（三一汽車起重機(jī)械有限公司，湖南 長沙 410600）

數(shù)控等離子切割機(jī)工作原理及質(zhì)量分析

陸雄

（三一汽車起重機(jī)械有限公司，湖南 長沙 410600）

介紹了數(shù)控等離子切割機(jī)的基本組成及工作原理，針對切割斷面波質(zhì)量問題進(jìn)行了分析討論，并提出處理方法以供參考。

數(shù)控等離子切割機(jī)；等離子電?。磺懈顢嗝娌y

數(shù)控等離子切割機(jī)可以切割各種形狀工件并具有切割速度快、切割面質(zhì)量好、切割尺寸精確、工件熱變形小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。

三一汽車起重機(jī)械有限公司現(xiàn)擁有16臺數(shù)控等離子切割機(jī)，在實(shí)際的切割加工中，經(jīng)常出現(xiàn)各種質(zhì)量問題，如有切割斜角、熔渣、斷面波紋等。為提高加工質(zhì)量，應(yīng)對數(shù)控等離子切割機(jī)的工作原理有較全面的了解。

一、數(shù)控等離子切割機(jī)的基本組成

數(shù)控等離子切割機(jī)主要由CNC數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)械本體及等離子電源等三大部分組成（圖1）。

圖1 數(shù)控等離子切割機(jī)的組成框圖

1.CNC數(shù)控系統(tǒng)

CNC數(shù)控系統(tǒng)是主要由CNC數(shù)控主機(jī)、I/O控制電路板、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)及割炬高度控制等部分組成（圖2）。

圖2 CNC數(shù)控系統(tǒng)組成框圖

CNC數(shù)控主機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的核心，它采用Hypertherm的Edge系統(tǒng)，在WindowsXP軟件系統(tǒng)平臺上安裝Phoenix圖形切割軟件，具有人機(jī)界面直觀、操作簡單靈活等特點(diǎn)。數(shù)控主機(jī)指令通過I/O接口控制電路傳送到伺服驅(qū)動器以控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)位置控制，完成圖形切割加工。割炬高度控制主要有兩個作用，一是在等離子起弧時實(shí)現(xiàn)初始定位功能，二是在切割加工過程中實(shí)現(xiàn)割炬高度自動控制，常用的調(diào)高方式有弧壓調(diào)高和電容調(diào)高，這里采用的是弧壓調(diào)高。

2.機(jī)械本體

機(jī)械本體是數(shù)控等離子切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，通常采用龍門式結(jié)構(gòu)，軌距6m?？v向大車采用雙邊驅(qū)動。主要由兩側(cè)端梁、橫梁、割炬小車、割炬升降機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向及傳動機(jī)構(gòu)等部分組成（圖3）。

圖3 數(shù)控等離子切割機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

由橫梁及兩側(cè)端梁組成了機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)?？v向大車驅(qū)動方式采用雙邊高精度齒輪齒條傳動，齒輪與齒條為無側(cè)隙嚙合。下面主要對這幾個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（1）縱向大車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

縱向大車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要由大車導(dǎo)軌、大車行走輪、導(dǎo)向軸承、調(diào)節(jié)杠桿機(jī)構(gòu)等部分組成（圖4）。

縱向大車方向采用工字型導(dǎo)軌，表面經(jīng)過熱處理及加工。兩側(cè)端梁下部各有2個大車行走輪及4只導(dǎo)向軸承，用來實(shí)現(xiàn)縱向大車行走的導(dǎo)向。這種導(dǎo)向結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向軸承與導(dǎo)軌之間零間隙，通過一套杠桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)緊力。預(yù)緊力由一組碟形彈簧產(chǎn)生，其大小應(yīng)適當(dāng)。過小導(dǎo)軌的接觸剛度降低，影響加工精度。預(yù)緊力過大將增加傳動阻力，電機(jī)負(fù)荷增大、加快導(dǎo)向軸承的磨損。

圖4 縱向大車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

（2）縱向大車傳動機(jī)構(gòu)

