数控等离子切割下料的质量控制与测量

李寿全，张幼民

（齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔161002）

0 前言

数控等离子切割机在铁路装备制造业中得到广泛应用。板材零件是铁路货车结构中最基本的组成单元，大约60%的零件是由金属板料加工制成，而数控等离子切割下料占板材下料总量的53%。等离子切割的零件周边无需加工即可直接组焊，作用无可替代。尽管数控等离子切割存在设备购置及维护成本高、有一定的烟尘污染等不利因素，但其优良的工艺适应性越来越得到用户青睐。

数控等离子切割机是集数控技术、等离子切割技术、逆变电源技术等于一体的高新技术，其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的基础上[1]。为了充分发挥数控等离子切割机的效能、保证切割件的质量，除了需要对切割设备的特性有一定的了解，正确选择工艺参数以外，还应对与切割相关的材料等因素有正确的认识。

1 切割板料

板料的不平度和内在应力，对切割质量的影响非常大。板材在切割前一定要经过校平，充分释放板材内在应力，并达到工艺要求的不平度（中厚板平面度一般要求≤2mm/m2）。如果待切割板料平面度不好，那么当板料为上弯时板料与机床平台接触面积变小，切割时会使变形趋势被放大，切割件实际尺寸与正常值偏离。板料为下弯时，对切割尺寸影响相对上弯时要小，只是工件与板料分离瞬间会发生掉落，工件表面易被等离子流灼伤从而出现起弧缺陷。在北方寒冷地区的冬季，室外放置的板材进入车间工作场地后，应经过24 小时以上的缓霜，使之达到室温后再进行切割操作。为确保切割质量，板料表面应清洁，不得有沙粒、灰尘，板料切割前一般应进行抛丸涂漆预处理，漆膜厚度≤20μm，漆膜必须干燥。

2 工作平台

工作平台（也称料拍）是板料放在数控等离子切割机上进行切割的基准和支撑架，因此表面需保持水平状态，平面度≤1.5mm/m2，根据所生产的切割件尺寸大小确定合理料拍间隙与间距。生产现场往往对料拍的重视不够，常用剩余料边焊接料拍，存在料拍间隙过大、其制造质量达不到标准要求的情况，当多组料拍安装在切割设备的基础架体过程中，疏于对料拍整体平面度进行调校，使各个料拍之间错位，将直接影响切割质量。

3 切割方法

等离子切割机工作速度是指切割机的割炬在工作过程中的移动速度（等离子割炬工作速度：50～6000 mm/min），切割速度选择合理，可以使切口表面光滑无毛刺，断口斜度较小。切割速度加快将导致切口斜度变大，过快则会在切口处出现波纹和毛刺，甚至无法切透或断弧。切割速度过慢也会出现毛刺，并会使切缝变宽，影响工件尺寸与质量，降低了切割效率。

切割顺序的选择对于保证切割质量也非常关键。应遵循先内后外，先小后大的原则；先切割加工件的内轮廓或内轮廓中套切的零件，后切割工件的外部轮廓，否则如先切割外轮廓，则切割后外轮廓先从母材上脱离，必然会出现相对位移，在切割内轮廓时则无法保证内轮廓的尺寸；先切割母材上面积小的零件，后切割大尺寸的零件，可使尺寸大的零件周边的材料质量变轻，有利于减小大尺寸零件切割时产生的热变形偏差；在能保证最佳的切割质量的前提下，应尽量选择最近的切割路线。

切割零件在板料上排布时，2 个零件之间的距离，应根据材料的材质、板厚与割炬上割缝的大小而定，一般应在10mm～20mm 之间,过近则会在切割过程切伤邻近工件或出现刮枪现象，过远则浪费材料。切割时割炬应垂直工件表面，可稍带一定的后倾斜角，一般不大于3°。

4 切割缺陷与对策措施

等离子切割件最常见的切割缺陷是起收弧缺陷。起弧缺陷一般是由板料不平、工件切割过程中发生变形或位移，起弧线、补偿值设置不合理等原因造成的。由于板料不平，工件和母板脱离时会向下掉落，掉落瞬间会被等离子流灼伤，造成起弧缺陷，处理方法是根据实际情况设置提前收弧时间，使工件掉落时刚好停弧或者在编程时去掉引出线。另外对于工件切割过程中发生变形或位移，产生的起收弧微小缺陷可以通过设置四分之一圆弧的起收弧线来弥补，起收弧缺陷大或者错位明显时，则说明工件变形或位移严重，导致零件尺寸偏离正常值。当在非角点起收弧时，补偿数值设置过大，起收弧线没有交叉设置，则会出现起收弧缺陷。

