等离子切割机的工艺和技术分析

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1、 中達電通DMA知識庫論文等离子切割机的工艺和技术分析摘要：本文主要说明等离子切割技术的介绍、工艺参数的分析，介绍等离子切割技术和火焰切割技术、激光切割技术的区别比较，等离子切割控制系统的技术需求，及中达电通产品在等离子切割行业的可行性分析；关键词：等离子切割机；工艺分析；技术分析；等离子、火焰、激光切割的比较；前言：在工业生产中，金属热切割一般有气割、等离子切割、激光切割等。其中等离子切割与气割相比，其切割范围更广、效率更高。而精细等离子切割技术在材料的切割表面质量方面已接近了激光切割的质量，但成本却远低于激光切割。因此，等离子切割自20世纪50年代中期在美国研制成功以来，得到迅速发展。随着

2、计算机及数字控制技术的迅速发展，数控切割也得以蓬勃发展，并在改善加工精度。节约材料、提高劳动生产率等方面显示出巨大优势。这促使等离子切割技术从手工或半自动逐步向数控方向发展，并成为数控切割技术发展的主要方向之一。数控等离子切割技术是集数控技术、等离子切割技术、逆变电源技术等于一体的高新技术，它的发展建立在计算机控制、等离子弧特性研究、电力电子等学科共同进步基础之上。一、离子切割机技术介绍 等离子切割技术工作原理是以高温高速的等离子弧为热源、 将被切割的金属局部熔化、并同时用高速气流将已熔化的金属吹走、形成狭窄切缝。数控等离子切割技术是集等离子切割技术、逆变电源技术、数控技术于一体，建立在计算机

3、控制、等离子弧特性研究、电力电子等学科共同进步基础之上。a、普通等离子弧切割。根据所使用的主要工作气体，主要分为氩等离子弧切割、氧等离子弧切割和空气等离子弧切割等几类。切割电流一般在100 A以下，切割厚度小于 30 mm。b、再约束等离子弧切割。根据等离子弧的再约束方式，主要分为水再压缩等离子弧切割、磁场再约束等离子弧切割等。由于等离子弧受到再次压缩，其电流密度、切割弧的能量进一步集中，从而提高了切割速度和加工质量。c、精细等离子弧切割。等离子弧电流密度很高，通常是普通等离子弧电流密度的数倍，由于引进了诸如旋转磁场等技术，其电弧的稳定性也得以提高，因此，其切割精度相当高。国产的Rapier精

4、细等离子切割表面质量已达激光切割的下限，成本远低于激光切割二、数控等离子机切割工艺参数的分析2-1、切割电流：它是最重要的切割工艺参数，直接决定了切割的厚度和速度，即切割能力。造成影响：1、切割电流增大，电弧能量增加，切割能力提高，切割速度是随之增大；2、切割电流增大，电弧直径增加，电弧变粗使得切口变宽；3、切割电流过大使得喷嘴热负荷增大，喷嘴过早地损伤，切割质量自然也下降，甚至无法进行正常割。2-2、切割速度：最佳切割速度范围可按照设备说明选定或用试验来确定，由于材料的厚薄度，材质不同，熔点高低，热导率大小以及熔化后的表面张力等因素，切割速度也相应的变化。主要表现：1、切割速度适度地提高能改

5、善切口质量，即切口略有变窄，切口表面更平整，同时可减小变形。2、切割速度过快使得切割的线能量低于所需的量值，切缝中射流不能快速将熔化的切割熔体立即吹掉而形成较大的后拖量，伴随着切口挂渣，切口表面质量下降。3、当切割速度太低时，由于切割处是等离子弧的阳极，为了维持电弧自身的稳定，阳极斑点或阳极区必然要在离电弧最近的切缝附近找到传导电流地方，同时会向射流的径向传递更多的热量，因此使切口变宽，切口两侧熔融的材料在底缘聚集并凝固，形成不易清理的挂渣，而且切口上缘因加热熔化过多而形成圆角。4、当速度极低时，由于切口过宽，电弧甚至会熄灭。由此可见，良好的切割质量与切割速度是分不开的。2-3、电弧电压：一般