縱向大車的傳動采用齒輪齒條傳動，由伺服電機(jī)通過減速機(jī)傳送給大車齒輪。

大車齒條安裝在縱向?qū)к壍膫?cè)面，大車齒輪與伺服電機(jī)及減速機(jī)一起安裝在回轉(zhuǎn)座上，為了提高傳動精度，齒輪齒條傳動利用彈簧機(jī)構(gòu)來自動消除齒側(cè)間隙。圖5為齒側(cè)間隙消除機(jī)構(gòu)，齒輪齒條間的接觸力由壓縮彈簧產(chǎn)生，其大小可以通過調(diào)節(jié)螺桿來進(jìn)行調(diào)節(jié)。彈簧力的大小必須保證在正常傳動過程中齒輪與齒條不脫開，且需要有足夠的剛度。這種機(jī)構(gòu)還有一個作用就是在機(jī)床發(fā)生撞車時，齒輪齒條能夠脫開，以保護(hù)傳動機(jī)構(gòu)，所以彈簧力的大小必須適當(dāng)。

圖5 縱向大車傳動機(jī)構(gòu)

（3）橫向割炬小車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

模向割炬小車方向采用2根圓柱形導(dǎo)軌（圖6a），該導(dǎo)軌嵌在方型的基座上，以保證導(dǎo)軌的剛度。

橫向?qū)驒C(jī)構(gòu)采用4對特制導(dǎo)向軸承來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向行走，上部導(dǎo)向軸承采用同心銷軸固定，為不可調(diào)結(jié)構(gòu)。如圖6b所示，下部導(dǎo)向軸承采用偏心銷軸固定，可以通過轉(zhuǎn)動偏心銷軸的角度來消除導(dǎo)向軸承與導(dǎo)軌之間的間隙，并產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，這樣提高了橫向割炬小車的運(yùn)動剛度。

圖6a 橫向割炬小車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

圖6b偏心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)放大圖

3.等離子電源

等離子電源主要由主控制板、啟動電路、斬波器、引弧電路、冷卻水路、氣路等部分組成（圖7）。

圖7 MAX200等離子電源組成框圖

二、等離子弧切割過程分析

等離子切割是以高溫、高速的等離子弧為熱源，它以壓縮氣體為工作介質(zhì),通過被壓縮氣體電離形成高溫、高速的等離子電弧,將被切割的金屬或非金屬局部熔化（或蒸發(fā)），同時用高速、高壓氣流將已熔化的金屬或非金屬“吹離”基體而形成狹窄而光潔切口的一個過程。

1.割炬的結(jié)構(gòu)及功能

割炬是等離子弧切割的關(guān)鍵部件，直接關(guān)系等離子切割的效率及質(zhì)量。主要零件有電極、噴嘴、渦流環(huán)、保護(hù)套、保護(hù)罩、水管。

（1）噴嘴功能

①等離子噴嘴是通過使旋轉(zhuǎn)的等離子氣體收縮、噴射，對等離子電弧弧柱產(chǎn)生機(jī)械壓縮、熱收縮、磁收縮等效應(yīng)，使其能量密度和沖擊力增加，達(dá)到切割的目的。

②等離子弧噴嘴產(chǎn)生引導(dǎo)電弧的功能，其工作過程：先以電極為陰極，噴嘴為陽極，在電場的作用下，通過使電極與噴嘴間等離子氣電離產(chǎn)生引導(dǎo)電弧，當(dāng)引導(dǎo)電弧的焰流接觸工件后，焰流接通了電極與工件之間的電流通路，此時工件取代噴嘴作為陽極，與電極間產(chǎn)生切割等離子弧，同時繼電器切斷噴嘴上的電路。

③等離子噴嘴耐高溫且導(dǎo)熱性好，等離子弧的弧柱溫度高達(dá)30 000℃以上，弧柱從噴嘴的φ2mm小孔中穿過，使噴嘴溫度很高。

（2）渦流環(huán)主要功能

渦流環(huán)的主要功能是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的等離子氣，等離子氣流旋轉(zhuǎn)噴射結(jié)構(gòu)如圖8所示，它是先通過渦流環(huán)將氣體改變成切向氣流旋轉(zhuǎn)，然后再進(jìn)行收縮和噴射。