等离子切割件另一个常见问题是难以切割出零件的顶点或尖点。等离子切割机由于切割速度和后托量的相互作用一般无法切割出直角顶点，更无法切割出锐角尖点。切割件通常在没有特殊要求时，允许工件带有切割过程自然形成的小圆角。当要求工件切割顶点必须形成时，则需采取以下手段：一是通过设置拐点减速来减小切割时后托量对尖角的影响；二是编程时，在尖角处增加外接角，以达到对尖角或锐角理想的切割效果。

等离子切割时等离子风线成倒转的蜡烛火焰形状，再加上风线与等离子电弧之间有一定的后拖量，所以在切割时，会出现一定量切口斜度。控制切口斜度首先切割速度要控制在合理要求范围内，其次割炬高度、割炬倾角也应该符合要求。有时割嘴损坏，也影响切割件的切口斜度。

对于等离子切割件上经常出现的毛刺与挂渣现象，首先，切割速度过快或过慢都能使工件切口处产生一定毛刺或挂渣现象；其次，割嘴损坏、老化也可在切口上下方产生毛刺或挂渣。此时应及时更换割嘴。还有就是切割保护气体纯度不够或者割嘴种类与气体种类不符合，也可能在工件上下表面产生毛刺或挂渣现象。如工件下方挂渣面积非常大，可能是等离子料拍被熔渣糊死，使得熔渣反弹后挂在工件表面造成。

等离子切割件的对角线超差也是常见缺陷，原因是等离子切割机一侧齿轮出现相对偏移或齿轮与齿条间隙不合理造成的。调节对角线超差时，首先用专用的画线笔做枪嘴，在平台上画出1 米见方的方形，在方形上实际测量出对角线偏差的大小，再根据偏差的大小调节机床。调节机床时先固定切割机的一侧，调节另一侧的齿轮齿条，使机床的对角线偏差达到要求范围。

至于切割断面处出现波纹现象，一般是由于切割速度过快或割嘴损坏造成的。另外机床的轨道上齿轮齿条磨损、齿条之间有异物或间隙过大、松动等现象也可能造成切割件断口处出现明显波纹。

综上所述，根据数控等离子切割工艺的特点和规律，通过采取得当措施就可减少切割缺陷、控制切割质量。当等离子切割件尺寸与图纸有偏差时，首先可以进行割缝补偿调节：割缝值正常时应该与割炬的割缝实际值相等，但在工件尺寸需要微小变动时，可通过调节割缝的数值来补偿，以达到我们要求的准确轮廓尺寸。调节割缝值使之加大，则所有零件外轮廓尺寸都会加大，内轮廓尺寸则会相应的缩小。若调节割缝值变小，零件尺寸变化趋势则会相反。其次是调整割炬高度与电弧压力：割炬高度一般应在3mm～6mm 之间，电弧压则根据切割板料的厚度设置调节范围，在起弧时电弧压可为550～700voltsl，根据实际板厚与板料的不平度情况微调割炬高度与电弧压力，在其他因素不变的情况下可减小切口的斜度，改善切口质量，减少断弧率，达到更加理想的效果。另外，在切割材料内在应力特别大并对热变形应力比较敏感的细长件时，可根据实际情况先破开板材，释放内应力后再切割，或采取在切割时预留工艺筋的办法，使工件和板料一体，减小变形应力对工件的影响，在切割完成后再切断工艺筋。这种方法虽然可以保证工件变形小，但在最后切断的工艺筋处会出现明显的断面缺陷，需要用修磨或焊补的方法进行后续处理。

5 切割件的测量

5.1 测量作业现状

数控等离子切割过程是按预设程序自动完成的，但是切割出的工件必须进行测量，原因是切割设备需要编程员根据工艺卡片编程，存在人为失误的可能，另外切割设备在操作中也存在不确定因素，所以对切割后工件进行测量是零件制造过程中的必要环节。不仅校验编程的正确性，而且可查看零件尺寸公差是否在范围内、查看是否有切割缺陷，如起收弧缺陷、断面波纹、切割斜度等，确定是否需要进一步调整切割参数和采取优化切割程序等方法加以控制。

