現(xiàn)代切割技術(shù)

1、現(xiàn)代切割技術(shù)前言在現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域中，切割是應(yīng)用量很大、應(yīng)用面廣泛的基礎(chǔ)工藝之一，尤其是在工程機(jī)械制造行業(yè)，切割工作量占有很大的比重，切割的效率和質(zhì)量將直接影響生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。近年來,國內(nèi)外切割技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，從單一的氧乙快火焰氣割發(fā)展成為新型工業(yè)燃?xì)饣鹧媲懈?、等離子弧切割、激光切割、水射流切割、超聲切割等多能源、多種工藝方法在內(nèi)的現(xiàn)代化切割技術(shù)，與此同時又將現(xiàn)代化數(shù)控技術(shù)與切割技術(shù)相結(jié)合，研究開發(fā)出新一代的全自動數(shù)控切割設(shè)備。一、幾種典型切割技術(shù)1、氧乙快/新型燃?xì)饣鹧媲懈钭?895年法國人LeChate1ier發(fā)明氧乙快火焰，至1900年Fouch和Picard制造出第一把氧乙快割

2、炬，氧乙快火焰切割作為最古老的熱切割技術(shù)至今仍是機(jī)械制造中的一種加工方法。由于乙快生產(chǎn)的原料為電石，生產(chǎn)過程中會排出大量電石渣（1t電石生成3.3t電石渣）及HS、SO等有毒有害氣體，嚴(yán)重污染環(huán)境，在制取溶解乙快氣同時又消耗大量重要化工原料丙酮，加大了生產(chǎn)成本。因此，近20年來國內(nèi)外有關(guān)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)相繼投入大量資金，開發(fā)研究成本低、安全、減少環(huán)境污染的新型燃?xì)?，目前國?nèi)己自主開發(fā)及引進(jìn)了多種新型工業(yè)燃?xì)獯嬉铱煊糜诠I(yè)火焰加工。同時與新型工業(yè)燃?xì)庀嗯涮椎母罹嬉蚕嗬^投建成投產(chǎn)，各種割炬器種齊全。手工割炬切割厚度可達(dá)350mm,機(jī)用割炬切割厚度可達(dá)1800mm。2、線切割，線切割，其基本工作原理

3、是利用連續(xù)移動的細(xì)金屬絲（稱為線切割的電極絲）作電極，對工件進(jìn)行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成型。線切割主要用于加工各種形狀復(fù)雜和精密細(xì)小的工件，例如線切割可以加工沖裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，成形刀具、樣板、線切割還可以加工各種微細(xì)孔槽、窄縫、任意曲線等.線切割有許多無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，比如：線切割具有加工余量小、線切割具有加工精度高、線切割具有生產(chǎn)周期短、線切割具有制造成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，線切割已在生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。電火花線切割是利用工具電極（鋁絲）和工件兩極之間脈沖放電時產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象對工件進(jìn)行尺寸加工。電火花腐蝕主要原因：兩電極在絕緣液體中靠近時，由于兩電極的微觀表面是凹

4、凸不平，其電場分布不均勻離得最近凸點(diǎn)處的電場度最高，極間介質(zhì)被擊穿，形成放電通道，電流迅速上升。在電場作用下，通道內(nèi)的負(fù)電子高速奔向陽極，正離子奔向陰極形成火花放電，電子和離子在電場作用下高速運(yùn)動時相互碰撞，陽極和陰極表面分別受到電子流和離子流的轟擊，使電極間隙內(nèi)形成瞬時高溫?zé)嵩?，通道中心溫度達(dá)到10000度以上。以致局部金屬材料熔化和氣化。3、激光切割激光切割的工業(yè)應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代初。由于其切割尺寸質(zhì)量好、速度快、精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在多種行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。隨著激光器件功率等級、穩(wěn)定性及可靠性的提高和加工技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大到各種金屬和非金屬板材的切割。據(jù)2002年的統(tǒng)

5、計(jì)表明：在世界激光工業(yè)應(yīng)用范圍內(nèi)，激光切割所占比例最大，約為24%。激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射處的材料迅速熔化、氣化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時借助光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)割開工件的一種切割方法。激光切割是現(xiàn)代切割技術(shù)中最具特色的切割技術(shù)。隨著被切材料和切割參數(shù)的不同，激光切割主要有以下三種方式：1）氣化切割。切口部分的材料以蒸氣或渣的形式排出。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。當(dāng)被切材料的切口處受到較低功率密度的激光作用時，主要是發(fā)生熔化。在氣流作用下，切口料以熔融物質(zhì)的形式由切口底部排出。3）反應(yīng)熔化切割，采用氧氣或其

