数控火焰切割件切割变形的工艺控制

陈丽

【摘要】：钢板在进行火焰切割加工的过程中，产生变形是比较常见问题，变形问题不仅会影响到加工质量，严重的还会给加工构件的使用造成影响，最终导致产品成品升高。本文主要以我公司出口到澳大利亚PN机车的切割零件为例，首先分析了在切割过程中零件产生变形的主要原因，然后针对实际情况提出相应的解决策略，以期通过分析研究能够提高数控火焰切割件的质量。

【关键词】：数控火焰切割；切割变形；工艺控制

中图分类号：TG48 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

0引言

数控火焰切割机的控制系统是数控系统，主要切割部分使用的是氧气加丙烷等气体，然后对金属材料实施切割处理。工作原理是使气体达到金属材料的燃点，将其进行熔化后进行切割分离，然后在通入高压氧气，将残渣吹掉，切口产生[1]。由于这种加工方式能够切割的钢板比较后、成本非常低，所以被广泛使用在各种机车车辆行业。但是，由于火焰的温度非常高，切割钢板会产生较大变形量，因此，必须要研究出如何避免变形的出现，才能够从根本上提高质量。

1产生变形的原因

金属材料在进行火焰切割加工时产生变形的主要原因如下：

（1）金属材料在轧制或开卷时必然会产生比较大的内应力；

（2）金属材料在进行切割处理时，局部受热加速，材料沿切割方向迅速膨胀，火焰周围也会急速膨胀，切口处会形成较大应力，且难以消除，如果应力超过材料本身的趋势强度，就会产生塑性变形；

（3）冷却过程中，金属材料在切割时由于温度变化会产生变形，周围母材会形成比较大拉应力。由于这种受热和冷却的不均匀性，材料的内部应力不可能全部抵消，正是由于这种内部应力的产生，导致整个零件会产生不同程度形变，零件整体尺寸会发生变化，表现也会出现不同形状的變化。

2切割变形分析及控制

出口澳大利亚PN公司的零件非常多，从实际切割过程入手，仔细分析出发生变形的主要原因，进一步提高工艺水平，有效控制变形量是生产的目标。

2.1单一规则零件的切割

以PN机车构架上的某一零件为例，该零件的厚度为10mm，该零件形状非常规则，可以使用几个割嘴同时进行切割，零件的宽度方向尺寸比长度大。图1中1-A模型中所说明的是三只割嘴同时工作的数控程序，箭头方向即割嘴走向，虚线则为割嘴的空程。每只割嘴切割完A的所有孔之后从a点引入后进行A出的外表面切割，然后在将B出所有孔切割完成，再从b点切割B处的外表面。

事实表明，按照这个切割程序所完成的零件，大部分都会形成一定的变形，主要的表现形式是孔中心线处较之图纸尺寸发生偏移，最大偏移量为4mm。

产生这种情况主要是因为零件长宽比例比较大，长边受热后内部应力不平衡导致出现变形。图1中，a点开始切割A，钢板静止不动，零件边缘处的边1和边2内部应力基本平衡，零件此时没有变形。但是在进行边3处的B切割时，因为2与3距离非常近，所以进行3处切割的时候2同时被加热，此时的边2与边1内部应力就出现不均匀的现象，边1处的应力会迫使整个边1进行收缩，钢板框架就会整体偏移，割嘴慢慢切割零件下端时，加上之前的孔已经移动，就会形成如图3所示的变形。

经过上述分析得出，使用图1中1-B进行切割时，A和B可以当做是一个整体，先加工内孔，然后按照1-7的顺序将零件所有边进行切割，边4是共用边。如此一来，切割B后，边2与边4内部应力相同，切割A时，边4与边6内部应力相同，钢板框架不会因为切割应力发生形变，这就保证了整个零件的尺寸准确性。

长方形板料是一种比较常见的长宽比比较大的规则形状的零件，使用常规切割方法会出现旁弯现象，因此可以使用如下加工方法：多割嘴一起工作，先将长边进行切割，待钢板温度下降至常温后在进行短边切割。如果两次切割中的火焰强度偏差不大，零件两个长度方向同时受热，所以就不会发生变形情况。

2.2单一异形零件的切割

以PN机车车架中的某零件为例，其厚度为6mm，异形件且外形比较大。要想提高此类零件的材料利用率，就会选择套料的方法进行加工。图1中3-A是常规数控程序，每只割嘴从a点引入进行A的加工，然后以b点开始加工B。大量事实表明，此种加工方法变形率基本会维持在50%左右，因为该板材厚度比较薄，所以其整个变形量会高达5-7mm。形成这种现象的主要原因是：A出切割时，后续加工的边2较之先加工的边1长度较大，因此边2处的内应力会大于边1处，而又因为边2是凹边，所以凸边会阻止一部分变形的发生，综合应力影响之下，零件变形不大且框架不会出现偏移；B边切割时，后续加工的边4应力较之先钳工的边3要小很多，而钢板凸边只能阻止边3处的部分变形，这就导致整个工件出现比较大的变形量。

经过上述分析，使用图1中的3-B切割模型，A处程序保持不变，进行B处加工时，b点引入，逆时针切割，此时B处的综合应力不大，此处变形量较小。不管零件形状如何，只要是零件比较长且尺寸比较大时，间断切割法是保证变形量在可控范围内的最佳加工方式。此种方法主要是在零件周边事先设置一些不需要加工的点，用来将零件连接，避免出现较大变形量，待工件冷却后再进行加工。

2.3多零件套料切割

如果在一张较大的板材上进行多出切割，一般会进行套料加工，此时因此板料变形的因素就比较负责。要想使得内部应力不大，方向和顺序要控制的好。

2.3.1切割方向

切割方向选择好的话可以保证最后切割一侧能够有效分离板材。如果切割过早或者钢板大部分已经分离出去，周边框架内部应力就不会消除，最终导致整个框架的变形，关键尺寸也无法保证。

2.3.2切割顺序

切割顺序对于切割变形的影响非常大，经过大量实践经验总结出，通常会按照“先内后外、先小后大、先圆后方”的加工方式[2]。先内后外就是指先进行板料内部零件的切割；先小后大是指先加工尺寸小的零件，此时热量不大，不能对零件产生影响；先圆后方是指先进行圆形的加工，热量会均匀传递，内部应力保持平衡。

2.3.3应用SigmaNEST套料软件

SigmaNEST中包含有先进的自动套料程序、加工轨迹最佳选择以及自动化管理的自动套料软件。在避免变形中，具有非常多的方法可以选择，如留割、搭桥、最小热量法等等。留割是指尺寸较大部分的零件一般要保留15-30mm部分，与母材连接，避免出现较大变形量；搭桥是指套料完成后，零件之间单独设置一些桥，将相邻零件当做一个整体，保证连接作用，避免出现变形现象；最小热量法是软件中会自动选择产生热量最小的行走路线，而实际应用中，也可以根据套料情况选择最佳切割方向，以减小变形量。

3结语

数控火焰切割过程中，选择变形量较小的加工方式，如留割、搭桥等等，选择最佳的加工方向以及加工顺序，制定变形量最小的加工程序，防止零件出现较大变形量，提高零件加工水平，以达到提质降本的效果。

参考文献：

[1]施汉生，姜兴辰.氢氧火焰切割节能技术的研究与应用[J].冶金设备.2012（02）

[2]钱金川.分离式氢氧机在连铸坯火焰切割中的应用[J].金属加工（热加工）.2011（02）

[3] 陈建平，马琳. 传统火焰切割技术在机加工领域的推广应用[J]. 金属加工（热加工）. 2012（02）