6、认为电源正常输出电压即为切割电压。等离子弧切割机通常有较高的空载电压和工作电压，在使用电离能高的气体如氮气、氢气或空气时，稳定等离子弧所需的电压会更高。当电流一定时，电压的提高意味着电弧焓值的提高和切割能力的提高。如果在焓值提高的同时，减小射流的直径并加大气体的流速，往往可以获得更快的切割速度和更好的切割质量。2-4、工作气体与流量：工作气体包括切割气体和辅助气体，有些设备还要求起弧气体，通常要根据切割材料的种类，厚度和切割方法来选择合适的工作气体。切割气体既要保证等离子射流的形成，又要保证去除切口中的熔融金属和氧化物。过大的气体流量会带走更多的电弧热量，使得射流的长度变短，导致切割能力下降和

7、电弧不稳；过小的气体流量则使等离子弧失去应有的挺直度而使切割的深度变浅，同时也容易产生挂渣；所以气体流量一定要与切割电流和速度很好的配合。2-5、喷嘴高度：指喷嘴端面与切割表面的距离，它构成了整个弧长的一部分。由于等离子弧切割一般使用恒流或陡降外特征的电源，喷嘴高度增加后，电流变化很小，但会使弧长增加并导致电弧电压增大，从而使电弧功率提高；但同时也会使暴露在环境中的弧长增长，弧柱损失的能量增多。 2-6、切割功率密度：为了获得高压缩性的等离子弧切割电弧，切割喷嘴都采用了较小的喷嘴孔径、较长的孔道长度并加强了冷却效果，这样可以使得喷嘴有效断面内通过的电流增加，即电弧的功率密度增大。三、常用等离子

8、切割方法及其工艺特性 3-1、等离子空气切割法 等离子空气切割法以干燥的压缩空气作为加工气体，主要用于切割碳钢，也可用于切割不锈钢和铝。由于空气主要由氮气和氧气组成，切割碳钢时，切口中氧与铁的放热反应提供了附加的热量，同时生成表面张力低、流动性好的FeO熔渣，改善了切口中熔融金属的流动性，因此不但切割速度较快，而且切割面较光洁，切口下缘基本不粘渣，切割面斜角较小。切割不锈钢和铝时，氧与不锈钢中的铬和铝起反应，其切割面较粗糙，一般对切割表面质量要求较高时不采用这种加工方法。 等离子空气切割法主要存在以下缺点： (1)切割面上附有氮化层，焊接时焊缝中会产生气孔，因此用于焊接的切割边，需用砂轮打磨，

9、去除氮化层。 (2)由于存在氧化作用，电极和喷嘴易损耗，使用寿命较短。 由于压缩空气的成本较低，这种切割方法在大批量的非焊接碳钢板的切割中使用较为广泛。 3-2、等离子氧气切割法 等离子氧气切割法以氧气作为工作气体，主要用于切割碳钢、铝。氧的离解热高、携热性好，粒子复合时的放热量大，投入切割的热量多，因此可获得较高的切割速度。在加工碳钢时，因切割过程中的铁氧反应提供了大量的附加热量，促进了切割速度的进一步提高。 与等离子空气切割法相比，等离子氧气切割法在切割碳钢时有以下优点： (1)切割速度更快； (2)切割面更光洁，呈金属光泽，尤其是无氮化层，切割后可直接用于焊接； (3)切口下缘不粘渣；

10、(4)切割变形小，精度高。 等离子氧气切割法也存如下缺点： (1)因氧化作用强, 电极损耗更快,使用寿命短； (2)切割面斜角较大。 3-3、等离子氮气切割法 等离子氮气切割法以氮气作为工作气体, 主要用于切割不锈钢。氮的导热和携热性能较好，弧柱也较长，因此具有较好的切割能力。但切割的表面质量不是很好，且切割面有氮化物。相对氧气而言，氮气的价格较低，因此这种切割方法一般只用于对切割表面质量要求不高且不直接用于焊接的不锈钢下料。 3-4、等离子氩氢气切割法 等离子氩氢气切割法以氩和氢的混合气体作为工作气体，主要用于切割不锈钢和铝。氩易电离，可形成稳定的等离子弧，加之原子量大，等离子流的动量也大。

