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什么是精细等离子切割?

发布时间:2019/10/15 20:20

什么是精细等离子切割?

最初从普通的金属切割工艺开始,如今已成为车间里最快速,高效的工具

发表时间:2019年10月7日
发表人:江苏科茂自动化有限公司
关于:精细等离子切割数控切割机

图1
与1990年代美国出现的第一代精细等离子切割技术相比,当今的精细等离子切割意味着更快的切割速度,高质量的边缘和更长的消耗品寿命。

我们都知道一个古老的销售笑话:您可以买到更好,更快或更便宜的产品,所以选两个。精细等离子切割也是如此,带来更高的切割速度,质量和零件寿命。

如今,制造商使用着世界上最高效的数控切割机。在6毫米钢板上,最高切削速度达到每分钟2540毫米。(如果在长而直的边缘上进行切割,或者切割质量不是关键,则速度可以达到3810毫米或更高。)高精度系统可以实现±0.2到1毫米的切割精度,切缝宽度窄至1毫米。易损件的寿命可以从1300次起弧到超过3700次起弧,并且系统可以切割3到20毫米厚的任何导电材料。

穿孔能力也继续扩大。可在10 ga的低碳钢上提供最小的锥度甚至没有锥度的精密孔或半径。此外,新的等离子坡口切割技术减少了焊接准备时间和成本。

高精度的等离子系统能将更多的能量集中在较小的区域中,并且增加的等离子密度可保证较窄的切口,较少的顶部倒角和较小的斜角来进行精确切割。为了欣赏等离子切割技术发展的巨大潜力,即使足够简化也是现代仿真方法无法完全有效地对等离子弧的行为进行建模。等离子切割无疑已经从实验室发展成为一种生产性加工工具,在许多制造商的成功中发挥着关键作用。

缩弧

联合碳化物公司的科学家在1950年代开发了等离子弧切割工艺,当时他们通过收缩TIG弧来增加其能量密度和聚焦其动量,从而形成了切割弧而不是焊接弧。

达特茅斯学院的教授于1957年成立了热动力公司,并开发了一些最早的等离子炬和电源。当时的等离子切割系统仅使用一种惰性气体作为等离子气体,因为钨电极在存在氧气的情况下会迅速腐蚀。由于没有能力使用氧气来支持氧化和相关的自持放热反应,因此该方法在切割钢时几乎没有优势。

勃朗宁于1963年开始改变这种状况,当时他引入了一种辅助气体来包围主要的等离子弧。这种保护气体压缩并进一步集中了电弧,以产生更高的能量密度。在双流切割应用中,等离子体/保护气体的组合通常为氮气/空气或氮气/ O 2。双流切割提高了低碳钢的加工速度,减少了顶部倒圆角,将电弧更深地带入了切口,并使切口底部的锡渣最小化。图3显示了当今高精度等离子切割应用中使用的等离子/保护气体组合。

电极重新设计

1963年的另外两项发明进一步延长了电极的使用寿命:将发射器(然后是钨)塞入铜制圆柱体的顶端,并在圆柱体的后部挖空,以便水可以将热量从电极转移出去,并延长使用寿命。除了使用钨作为发射极外,等离子电极的设计于1963年获得专利,如今仍与之相似。

由于钨在氧气存在下会变质,因此放弃了使用空气或氧气作为等离子气体。1960年代后期,俄罗斯科学家发现ha和锆可以抵抗快速变质,这种情况发生了变化。(现在,大多数电极使用ha作为发射极。)因此,制造商可以使用空气作为等离子气体,从而节省大量成本;使用氧气作为等离子气体将在钢的薄截面上提供最高质量和最快的切割速度。

高精度切割

高精度的等离子系统将电弧能量集中在较小的区域内,实际上可形成更锋利的切削工具。日本人在1980年代发明了第一个高精度系统,而美国公司则在1990年代初开始开发系统。这些改善使等离子切割技术重新重用。

