用在B 上的合应力最小，从而最大限度地控制变形。

无论是规则零件还是异形零件，如果零件较长且尺寸较大时，采用间断切割法，是一种有效控制切割变形的方法。间断切割法是在零件的周边上设置一些暂时不切割的点，用以连接切割零件与钢板，防止零件变形，等钢板冷却后再断开这些点。

切割变形不仅与切割零件的形状有关外，还与钢板的厚度、切割零件在钢板上的位置、以及切割零件和钢板的相对大小有关。一般来讲，钢板越薄，切割变形越大；切割零件离钢板中心越近，变形越小；切割零件相对钢板越大，变形越大。

图3 单一异形零件切割模型

2.3 多零件套料切割

当一张板上切割多种零件时，需要对整张板进行套料切割，影响切割变形的因素也变得很复杂。要能平衡变形应力，切割方向和切割顺序就显得尤为重要。

2.3.1 切割方向

合理的切割方向应该是要保证最后切割的一边与钢板的大部分分离。如果切割零件过早和钢板的大部分分离，那么周边的框架因为太轻而不能够抵消切割时产生的热应力，造成切割零件的变形或者板材框架的位移，从而出现尺寸超差。

2.3.2 切割顺序

合理的切割顺序也是控制切割变形的有效措施，经过大量探索实践，一般应该遵守“先内后外、先小后大、先圆后方”的原则[2]。先内后外，即先切割零件的内轮廓或者内轮廓中嵌套的零件；先小后大，即先切割小尺寸零件，产生的热量相对较小，对零件影响也小；先圆后方，即先切割圆形孔或者圆形零件，使产生的热量辐射向外传递，钢板内部的应力相对比较平衡。

2.3.3 应用SigmaNEST 套料软件

SigmaNEST 软件是一款融合了先进自动套料技术、加工轨迹优化技术和自动化管理技术的自动套料软件。在控制切割热变形方面，该软件有留割、搭桥、工艺筋、最小热量法等几种方法。留割是在大尺寸零件的边上留几段15-30mm 的桥不切割，使之与母板相连，以牵制零件收缩变形；搭桥是在套料完成后，在零件之间增加一定宽度的桥，将相邻零件看作一个整体切割，达到相互牵制、降低变形的目的；工艺筋是在零件内部的大开孔上预留一定宽度的工艺拉筋，用于减小零件内孔的收缩；最小热量法是SigmaNEST 软件中，按照最小热变形量设定的切割路径，实际编程中，也可以根据套料情况更改切割路径，降低变形量。

3 结语

数控火焰切割时，采用共边、留割、搭桥、留工艺筋等技巧，从切割方向、切割顺序等方面着手，编写合理的切割程序，能有效减少切割零件的热变形，提高切割质量，从而降低生产成本。

［1］任秀联，等.钢板数控切割热变形分析[J].煤矿机械，1999，5.

［2］吴新哲，等.提高数控火焰切割质量的途径[J].机械管理开发，2011，2.