11、而氢的导热性好，电离粒子复合时放热量高。两者相结合能形成稳定、能量密度高、弧柱长的等离子弧，切割能力强，切口宽度和切割面斜角较小，切口光洁，切割中产生的氮氧化物较少，是等离子切割中切割质量较好的一种方法。但这种切割方法使用混合气体作为工作气体，须增加一混合装置，使氩和氢很好地混合在一起。 由于氩气和氢气的价格较高，且氢气为危险气体，一般这种切割方法主要用于切割其他等离子切割无法加工的对切口要求较高的较厚不锈钢和铝工件，且使用环境符合安全要求的情况下。 3-5、等离子氮气水涡流切割法 等离子氮气水涡流切割法以氮气作为工作气体，主要用于切割不锈钢和铝。工作气体通过涡流环形成涡旋气流，使等离子流也以

12、涡旋方式射向工件，从而可获得一个斜角极小的切割边。在工作气体的周围，是经过处理的高压水流，使电弧能量密度大大提高，形成了温度极高、挺度好及流速大的等离子弧。另外，部分水离解成氢和氧，对切割过程也有一定的促进作用。四、和其他切割技术的比较4-1、等离子切割技术与激光切割技术的比较: a、极大的提高了生产效率 b、扩展了被切割材料的品种范围和厚度 c、极大的降低了设备投资, 运作和保养成本 d、激光切割适用于大批量切割16mm以下的薄板 4-2、等离子切割技术与火焰切割技术的比较: a、切割质量更佳：基本上实现无挂渣切割，明显地减少了二次加工 热影响区较小 当切割小于6mm的薄板时，切割质量具有明

13、显优越 b、切割范围更广：等离子能切割碳钢,不锈钢和铝材，火焰只能切割碳钢 c、极大的提高了生产效率：在切割小于32 mm厚度的材料时，具有明显的速度优势。例如：在切割6 mm到 12 mm的碳钢时, 200A等离子的切割速度是火焰切割的5-8倍. 等离子切割不需要预热时间。 缩短了穿孔时间。d、降低了运行成本。例如：切割6 mm到 12 mm的碳钢时，200A等离子的运作成本只有火焰切割的1/2到1/10。等离子切割具有切割质量，切割速度和运行成本的综合优势。特别适用小于40 mm以下的碳钢，不锈钢和铝材等多种材料。五、等离子控制系统的要求 计算机技术的飞速发展完善了数控等离子切割的高精、高

14、速、高效功能。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。目前开放系统具体有2种基本结构：a、CNC+工控机主板：将一块工控机主板插入传统的CNC机器中，工控板主要用作实时控制，CNC主要用作以坐标轴运动为主的实时控制。b、工控机+运动控制板：将运动控制板插入工控机的标准插槽中作实时控制用，而工控机主要作非实时控制。5-1、系统的硬件：l XY两轴运动控制系统l 主机运行速度快l 有U盘接口，可用来拷贝制图软件生成的G代码文件，从而可以在机床切割工件。l 支持G代码文件，同时也可以支持CAD文件进行切割。l 可以通过通讯（最好是以太网），将上位机的

15、G代码文件传送过来。l 抗干扰性能要好。5-2、软件具有的功能l “自动方式下”具有回退功能。就是说在自动运行过程中，按下“暂停”键后，具有手动点动控制切割轨迹正（反）方向运行，但是这时不进行切割只是空运。待返回到位后：按下“继续”键，系统可以继续自动按轨迹切割。l “手动方式下”具有返回坐标原点功能和程序原点功能。l “自动方式”下，在切割过程中，突然失电后，在再次上电时，可以选择是否继续前一次加工的功能。l “自动方式”下，具有暂停功能，按“继续”键后可以继续加工，要求M代码的输出也需要具有暂停和启动功能;l “手动和自动方式”下，在切割过程中，界面可以比例显示切割工件图形，并具有时时跟踪

16、的功能。l “在参数设置“窗口中，界面显示的加工零件的图形，可以手动输入比例显示。因为我们机床分一个或两个工作台面，当机床台面不同时，显示窗口的尺寸的比例也就应该有所改变。l 系统可以对文件进行管理，比如说：文件的拷贝、文件的修改、文件的删除、新建文件并可以现场输入G代码。l 系统可以对输入的文件进行分类：比如说：对板材的厚度或板材的宽度或板材的长度进行自动分类，以便在生产过程中操作人员查找文件方便。l 软件可以对板材进行自动排版，排版后可以对;l 至少中/英文两种文字显示l 在运行过程中，可以通过手动或手轮方式，进行时时升高/降低机床的运行速度。l 单台上位机，可以按编号对不同的切割机床进行