 


图2
通过与当今的精细等离子切割系统结合使用的CNC和相关软件,制造商只需触摸几下控制屏幕,即可等离子切割“螺栓准备好”的孔

尽管一些早期的割炬的孔口约为4毫米,但现在喷嘴的孔口为0.5至1.7毫米,每平方毫米的切割能量可提供高达100安培的电流。(图4显示了这些进步对切割性能的意义。)但是,如果没有新的割炬设计,使冷却剂完全流到喷嘴孔口,并且每分钟可实现6升的流量,那么电弧密度的提高将导致耗材寿命非常短。冷却剂流过喷嘴。以前,冷却液流入焊炬主体,而不是一直流到喷嘴。

等离子体电弧的起弧和终止方式会极大地影响电极寿命。大多数割炬使用短暂的高压脉冲(6,000伏特以上电压时为10到20毫秒)使空气导电,这反过来又可以建立引弧(可能使用150伏特)。电压量经过精心控制和定时以减少磨损。

在终止过程中,通过降低电流,电压和气体流量以使电弧以受控的速率塌陷,从而使电极磨损最小化,进而以受控的速率冷却电极。以前,电弧则是直接切断电弧。当这样做时,由等离子体占据的空间所产生的真空会将一些熔融的out抽出,导致磨损快得多。

精确的割炬高度控制还可以极大的增加电极的寿命和切割精度。高度控制是根据电弧电压进行调整,电弧电压与电极头和电极板之间的距离成正比。高度控制器可设置为0.1V增量,并以±0.02 V的测量分辨率进行控制。先进的系统使用电压采样来适应易损件的磨损,从而在整个电极寿命内使喷嘴与印版保持正确的距离。例如,假设将高度控制设置为150 V,并且该电压等于笔尖到平板的5 mm距离。但是,随着电极的磨损,电弧会变长。电压采样会随着电极的磨损而将割炬逐渐移近板,从而保持一致的切口宽度和切割质量。

在制造数控等离子切割机时,制造商不应忽视高度控制器,割炬提升器以及相关的驱动器和电动机。如果割炬高度变化,则切割质量会因零件而异,甚至在单个零件中也会不同。制造商至少应使用具有穿孔高度控制,穿孔延迟和穿孔缩回功能的控制器。这些功能通过减少电弧启动和停止期间的电极磨损,以及最小化电弧启动期间飞溅的熔融金属量来延长易损件寿命。

自动气体控制台也可延长电极寿命。等离子体气流不足和过多都会干扰熔融ha的水坑,而不是使其居中。此外,气流的突然变化会导致电弧不稳定,进而可能导致易损件的立即损坏(更不用说降低切割质量了)。

在过去的20年中,电极的寿命增加了一倍以上(见图5)。为了在400安培下切割,使用多层刀片的电极的电极寿命从400次起弧延长到900次起弧。由于电极寿命是每次切割成本的最大贡献者,因此精细等离子切割的成本一直在下降。
 

整合事项

完全集成的系统包括等离子电源,CNC,割炬高度控制,割炬提升器及其相关的电动机和驱动器以及自动气体控制台。一些制造商误以为使用高精度等离子电源可以节省其他组件。在数控等离子系统中,集成组件可以无缝地工作以控制切割安培数,割炬高度,速度和气压。

一些制造商不愿为CNC和相关软件付出的成本。但应该明白这些成本能够提供了快速的回报,特别是在公司缺乏具备编程技能和等离子切割经验的操作员的情况下(如果没有CNC,这两者都是必不可少的)。CNC和软件的优势包括:

