1、數(shù)控等離子切割機(jī)工作原理及質(zhì)量分析三一汽車起重機(jī)械有限公司 陸雄摘要：數(shù)控等離子切割機(jī)是一種采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行板材下料的機(jī)電一體化設(shè)備。本文介紹了數(shù)控等離子切割機(jī)的基本組成及工作原理，對(duì)機(jī)床的縱、橫向?qū)驒C(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及等離子弧切割過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。在等離子弧切割加工中，常見的質(zhì)量問題有切割斜角、熔渣、切割斷面波紋等，消除切割斷面波紋是長(zhǎng)期以來困擾我們的難題。本文主要針對(duì)切割斷面波紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析討論，并提出一些參考的處理方法，希望能對(duì)提高數(shù)控等離子切割機(jī)的切割質(zhì)量有所幫助。 關(guān)鍵詞：數(shù)控等離子切割機(jī)、等離子電弧、切割斜角、熔渣、切割斷面波紋1 前言數(shù)控等離子切割機(jī)可以切割各種形狀復(fù)雜

2、的工件并具有切割速度快、效率高、切割面質(zhì)量好、切割尺寸精確、工件熱變形小等優(yōu)點(diǎn)。由于其高效率及良好的切割精度，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、造船、壓力容器等行業(yè)。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，三一汽車起重機(jī)械有限公司由2008年的3臺(tái)數(shù)控等離子切割機(jī)增加到現(xiàn)在的16臺(tái)。由于數(shù)控等離子切割機(jī)的大量使用，在實(shí)際的切割加工過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的質(zhì)量問題，常見的有切割斜角、熔渣、切割斷面波紋等。為了充分發(fā)揮其效率，提高加工質(zhì)量，要求我們對(duì)數(shù)控等離子切割機(jī)的工作原理有較全面的了解，以便有效的解決實(shí)際工作中遇到的各種質(zhì)量問題。下面以公司的某一種機(jī)型為例，對(duì)數(shù)控等離子切割機(jī)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理

3、進(jìn)行介紹，并對(duì)一些常見的切割質(zhì)量問題進(jìn)行分析。2 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）。等離子電源機(jī)械本體CNC數(shù)控系統(tǒng) 圖1 數(shù)控等離子切割機(jī)的組成框圖下面就這三大部分別進(jìn)行介紹。21 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(dòng)器、伺服電機(jī)及割炬高度控制等部分組成（圖2）。CNC數(shù)控主機(jī)I/O控制電路板伺服驅(qū)動(dòng)器伺服電機(jī)割炬高度控制 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，它采用的是Hypertherm的Edge系統(tǒng)，它在Windows XP軟件系統(tǒng)平臺(tái)上安裝了Ph

4、oenix圖形切割軟件，具有人機(jī)界面直觀，操作簡(jiǎn)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(dòng)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(gè)作用，一個(gè)是在等離子起弧時(shí)實(shí)現(xiàn)初始定位功能，另一個(gè)是在切割加工過程中實(shí)現(xiàn)割炬高度自動(dòng)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。22 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，機(jī)械本體通常采用龍門式結(jié)構(gòu)，軌距通常為6米。縱向大車采用雙邊驅(qū)動(dòng)。它主要由兩側(cè)端梁、橫梁、割炬小車、割炬升降機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向及傳動(dòng)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)

5、，機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)要求結(jié)構(gòu)剛性好，重量輕，通常采用鋼板焊接的箱式結(jié)構(gòu)，一方面減小了機(jī)床的慣性負(fù)荷，別一方面減少機(jī)床運(yùn)行中的振動(dòng)。縱向大車驅(qū)動(dòng)方式采用雙邊高精度齒輪齒條傳動(dòng)，為增加運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)精度采用齒輪與齒條無側(cè)隙嚙合。縱向大車的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫向割炬小車的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，這幾部分是對(duì)機(jī)床運(yùn)行精度影響較大的的關(guān)鍵部位，下面主要對(duì)這幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹。221 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）。 圖4 縱向大車導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 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，既有良好的耐磨性，又有較好的導(dǎo)向精度。兩側(cè)端梁下部各