对于大多数中小型零件，一般使用卷尺等通用量具检验就能满足检测要求，外形轮廓稍复杂些的零件，可将零件放在平板上用细笔沿轮廓划线，必要时对轮廓线进行延长并形成交点，将交点及其他轮廓线进行测量即能满足零件外形尺寸检测要求。

对于外形尺寸超过3000mm 以上的大型工件，特别是形状比较复杂的异形件，其尺寸的测量十分困难。一般情况下工件切割后就需要判断质量是否合格，以便决定能否继续生产，目前的常规做法是在料拍上面、以切割上平面边缘为测量基准实施检测，根据经验对测量值进行一定的修正，其测量误差通常较大，个别零件的细节尺寸甚至无法测量。例如铁路货运平车中梁腹板，如图1 所示，材质为耐候钢09CuPCrNi-A，板厚12mm，因工艺需要预制垂直挠度，零件上下边缘均为4 条折线，其夹角从左到右分别为：179.955°（挠度-11）、179.952°（挠度-5）、179.659°（挠度0），由于工件本身形状拐点不明显，而数控等离子切割机走行系统误差及等离子实际割缝轨迹的圆滑型趋向，零件形状细微的变化被湮没，导致用人工测量方法无法识别拐点，对于挠度值更无从测得。为此只能让零件流入组装单位试装，在大平台上与其相配合零件对接摆放，通过测量总装配尺寸来确认零件是否合格。总之对于较为复杂二维形状零件仅靠人工测量的传统方法，导致检测精度低、效率低下、工作量大等问题已成为零件制造工艺过程中的障碍。

图1 工件图

5.2 光电测量

实践证明传统的测量方法已无法满足企业精益制造、产品转型升级的需要，随着高新技术的迅猛发展，多种检测方式逐渐出现，例如激光检测方法，象激光全站仪、激光经纬仪、激光干涉仪等虽然能保证较好的精度，但其缺点也很明显，如价格昂贵、测量空间要求很大，而且对作业环境要求较高，只适合实验室等特殊工作环境中作为抽检或计量室定标所用。值得注意的是CCD 及图像采集、图像处理技术的日臻成熟为在作业中实施光电检测方式提供了可能，毫无疑问非接触光电测量技术将成为制造业未来的发展趋势。目前利用CCD 技术进行机器视觉成像对二维物体的非接触测量技术发展很快，机器视觉测量系统在零件检测方面的技术无论在精度上还是效率上都能达到很高的程度，其操作也更加自动化、人性化[2]。

但是数控等离子切割机并非高精度的加工设备，其加工的对象也不够精密，使测量信息的获取有一定难度：其一是切割断面一般有约3°的斜度，应按照底面也就是最大实体进行测量；其二是切割断面有波纹；其三是切割件的棱角或尖点往往切成圆角，测量时需要对其延长做出交点。另外就是切割件往往会有一定翘曲。因此测量技术的重点是能够排除干扰因素对零件的关键特征点或形状拐点数据进行捕捉，并自动对其交点进行计算。至于测量精度也不必苛求，对于大型工件测量精度在1mm 以内就可满足技术要求。光电检测方法一旦能够在生产现场得以实际应用，将会推动制造业工艺技术水平的极大提升，对产品质量的精准控制也将产生无法估量的作用。

6 结论

数控等离子切割技术是在制造业中普遍使用的板材下料方法，生产过程中往往存在过程控制比较粗放，工序质量波动的情况，需要大力推行精益制造、强化过程管理，将具体作业标准落实到位，避免重复劳动和材料浪费。科学测量也是质量控制必不可少的手段，目前有关这方面的成果不多，应对其实用性、可靠性做深入研究和探索。

[1]陈 洁，郑 鹏.数控等离子切割技术及应用[J].新技术新工艺，2009，（2）.

[2]曹自然.大型板类零件孔形位尺寸检测系统[D].长春：长春理工大学，2010.

[3]李 勇，曹 炬.矩形件排样优化的十字线法[J].锻压装备与制造技术，2004，39（6）.

[4]陈树明，赵志超.高性能数控激光切割机设计要点.锻压装备与制造技术，2003，38（1）.