圖8 切割示意圖

當(dāng)?shù)入x子氣體在高速旋轉(zhuǎn)時，離心作用使溫度較低密度較高的氣體向外側(cè)移動，溫度高而密度低的氣體向中間移動，這樣就在噴嘴的噴射孔內(nèi)形成了徑向的外冷內(nèi)熱的溫度梯度。這種梯度增加了等離子氣對弧柱的熱縮和磁縮效應(yīng)。在機(jī)械收縮的共同作用下，使等離子弧柱能量密度更高、挺直性更好、沖擊力更大。由此可見，在其它條件相同的情況下，等離子氣流的旋轉(zhuǎn)速度越高，則對等離子弧柱的收縮效果越好。

2.弧壓高度控制

在切割過程中等離子割炬與工件的高度距離控制很重要。在實(shí)際切割過程中,由于板材不平整，使割炬與鋼板高度距離不斷變化，為此，割炬必須相應(yīng)做上、下調(diào)整以穩(wěn)定電弧，保證正常切割。

根據(jù)理論研究，如圖9所示，割炬的切割高度與弧壓成一定的比例關(guān)系，利用這一原理，通常我們利用弧壓來控制割炬的高度，稱為弧壓調(diào)高。

三、常見質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因及解決措施

圖9 弧壓與切割高度的關(guān)系

評定數(shù)控等離子切割質(zhì)量好壞可從以下3個方面來判斷:切割斜角的大小、熔渣量的多少、切割斷面波紋的深度等。操作工可以通過調(diào)節(jié)弧壓、切割電流、切割速度、工作氣壓等來改善切割質(zhì)量。

1.切割斜角

如圖10所示，切割斜角（切割角度）指的是切割邊部和垂直線的夾角。假如切割非常完美，則切割斜角接近于0°。

圖10 切割斜角

如圖11所示，調(diào)節(jié)割炬高度可以改變切割斜角，可以通過調(diào)節(jié)弧壓來改變割炬高度。

圖11 割炬高度對切割斜角的影響

2.熔渣

（1）頂部熔渣（圖12）

位于割縫的頂部兩側(cè)，這種溶渣是飛濺而形成的，減小弧壓可以使頂部溶渣消失。

（2）高速熔渣（圖13）

這種溶渣較小，在割縫的底部，其產(chǎn)生的原因是由于噴嘴損壞、電流過低、速度過快、切割高度過高造成的。清除時需鏟除或打磨，可以通過更換電極噴嘴、減小速度、降低弧壓等方法來減少高速熔渣。

（3）低速熔渣（圖14）

圖12 頂部熔渣

圖13 高速熔渣

圖14 低速熔渣

這是大量沉積而成的球狀溶渣。其產(chǎn)生的原因是電流過高、速度過低、切割高度過低造成的，可以通過增加切割速度及增加弧壓來減小低速熔渣。

3.切割斷面波紋

切割斜角、熔渣及切割表面相互影響，表面平滑與粗糙與熔渣量取決于適當(dāng)?shù)乃俣?。凹形的切割面是由于割炬到工件的距離太小或易損件燒損；凸形切割面是由于割炬到工件的距離太大或易損件燒損。

前文所述的質(zhì)量問題通常可通過選擇合適的切割電流、切割速度、弧壓、調(diào)節(jié)工作氣壓和及時更換電極、噴嘴、渦流環(huán)等易損件的辦法加以解決。在實(shí)際切割加工中，經(jīng)常會出現(xiàn)波浪狀的切割斷面波紋，這種波紋表面光潔、排列整齊、紋路有規(guī)律。這種切割斷面波紋采用調(diào)節(jié)切割參數(shù)的方法是沒法解決的。

通過維修實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種波紋的原因主要是由于機(jī)床結(jié)構(gòu)及傳動剛性不夠，導(dǎo)致機(jī)床在運(yùn)行時發(fā)生振動及抖動而產(chǎn)生的。因此應(yīng)從這些方面加以分析處理。

[1]下料應(yīng)知應(yīng)會手冊.精益質(zhì)量總部下料焊接工藝所[M]. 2011.

[2]MAX200PlasmaArcCuttingSystemServiceManual，801620-Rivision13Hypertherm.

[3]趙家政.數(shù)控等離子切割機(jī)弧壓自動調(diào)高系統(tǒng)[J].現(xiàn)代制造工程，2007（1）.

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