  • 更高的生产率和更少的错误。在操作员选择材料类型,材料厚度和切割气体组合后,CNC自动为“最佳切割质量”或“最快切割”设置和控制参数。经过数小时而不是数周的培训,操作员才能提高工作效率。
  • 孔/工艺优化技术。加载了切割程序(甚至只是将DXF文件从USB闪存驱动器加载到控制器中)后,CNC会检查文件并确定需要优化的参数。确定这些参数后,控制器将重新计算最佳参数并剪切路径。类似的技术可以优化切割顺序和刺穿方法,以及复杂巢穴的位置。
  • 自动套料工具。对于没有独立工程部门的制造商,自动排料工具对于减少印版浪费和缩短生产周期非常有用。
  • 桥接工具。桥接工具通常会减少切割程序中的穿孔数量。他们自动在零件之间分配切割段,以减少穿孔次数和循环时间。

斜角和斜角补偿

 

等离子坡口切割(在6至24毫米厚的钢上切割V,Y,X和K坡口)是行业中的热门话题。当前,大多数制造商未充分利用等离子坡口,因为较旧的坡口系统要求程序员在零件程序或套料中补偿割炬角度,割炬高度,切缝宽度和切割速度。结果,避免了操作员进行任何必要的调整以生产准确的零件。要进行调整,操作员必须返回编程器并更新程序或嵌套。这会浪费大量时间,并成为生产高质量零件的障碍。


不同的等离子/保护气体组合使等离子切割成为适用于各种材料的合适切割技术。
 

新的坡口技术无缝集成了等离子,CNC,软件,高度控制,坡口功能,因此制造商可以充分利用等离子系统并最大限度地提高生产率。

通过将最佳实践的倒角切割序列合并到CAD / CAM编程和嵌套软件中,新技术为数控切割机提供了高度的自动化。还将所有斜角补偿数据而不是编程软件都放入CNC。因此,零件程序或套料表示实际所需的零件几何形状,而没有倒角补偿。这消除了反复试验编程的需要。相反,操作员可以快速轻松地在机器上进行任何必要的调整。

集成等离子切割技术提供商也正在研究可补偿切割表面固有的斜角的技术。甚至能够进行最精确切割的系统也会产生一定程度的斜角。这些进步将使等离子更有效地与没有斜角的激光切割竞争。该技术尚不可用,但是很高兴知道精细等离子切割技术的开发人员继续努力追求更高的质量和生产率。

江苏科茂自动化有限公司,www.jskemao.cn。

切割质量

等离子切割系统提供商可以帮助制造商确定对其应用有意义的设备功能。使用以下特征来评估测试零件的切割质量,并记住要向等离子系统供应商询问这些测试零件的切割时间和每个零件的估计切割成本:

  • 切面。切割质量可生产出可用于下一个制造步骤的零件。特征包括光滑的表面,没有浮渣和氮化物污染。
  • 顶部圆角是由切口顶部表面的等离子弧的热量引起的。适当的割炬高度控制可最大程度地减少顶部边缘的倒圆。
  • 顶部飞溅。切割太快或使用过高的割炬设置会导致顶部飞溅,这很容易清除。
  • 底部有渣。易于清除的残渣表明切割太慢。难以清除的残渣表示切割太快。
  • 切口宽度。切缝(或切缝)的宽度与尖端孔尺寸,当前设置和割炬高度有关。
  • 切割表面斜角。高精度工艺可产生0到3度的斜角,而常规等离子可产生更大的斜角。适当的割炬高度控制可产生最小的斜角(以及切缝宽度和上边缘倒圆角)。
  • 氮化物污染。当用空气作为等离子气体切割碳钢时,一些氮被吸收到切割表面中,然后需要在焊接前先进行研磨以消除孔隙和晶界氮化物的风险。

ISO 9013:2002标准提供了“高精度”的最佳定义。精密切割表面具有以下特征:

  • 垂直度(小于3度斜角)
  • 平滑,拖线接近垂直
  • 几乎没有氮化物或氧化物
  • 几乎没有浮渣,并且存在的浮渣应该易于清除
  • 最小的热影响区和重铸层
  • 焊接部件的良好机械性能