6、他反應(yīng)氣體吹氣，氣體與被切材料產(chǎn)生放熱反應(yīng)，在激光輻照之外，提供了另一個切割所需的能源。在吹氧切割鋼板時大約切割所需能量的60%是來自鐵的氧化反應(yīng)。激光切割具有以下特點(diǎn)：質(zhì)量好。激光的光斑小、能量密度高，切速快，切口寬度窄，切割面光潔美觀，熱影響小，熱變形小。）效率高?？蓪?shí)現(xiàn)高速切割，切割速度可達(dá)每分鐘數(shù)米至數(shù)十米。）柔性高。易實(shí)現(xiàn)自動控制，可切割任意形狀、尺寸的板材。）材料適應(yīng)性好。幾乎可切割任何金屬和非金屬材料。激光切割可廣泛用于各種材料（金屬和非金屬）的切割，涉及汽車、鋼鐵、石油、電子電器、航天航空、醫(yī)療器械和一般制造業(yè)中各種板材切割。采用同軸吹氧工藝切割金屬材料，可提高切割速度和切口質(zhì)

7、量；切割紙張，木材等易燃材料時，可采用同軸吹保護(hù)氣體（二氧化碳、僦氣、氮?dú)獾龋?，能防止燒焦和切口縮??；切割陶瓷、玻璃、石英等脆性材料時，采用熱應(yīng)力切割；對布料、紙張還可作分層切割。等離子弧切割等離子弧切割是80年代中期發(fā)展起來的一種加工方法，當(dāng)時主要是為解決不銹鋼和有色金屬的切割，先后開發(fā)了僦、氫、壓縮空氣、氮、氧等多種氣體，一般等離子弧切割及水再壓縮等離子切割等多種工藝方法，以適應(yīng)不同的需要。目前，等離子弧切割機(jī)的割炬正朝著割縫精度接近激光精度的方向發(fā)展；小功率切割電源向逆變方向發(fā)展，以提高電源效率及電弧的收縮性；大功率切割電源向閘管方向發(fā)展，并采用一定的補(bǔ)償措施以提高效率，從而提高切割速度

8、，改善切割質(zhì)量。近年來，隨著等離子弧技術(shù)的發(fā)展，切割20mm以下的碳鋼和低合金鋼，因其切割速度快，綜合效益好,在工程機(jī)械制造業(yè)的應(yīng)用有增長的趨勢等離子弧切割是利用高溫、高速的等離子弧及其焰流使工件材料熔化、蒸發(fā)和氣化并被吹離基體的一種切割方法。I星I3-2后中字百子小K上ZJ注”歷了強(qiáng)核I5QMS2口門皿日匕/空三一呻，喻書i4快聿會號5孑爭水后一專心itL粗4rfl二桂/陽產(chǎn)冰1乜1Q一三種壓縮效應(yīng)1）機(jī)械壓縮效應(yīng)等離子弧之所以具有極高的能量密度是以機(jī)械壓縮效應(yīng)。電弧被迫通過噴嘴通道噴出時，通道對電弧產(chǎn)生機(jī)械壓縮作用，而噴嘴通道的直徑和長度對機(jī)械壓縮效應(yīng)的影響很大。2）熱收縮效應(yīng)噴嘴內(nèi)部通入

9、冷卻水，使噴嘴內(nèi)壁受到冷卻，溫度降低，因而靠近內(nèi)壁的氣體電離度急下降，導(dǎo)電性差，電弧中心導(dǎo)電性好，電離度高，電弧電流被迫在電弧中心高溫區(qū)通過，使弧的有效截面縮小，電流密度大大增加。這種因冷卻而形成的電弧截面縮小作用，就是熱收縮效應(yīng)。一般高速等離子氣體流量越大，壓力越大，冷卻愈充分，其熱收縮效應(yīng)愈強(qiáng)烈。3）磁收縮效應(yīng)由于電弧電流周圍磁場的作用，迫使電弧產(chǎn)生強(qiáng)烈的收縮作用，使電弧變得更細(xì)，電弧區(qū)中心電流密度更大，電弧更穩(wěn)定而不擴(kuò)散。由于上述三種壓縮效應(yīng)的綜合作用，使等離子體的能量高度集中，電流密度、等離子氣體的電離弧的溫度都很高，其溫度達(dá)到11000-28000,（普通電弧僅5000-8000）氣

10、體電離度隨之劇增，并以極高的速度（比聲速還，約800-2000m/s）從噴嘴孔噴出，具有很大的動能和沖擊力當(dāng)達(dá)到金屬表面時，可以釋放出大量的熱能，加熱和熔化金屬，并將熔化了的金屬材料吹除。等離子弧切割的特點(diǎn)：1）能切割氧氣割難以切割的各種金屬材料。2）切割厚度不大的金屬時，切割速度快，尤其在切割碳素鋼薄板時，速度可達(dá)氣割法的5-6倍。3）切割面較光潔，熱變形較小。4）切口寬度和切割面斜角較大，主要切割厚度有關(guān)。5）切割厚板的能力尚不及氣割。超聲切割超聲切割是利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中，產(chǎn)生磨料的沖擊、拋展、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料。特別適合硬脆材料切割。超聲