17、传送文件。同送后有反馈信号。l 空跑速度要求达到12m/s，工件的切割速度要求可以达到78m/s;l 要求具有描图功能，具体要求如下：1、程序具有预读检测功能，在程序预读检测的过程中要可以描图，不允许有任何的输出；2、伺服电机运行，但是M代码控制的电磁阀不允许有输出的描图；3、正常切割时的描图，要求图形要有记忆功能，同时几种描图方式所画的图形要求使用不同的颜色来完成；l 断点记忆返回功能，要求在切割过程中，突然失电后，在再次上电时可以按原轨迹返回上次加工的断点，并且要求在断点处可以进行手动沿图形轨迹前后调节，再从当前点继续加工；l 要求具有图库功能，可以调用常用的图库；l 通讯软件要求具有加密

18、的功能限制；l 从上位机生成的代码程序要求数控系统直接可以读取，不要再进行翻译后才能认可读取；5-3系统的I/O信号l 输入信号有个：X0、Y0返回坐标原点功能；硬限位X+、X-、Y+、Y- 控制系统的启动/停止l 输出有两个：起弧控制信号（接点）、电磁阀上、下控制信号（直流24V）六、中达电通产品在等离子切割行业的可行性分析通过等离子切割的加工工艺的分析和等离子控制系统的硬件、软件功能需求，结合中达电通的产品的特点作出的可行性分析如下：6-1、根据客户对等离子控制系统软硬件的需求，以及我们中达的数控系统的功能和性能：(一)、开放式的系统架构，內含嵌入式可编程 PLC ，可应用各类产业机械和自

19、动化设备。(二)、高清晰LCD液晶显示，用户可以自行规划画面内容，亦可RS232连接DELTA人机，界面更亲和。(三)、全功能CNC键盘，配合PLC开发，可自定义按键功能，操作更灵活。(四)、先进机型最大提供多至4轴的伺服轴接口, 响应速度可达1000Kpps，运动速度更快。(五)、解析度可设定至 7 位数，配合不同的检测装置可实现半闭环/闭环控制架构，控制精度更高。(六)、最大提供2组D/A输出、A/D输入。(七)、提供标准的24点输入和16点输出，如有需要可选配I/O扩展单元，可再扩充32点输入，32点输出。(八)、具有主仆模式功能和被动ENCODER反馈功能，轻松构建主从追随和同步裁剪功

20、能。(九)、除支持标准G代码NC编程外，更提供变量表格编程和示教功能编程功能，编程更灵活。(十)、更具有MACRO宏指令，可以进行数学、逻辑运算，NC编程功能更强大。(十一)、程序存储容量 256K byte，NC程序组别高达1000组。(十二)、提供RS232C标准接口，可连接个人电脑（PC）实现DNC 在线加工功能；确定我们的数控系统在现有的基础上暂时还是不能达到客户的直接需求；6-2、客户现在的等离子切割机上面使用的伺服系统是三菱MR-E系列伺服，X轴使用的的750W，Y轴使用的是1KW中惯量两颗伺服，通过对MR-E系列伺服和我们台达AB系列伺服的功能和性能的分析，确定台达AB系列伺服完

21、全可以在等离子切割机上面使用；6-3、客户现在等离子切割机上面的直线传动机构使用的如下：1、X轴使用的是齿轮齿条进行的直线传动，还有使用了2根20的直线导轨，长度大约是2米，大部分使用的品牌是上银的，有少部分是国产如汉江、南工艺等；经过了解我们的20直线导轨完全可以直接代替使用；2、Y轴也是采用的是齿轮齿条进行的直线传动，而导轨则是采用的圆形轨，长度大约在5-8米不等，这部分我们现在还没有，不能代替使用；6-4、等离子切割机电器控制柜中还使用了1个DC24V开关电源,规格是DC24V，电流是2A，品牌是国产明伟；通过对开关电源的带载能力等分析确定我们的导轨式的开关电源也是完全可以代替；七、结束语21世纪我国的数控切割行业面临各种新的挑战，国际市场竞争更加激烈。我们应瞄准世界先进水平，不断开发研制新产品，带动国内同行业技术水平的普遍提高，只有这样才能淘汰低档、劣质产品，净化市场，带动行业厂家转变经营理念；同时在加强科研开发、技术创新与质量管理上下功夫，使我国数控切割行业迅速达到世界先进水平，从而振兴民族工业，提高我国的综合国力第5页 共5 页