鋁合金中厚板的數控等離子切割工藝

           在雷達電子領(lǐng)域，鋁合金材料具有密度低、比強度高、導熱導電性好、抗腐蝕性強等眾多優(yōu)良性能，廣泛應用于制造雷達天線(xiàn)、波導微波組件、機箱和散熱器等構件。目前，常見(jiàn)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，采用數控沖、數控激光切割等方式實(shí)現了精度和效率下料，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)強度大、尺 寸一致性差、材料浪費嚴重、后續機加工量大等問(wèn) 題，無(wú)法滿(mǎn)足雷達電子領(lǐng)域的產(chǎn)品批量生產(chǎn)需求。 數控切割技術(shù)主要包括數控火焰切割、數控高 壓水射流切割、數控激光切割及數控等離子切割等。數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；數控高壓水射流切割沒(méi)有材質(zhì)的限制，但易損件(噴嘴等)使用壽命短，后續加工成本高，沒(méi)有合適的方法處理廢水廢料；數控激光切割的特點(diǎn)是 精度高、效率高，但僅適用于鋁合金薄板(小于等于 8 mm)的精細切割；數控等離子切割技術(shù)則不受金 屬材料種類(lèi)限制，切割厚度已超過(guò)150 mln，切割速 度最快可達10 m／min，切割成本僅為同等條件下的 激光切割設備的1／3。在此針對鋁合金中厚板下料存在的切割效率和材料利用率低等問(wèn)題，采用數控等離子切割技術(shù)，基于工藝試驗的方法，分析工藝參數對切割效率和利用率的影響，為實(shí)際應用中數控等離子切割工藝參數的合理選擇提供指導。

          數控等離子切割技術(shù)的工作原理：以高溫高速的等離子弧為熱源，利用優(yōu)化設計的噴嘴，產(chǎn)生經(jīng)壓縮的高溫等離子流來(lái)熔化被切割的導電金屬，采用數字程序驅動(dòng)機床運動(dòng)，隨著(zhù)機床運動(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。 根據等離子電源的不同，等離子切割技術(shù)分為三類(lèi)：(1)普通等離子切割。根據所使用的工作氣 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)精細等離子切割。其等離 子電流密度是普通的數倍，且電弧穩定性好，切割精 度高，可達激光切割的下限。本研究工藝試驗將使用 精細等離子電源。

            試驗條件：在數控等離子切割設備上，采用美國海寶HPR400XD型號精細等離子電源，帶弧壓自動(dòng)調高系統，使用H35等離子氣、N：保護氣，切割方形、圓形等簡(jiǎn)單形狀鋁合金(5A06牌號)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，加工參數設置為：切割電 流400 A，切割速度830 mm／min。經(jīng)過(guò)測量，斷面垂直度在30以?xún)龋本€(xiàn)度±0．2 mm，斷面粗糙度Ra25，切VI下緣基本無(wú)熔渣。因此，采用數控等離子切割技術(shù)并設置合理的切割工藝參數，解決鋁合金中厚板的下料問(wèn)題是可行的。切割效率主要由切割速度決定。針對厚鋁合金 板，切割速度需要合適，速度過(guò)快，則不能割透板 材；速度過(guò)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 數不變的情況下，切割速度設為600 mm／min，在切 口下緣有很?chē)乐氐娜墼黾恿撕罄m工作量。此 外，需要對全程切割速度規戈lJl3]，合理進(jìn)行加、減速， 否則，在輪廓拐角處很容易過(guò)燒，留下疤痕，影響下 料質(zhì)量。因此，切割速度需要根據板材厚度合理設 置，并根據輪廓進(jìn)行速度規劃，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(xiàn)度、外輪廓拖尾現象和內輪廓圓弧過(guò)渡現象(見(jiàn)圖3)等都可能影響加工余量的設置，其中割縫寬度與板材厚度相關(guān)聯(lián)，斷面垂直度和直線(xiàn)度可通過(guò)合理設置切割工藝參數得到最優(yōu)解決(見(jiàn)圖1)。圖3給出的是等離子切割必然存在的兩種現象，外輪廓拖尾現象是由于等離子切割弧的形狀不規則，在切割過(guò)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)；內輪廓圓弧過(guò)渡現象是由于等離子弧整體呈圓柱體狀，類(lèi)似于機加工中的刀具，不可避免會(huì )產(chǎn)生圓角。很顯然，內輪廓圓弧過(guò)渡現象不會(huì )影響加工余量設置，而外輪廓拖尾現象則會(huì )增加加工余量，降低材料利用率；可以通過(guò)使用共邊、借邊、橋接連割等路徑規劃的方法解決該問(wèn)題。此外，由于邊緣切割比穿孔產(chǎn)生的熱變形程度低很多，需規劃從邊緣開(kāi)始切割及結束切割的路徑(見(jiàn)圖1左圖的圓弧路徑)。因此，需要合理規劃切割路徑，減少加工余量，提高材料利用率，節約后續機加工時(shí)間。

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

來(lái)源：www.designofka.com