鋁合金中厚板的數(shù)控等離子切割工藝

           在雷達(dá)電子領(lǐng)域，鋁合金材料具有密度低、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、抗腐蝕性強(qiáng)等眾多優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于制造雷達(dá)天線、波導(dǎo)微波組件、機(jī)箱和散熱器等構(gòu)件。目前，常見的鋁合金板材厚度為 0．5～100 mm，其中薄板(0．5～8 mm)的下料切割手段多樣，采用數(shù)控沖、數(shù)控激光切割等方式實(shí)現(xiàn)了精度和效率下料，中厚板(8～100mm)的下料以手動(dòng)和 半自動(dòng)方式為主，存在切割效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、尺 寸一致性差、材料浪費(fèi)嚴(yán)重、后續(xù)機(jī)加工量大等問 題，無法滿足雷達(dá)電子領(lǐng)域的產(chǎn)品批量生產(chǎn)需求。 數(shù)控切割技術(shù)主要包括數(shù)控火焰切割、數(shù)控高 壓水射流切割、數(shù)控激光切割及數(shù)控等離子切割等。數(shù)控火焰切割主要用于碳鋼中厚板的切割， 而有色金屬(鋁合金等)因散熱較快而不適合用火 焰切割；數(shù)控高壓水射流切割沒有材質(zhì)的限制，但易損件(噴嘴等)使用壽命短，后續(xù)加工成本高，沒有合適的方法處理廢水廢料；數(shù)控激光切割的特點(diǎn)是 精度高、效率高，但僅適用于鋁合金薄板(小于等于 8 mm)的精細(xì)切割；數(shù)控等離子切割技術(shù)則不受金 屬材料種類限制，切割厚度已超過150 mln，切割速 度最快可達(dá)10 m／min，切割成本僅為同等條件下的 激光切割設(shè)備的1／3。在此針對(duì)鋁合金中厚板下料存在的切割效率和材料利用率低等問題，采用數(shù)控等離子切割技術(shù)，基于工藝試驗(yàn)的方法，分析工藝參數(shù)對(duì)切割效率和利用率的影響，為實(shí)際應(yīng)用中數(shù)控等離子切割工藝參數(shù)的合理選擇提供指導(dǎo)。

          數(shù)控等離子切割技術(shù)的工作原理：以高溫高速的等離子弧為熱源，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的噴嘴，產(chǎn)生經(jīng)壓縮的高溫等離子流來熔化被切割的導(dǎo)電金屬，采用數(shù)字程序驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，隨著機(jī)床運(yùn)動(dòng)，利用高速等離子的動(dòng)量排除熔融金屬形成狹窄切縫的一種熱加工方法。 根據(jù)等離子電源的不同，等離子切割技術(shù)分為三類：(1)普通等離子切割。根據(jù)所使用的工作氣 體主要分為氬等離子切割、氧等離子切割等，切割電 流在100 A以下，切割厚度小于等于30 mm。(2)再約束等離子切割。由于等離子弧受到再次壓縮，其電流密度、切割弧的能量進(jìn)一步集中，可大幅提高 切割速度和加工質(zhì)量。(3)精細(xì)等離子切割。其等離 子電流密度是普通的數(shù)倍，且電弧穩(wěn)定性好，切割精 度高，可達(dá)激光切割的下限。本研究工藝試驗(yàn)將使用 精細(xì)等離子電源。

            試驗(yàn)條件：在數(shù)控等離子切割設(shè)備上，采用美國(guó)海寶HPR400XD型號(hào)精細(xì)等離子電源，帶弧壓自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)，使用H35等離子氣、N：保護(hù)氣，切割方形、圓形等簡(jiǎn)單形狀鋁合金(5A06牌號(hào))中厚板坯料，板材厚度12 Inln和80 mm，未優(yōu)化切割路徑和速度。 12 mln和80 mm厚度的鋁合金板切割情況如圖1所示，割縫寬度與板材厚度相關(guān)聯(lián)，分別為1．5 mm 和6．8 lnm。12 nun厚度板的切割質(zhì)量非常好，分析 80 mm厚板的切割情況，加工參數(shù)設(shè)置為：切割電 流400 A，切割速度830 mm／min。經(jīng)過測(cè)量，斷面垂直度在30以內(nèi)，直線度±0．2 mm，斷面粗糙度Ra25，切VI下緣基本無熔渣。因此，采用數(shù)控等離子切割技術(shù)并設(shè)置合理的切割工藝參數(shù)，解決鋁合金中厚板的下料問題是可行的。切割效率主要由切割速度決定。針對(duì)厚鋁合金 板，切割速度需要合適，速度過快，則不能割透板 材；速度過慢，斷面表面會(huì)粗糙不齊，切口下緣有很 多熔渣。如圖2所示，與圖1相比，在切割電流等參 數(shù)不變的情況下，切割速度設(shè)為600 mm／min，在切 口下緣有很嚴(yán)重的熔渣，增加了后續(xù)工作量。此 外，需要對(duì)全程切割速度規(guī)戈lJl3]，合理進(jìn)行加、減速， 否則，在輪廓拐角處很容易過燒，留下疤痕，影響下 料質(zhì)量。因此，切割速度需要根據(jù)板材厚度合理設(shè) 置，并根據(jù)輪廓進(jìn)行速度規(guī)劃，在保證切割效果的 情況下提高切割效率。

           材料利用率主要由加工余量決定，割縫寬度、斷面垂直度和直線度、外輪廓拖尾現(xiàn)象和內(nèi)輪廓圓弧過渡現(xiàn)象(見圖3)等都可能影響加工余量的設(shè)置，其中割縫寬度與板材厚度相關(guān)聯(lián)，斷面垂直度和直線度可通過合理設(shè)置切割工藝參數(shù)得到最優(yōu)解決(見圖1)。圖3給出的是等離子切割必然存在的兩種現(xiàn)象，外輪廓拖尾現(xiàn)象是由于等離子切割弧的形狀不規(guī)則，在切割過程中等離子弧不垂直于板材表面，上表面先于下表面被切割，直角被切割成圓角(從圖2右圖也可以看到)；內(nèi)輪廓圓弧過渡現(xiàn)象是由于等離子弧整體呈圓柱體狀，類似于機(jī)加工中的刀具，不可避免會(huì)產(chǎn)生圓角。很顯然，內(nèi)輪廓圓弧過渡現(xiàn)象不會(huì)影響加工余量設(shè)置，而外輪廓拖尾現(xiàn)象則會(huì)增加加工余量，降低材料利用率；可以通過使用共邊、借邊、橋接連割等路徑規(guī)劃的方法解決該問題。此外，由于邊緣切割比穿孔產(chǎn)生的熱變形程度低很多，需規(guī)劃從邊緣開始切割及結(jié)束切割的路徑(見圖1左圖的圓弧路徑)。因此，需要合理規(guī)劃切割路徑，減少加工余量，提高材料利用率，節(jié)約后續(xù)機(jī)加工時(shí)間。

            結(jié)論 (1)采用數(shù)控等離子切割技術(shù)解決鋁合金中厚板的下料問題是可行的，需要選擇合理的工藝參數(shù)，使斷面垂直度、直線度、粗糙度等達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。(2)切割速度需要根據(jù)板材厚度合理設(shè)置，并根據(jù)輪廓進(jìn)行速度規(guī)劃，在保證切割效果的情況下進(jìn)一步提高切割效率。(3)需要合理規(guī)劃切割路徑，進(jìn)一步減少加工余量設(shè)置，提高材料利用率，并節(jié)約后續(xù)機(jī)加工時(shí)間。

來源：wedae.cn