11、切割時，高頻電源聯(lián)接超聲換能器（參見圖3-27）由此將電振蕩轉(zhuǎn)為同一頻率、垂直于工件表面的超聲機(jī)械振動，其振巾高僅0.005-0.01mm,再經(jīng)變幅桿放大至0.05-0.1mm以驅(qū)動工具端面作超聲振動。此時，磨料懸浮液（磨料、水或煤油等）在工具的超聲振動和一定壓力下，高速不停地沖擊懸浮液中的擊碎成微粒和粉末。同時，由于磨料懸浮液的不斷攪動，促使磨料高速拋磨工件表面，又由于超聲振動產(chǎn)生的空化現(xiàn)象，在工件表面形成液體空腔，促使混合液滲入工件材料的縫隙里，而空腔的瞬時閉合產(chǎn)生強(qiáng)烈的液壓沖擊，強(qiáng)化了機(jī)械拋磨工件材料的作用，并有利于加工區(qū)磨料懸浮液的均勻攪拌和加工產(chǎn)物的排除。隨著磨料懸浮液不斷地循環(huán)、磨

12、粒的不斷更新、切割產(chǎn)物的不斷排除，實(shí)現(xiàn)了超聲加工的目的?？傊?，超聲切割是磨料懸浮液中的磨粒，在超聲振動下的沖擊、拋磨和空化現(xiàn)象，綜合切割作用的結(jié)果。其中，以磨粒不斷沖擊為主。由此可見，脆硬的材料，受沖擊作用愈容易被破壞，故尤其適于超聲切割。舊3-27超聲切害k方學(xué)夫示&閨1:會抑水入LIN一挾能；8：3一微勵豺£閨4一蹩射4對5些:修立右后一冷xijzk山口7一zcjtma一m買9一辟料射手靛io_I：件門_電“越浮被超聲切割的特點(diǎn)：適合切割各種硬脆材料，尤其適合不導(dǎo)電非金屬硬脆材料。也可加工淬火鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼、鈦合金等硬質(zhì)或耐熱導(dǎo)電的金屬材料，但加工效率較低。由于去除

13、工件材料主要依靠磨粒瞬時局部的沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切割應(yīng)力、切削熱更小，不會產(chǎn)生變形及燒傷，表面粗糙度也較低，可達(dá)Ra0.63-0.08um,尺寸精度達(dá)到土0.03mm,也適于加工薄壁、窄縫、低剛度零件.工具可用較軟的材料、做成較復(fù)雜的形狀，且不需要工具和工件做比較復(fù)雜的相對運(yùn)動，便可加工各種復(fù)雜的型腔和型面。比用金剛石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生產(chǎn)率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。高壓水射流切割高壓水射流作為工業(yè)產(chǎn)品的精密加工手段，該項(xiàng)切割技術(shù)的研究是從2。世紀(jì)6。年代開始，國外經(jīng)過20多年的研究和開發(fā)，制造出第一臺高壓水射流切割設(shè)備，使之能切割各種金屬和陶瓷等材料。我國于9

14、0年代開發(fā)研制出國產(chǎn)化的高壓加磨料型水射流切割設(shè)備并用于生產(chǎn)。目前大部分水射流切割設(shè)備主要應(yīng)用于非金屬板材的切割。高壓水射流切割是利用水或水中加添加劑的液體，經(jīng)水泵至增壓器（參見圖3-28）,再經(jīng)貯液蓄能器使高壓液體流動平穩(wěn)，最后由人造藍(lán)寶石噴嘴形成300-900m/s（約為音速的1-3倍）的高速液體束流，噴射到工件表面，從而達(dá)到去除材料的加工目的。高速液體束流的能量密，流量為度可100W/mm2,流量為7.5L/min.圖£28高壓水射流切割示意圖一帶有過油瑞的水箱2水泵3一上液都能瑞4-控制罌5一閥6一藍(lán)末石噴噴7.射流束g工件g排水口wk射砰離”一液詼系統(tǒng)12一增爾鵬高壓水射流