6、有2個(gè)大車行走輪用來支承整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量，并在大車導(dǎo)軌上平穩(wěn)行走。端梁下部安裝了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，這既能消除導(dǎo)向軸承與導(dǎo)軌之間的間隙，又能保持良好的接觸剛度。預(yù)緊力由一組碟形彈簧產(chǎn)生，通過調(diào)節(jié)螺桿可以調(diào)節(jié)預(yù)緊力的大小，預(yù)緊力過小導(dǎo)軌的接觸剛度降低，導(dǎo)向精度降低，直接影響加工精度。預(yù)緊力過大將增加傳動(dòng)阻力，使伺服電機(jī)負(fù)荷增大，并且會(huì)加快導(dǎo)向軸承的磨損，所以調(diào)節(jié)預(yù)緊力的大小十分重要。222 縱向大車傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 縱向大車的傳動(dòng)采用齒輪齒條傳動(dòng)，由伺服電機(jī)通過減速機(jī)傳送給大車齒輪，以實(shí)現(xiàn)割炬的縱向直線運(yùn)動(dòng)

7、。 圖5 縱向大車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dòng)精度，齒輪齒條傳動(dòng)利用彈簧機(jī)構(gòu)來自動(dòng)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(dòng)過程中齒輪與齒條不脫開，且需要有足夠的剛度，以保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度。這種機(jī)構(gòu)還有一個(gè)作用就是在機(jī)床發(fā)生撞車時(shí)，齒輪齒條能夠脫開，以保護(hù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以彈簧力的大小必須適當(dāng)。223 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6-1），該導(dǎo)軌嵌在方型的基座上，以保證導(dǎo)軌的剛度。 圖6-1 橫向割炬小車導(dǎo)

8、向機(jī)構(gòu) 圖6-2 偏心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)放大圖橫向?qū)驒C(jī)構(gòu)采用4對(duì)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6-2所示，下部導(dǎo)向軸承采用偏心銷軸固定，可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)剛度。調(diào)節(jié)偏心銷軸時(shí)，先要適當(dāng)將緊固螺釘擰松，然后用扳手轉(zhuǎn)動(dòng)偏心銷軸，調(diào)整完后，將緊固螺釘擰緊。23 等離子電源水路 斬波器 氣路主控制板PCB7引弧電路 CR1起動(dòng)電路CNC等離子電源為數(shù)控等離子切割機(jī)提供切割能源，它主要由主控制板、起動(dòng)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

9、子電源組成框圖3 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(shí)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(gè)過程。31 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。如圖8所示，主要零件有電極（Electrode）、噴嘴(Nozzle)、渦流環(huán)(Swirl Ring)、保護(hù)套(Retaining Cap)、保護(hù)罩(Shield)、水管（Water Tube）。噴嘴(Nozzle) 電極（Electr

10、ode） 渦流環(huán)(Swirl Ring) 水管（Water Tube） 保護(hù)氣 出水 進(jìn)水 等離子氣 圖8 割炬裝配圖1噴嘴在割炬中主要有以下功能：1）等離子噴嘴是通過使旋轉(zhuǎn)的等離子氣體收縮、噴射，對(duì)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，其工作過程是，先以電極為陰極，噴嘴為陽極，在電場(chǎng)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(shí)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(shí)繼電器切斷噴嘴上的電路。3）等離子噴嘴

11、具有耐高溫性能和較好的導(dǎo)熱性，等離子弧的弧柱溫度高達(dá)30000以上，弧柱從噴嘴的2mm小孔中穿過，使噴嘴溫度很高。2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9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9 切割示意圖我們知道等離子氣體在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心作用使溫度較低密度較高的氣體向外側(cè)移動(dòng)，溫度高而密度低的氣體向中間移動(dòng)，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(duì)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

12、子氣流的旋轉(zhuǎn)速度越高，則對(duì)等離子弧柱的收縮效果越好。32 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，其高度距離不僅造成等離子電弧參數(shù)( 弧壓 ,切割電流) 的變化,而且直接影響切割斜角和表面切割質(zhì)量。在實(shí)際切割過程中,由于板材不可避免的會(huì)有變形，使割炬與鋼板之間的切割高度不斷發(fā)生變化，為保證切割質(zhì)量，割炬必須上、下調(diào)整以穩(wěn)定電弧在正常值的范圍內(nèi)切割。 圖10 弧壓與切割高度的關(guān)系根據(jù)理論研究，如圖10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。4 常見質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因及解決措施評(píng)定數(shù)控等離子切割質(zhì)量好壞可從以下