15、切割的特點(diǎn)：1）加工精度較高，一般可達(dá)士0.075-0.1mm,切邊質(zhì)量較好。2）液體束流的能量密度高、流速亦高，故工件切縫很窄（0.075-0.4mm）噴嘴壽命非常耐久。噴嘴和加工表面無機(jī)械接觸，能實(shí)現(xiàn)高速加工。3）加工產(chǎn)物混入液體排出，故無灰塵、無污染，加之加工區(qū)溫度低，不產(chǎn)生熱量，4）適于木材、紙張、皮革等材料的加工。5）設(shè)備維護(hù)簡單，操作方便，可以靈活地任意選擇加工起點(diǎn)和部位，可通過數(shù)控，容易地進(jìn)行復(fù)雜形狀的自動加工。高壓水射流切割的液體流束直徑為0.05-0.38mm,可以加工很薄，很軟的金屬和非金屬材料，已廣泛用于鋁、鉛、銅、鈦合金板、復(fù)合材料、石棉、石墨、混凝土、巖石、軟木、地毯

16、、膠合板、玻璃纖維板、橡膠、棉布、紙、塑料、皮革、不銹鋼等近不百種材料的切割加工O二、現(xiàn)代化控制技術(shù)與切割技術(shù)相結(jié)合-數(shù)控切割機(jī)1、數(shù)控切割機(jī)現(xiàn)狀經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)控切割機(jī)在切割能源和數(shù)控控制系統(tǒng)兩方面取得了長足的發(fā)展，切割能源已由單一的火焰能源切割發(fā)展為目前的多種能源（火焰、等離子、激光、高壓水射流）切割方式；數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)已由當(dāng)初的簡單功能、復(fù)雜編程和輸入方式、自動化程度不高發(fā)展到具有功能完善、智能化、圖形化、網(wǎng)絡(luò)化的控制方式；驅(qū)動系統(tǒng)也從的步進(jìn)驅(qū)動、模擬伺服驅(qū)動到今天的全數(shù)字式伺服驅(qū)動；數(shù)控切割機(jī)主要品種包括以下幾種：數(shù)控火焰切割機(jī)數(shù)控等離子切割機(jī)數(shù)控激光切割機(jī)數(shù)控高壓水射流切割機(jī)

17、其它專用特殊切割設(shè)備（如數(shù)控管材切割機(jī)、數(shù)控型材切割機(jī)、其它非金屬專用切割設(shè)備等，）2、各類型數(shù)控切割機(jī)的特點(diǎn)及其應(yīng)用情況數(shù)控火焰切割機(jī)，切割具有大厚度碳鋼切割能力，切割費(fèi)用較低，但存在切割變形大，切割精度不高，而且切割速度較低，切割預(yù)熱時間、穿孔時間長，較難適應(yīng)全自動化操作的需要。它的應(yīng)用場合主要限于碳鋼、大厚度板材切割，在中、薄碳鋼板材切割上逐漸會被等離子切割代替。數(shù)控等離子切割機(jī)，等離子切割具有切割領(lǐng)域?qū)?，可切割所有金屬板材，切割速度快，效率高，切割速度可達(dá)10m/min以上。等離子在水下切割能消除切割時產(chǎn)生的噪聲，粉塵、有害氣體和弧光的污染，有效地改善工作場合的環(huán)境。采用精細(xì)等離子切割

18、已使切割質(zhì)量接近激光切割水平，目前隨著大功率等離子切割技術(shù)的成熟，切割厚度已超過100mm,拓寬了數(shù)控等離子切割機(jī)切割范圍。數(shù)控激光切割機(jī)，具有切割速度快，精度高等特點(diǎn)，激光切割機(jī)價格昂貴，切割費(fèi)用高，目前只適合于薄板切割、精度要求高的場合，數(shù)控高壓水射流切割機(jī)，適用于任何材料的切割（金屬、非金屬、復(fù)合材料），切割精度高，不產(chǎn)生熱變形，具環(huán)保的切割方式。它的缺點(diǎn)在于切割速度慢、效率低、切割費(fèi)用高。其它數(shù)控切割機(jī)：包括數(shù)控管材切割機(jī)，數(shù)控型鋼切割機(jī)，數(shù)控坡口切割機(jī)，這些專用切割設(shè)備主要應(yīng)用于各種專用型材地?cái)?shù)控切割，目前市場上生產(chǎn)廠家不多。3、數(shù)控切割機(jī)發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)地發(fā)展，對切割的質(zhì)量、精度要求的不斷提高，對提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、具有高智能化的自動切割功能的要求也在提升。數(shù)控切割機(jī)的發(fā)展必須要適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)發(fā)展的要求。1、數(shù)控切割機(jī)的發(fā)展。從現(xiàn)在幾種通用數(shù)控切割機(jī)應(yīng)用情況來看，數(shù)控火焰切割機(jī)功能及性能已比較完善，其材料切割的局限性（只能切割碳鋼板），切割速度慢，生產(chǎn)效率低，其適用范圍逐漸在縮小，市場不可能有大的增加。等離子切割機(jī)具有切割范圍廣（可切割所有金屬材料），切割速度快，工作效率高等特點(diǎn)，未來的發(fā)展方向在于等離子電源技術(shù)的提高、數(shù)