13、三個(gè)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。下面從切割斜角、熔渣、切割斷面波紋這三個(gè)方面來進(jìn)行分析討論。41切割斜角如圖11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度。 圖11 切割斜角 圖12 割炬高度對(duì)切割斜角的影響如圖12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。42 熔渣1頂部熔渣位于割縫的頂部?jī)蓚?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。圖13 高速熔渣2高速熔渣這種溶渣較小，在割縫的底部，其產(chǎn)生的原

14、因可能是由于噴嘴損壞、電流過低、速度過快、切割高度過高造成的。清除時(shí)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。圖14 高速熔渣3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。圖15 低速熔渣43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)乃俣取０夹蔚那懈蠲媸怯捎诟罹娴焦ぜ木嚯x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。前面所述的質(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(shí)更換電極、噴

15、嘴、渦流環(huán)等易損件的辦法加以解決。在實(shí)際切割加工的實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)如圖16所示，為波浪狀的切割斷面波紋，這種波紋表面光潔，排列很整齊，看上去是很有規(guī)律的紋路。這種切割斷面波紋采用常規(guī)的調(diào)節(jié)切割參數(shù)的方法是沒法解決的。圖16 切割斷面波紋 圖17 比較好的切割斷面這種波紋是長(zhǎng)期以來一直困擾我們維修人員的一個(gè)難題。那么這種波紋是如何產(chǎn)生的呢？通過多年的維修實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種波紋的原因主要是由于機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)及機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性不夠，導(dǎo)致機(jī)床在運(yùn)行時(shí)發(fā)生振動(dòng)及抖動(dòng)而產(chǎn)生的。機(jī)床剛性的好壞直接關(guān)系機(jī)床的加工精度，機(jī)床剛性不夠有兩大方面的原因。其一是設(shè)備生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)、制造及安裝調(diào)試方面的原因：1

16、 機(jī)床本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)剛性（如橫梁、端梁結(jié)構(gòu)等）不夠；2機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)不夠合理；3機(jī)床導(dǎo)軌、導(dǎo)向軸承、齒輪齒條等零部件的材質(zhì)及熱處理質(zhì)量較差，導(dǎo)致零部件的耐磨性差，使用壽命短。其二是在設(shè)備在使用維護(hù)及維修方面的原因：1 機(jī)床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的正常磨損或在運(yùn)行過程中松動(dòng)也會(huì)造成機(jī)床剛性不夠；2 機(jī)床操作人員的維護(hù)保養(yǎng)不到位，造成導(dǎo)向及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件的磨損加快；3 部分維修人員對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)及調(diào)整方法了解不夠以及定期點(diǎn)檢及檢查調(diào)整不到位。那么要如何才能徹底消除切割斷面的波紋呢？可以考慮從如下幾個(gè)方面著手：1在實(shí)際切割加工中，這種切割斷面波紋在大部分下料零件中都會(huì)存在，出現(xiàn)的概率極大，

17、有必要對(duì)這種波紋的深度進(jìn)行界定，需要制定相應(yīng)的檢測(cè)及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，這樣才有利于對(duì)切割斷面波紋的控制。2有的新設(shè)備在開始投入使用時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)切割斷面波紋，質(zhì)量較好的設(shè)備可能在使用半年以后才會(huì)產(chǎn)生切割斷面波紋，這就說明對(duì)于不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備、不同結(jié)構(gòu)的設(shè)備、不同使用限的設(shè)備，出現(xiàn)切割斷面波紋的情況不一樣，需要對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行專門調(diào)查研究，制定相應(yīng)的治理方案，有針對(duì)性的制定設(shè)備定期點(diǎn)檢及維修調(diào)整方案。3加強(qiáng)對(duì)數(shù)控等離子切割機(jī)操作工及維修工的技能培訓(xùn)，讓他們充分了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理，讓操作工掌握正確的維護(hù)保養(yǎng)方法，讓維修工掌握維修及調(diào)整技巧。5 總 結(jié) 綜前所述，影響數(shù)控等離子切割機(jī)切割質(zhì)量的因素很多, 除了前面提到的相關(guān)參數(shù)以外, 還有切割工藝、切割方法、電極噴嘴的好壞等多種因素。要保證數(shù)控等離子切割機(jī)的質(zhì)量，減少或消除切割斷面的波紋，要求數(shù)控等離子切割機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)