数控切割机加工质量影响分析及技术改进

刘菊兰

关键字 数控切割机；自检测试程序；齿条；齿轮；热处理

0 引言

同煤集团中央机厂下料车间担负着全厂液压支架、胶带运输机、刮板运输机等常规产品的板材结构件的下料任务，板材结构件的下料质量决定着产品整机性能和焊接质量的优劣，车间98%的板材下料由10台数控火焰切割机（利用计算机实现燃气切割金属材料的全程自动化切割设备）气割完成[1-4]。由于在切割过程中机械故障频发，导致了切割产品达不到图纸技术要求和工艺要求，甚至出现废品，不仅造成板材的浪费，而且延长了生产制造周期，经过长期的车间生产实践，针对性地设计了一套技术方案，取得显著效果，为车间及厂提供了良好的设备保障。

1 数控切割机运行误差的自检诊断

影响切割机加工质量的因素有：数控编程质量、机械传动精度、燃气质量、切割火焰的调控、金属热切割变形等，导致在切割过程中的切割机纵、横向行走不到位、设备不归零、切割面表面粗糙、切割不透。而本文抛开其他因素的影响，采用数控切割机运行数控测试程序绘制自检测试图的方法，针对性地反映出机械部分存在的问题。

1.1 编制数控测试程序

根据车间常规产品的结构特点和设备具体的运行状况，用数控NC代码编制切割机自检诊断程序，代码描述的标准测试图形(尺寸单位均为mm)如下所示。

图1 标准测试图形

自检测试NC代码程序如下：

1.2 运行自检测试程序及绘制实际测试图形

将测试程序输入数控切割机，用自制专用测试笔的圆珠笔芯代替割炬的割嘴，用标准A0图纸代替钢板，输入自检测试程序和切割机运行程序，切割行走路径便被绘制出来。图形非常直观的将设备行走轨迹能否封闭归位（A—B—C—D—A）、反复切割同一直线段(CB、DE)的重合度、直线和圆弧线条的平滑程度、各个图段的尺寸误差等十分清晰地反映了出来。

2 分析形成原因及造成的切割缺陷

带故障运行的数控切割机的实际运行图与标准测试图进行比对，通过表格总结如下。

表1 原因分析

3 实施整改措施

3.1 机械系统的调整

（1）松开导轨与地基底座的压紧垫板，调节导轨侧向调整螺栓。保证主副导轨之间的平行度＜2 mm。

（2）横向、纵向齿条与相应的驱动齿轮啮合不完全，水平间隙太大，或高低不在同一平面，啮合面积＜70%。调整纵向主滑座中的侧面偏心轮来调节“夹紧轮”与导轨的间隙。间隙不能调得太小，否则传动中会挤压齿面，加快磨损。

（3）通过调高导轨座上的螺栓来调整垂直高度，保证两侧导轨的水平度，一般调整数据保证在±0.2 mm/m。

（4）平整数控切割机工作平台，更换支承钢板的铸件支撑板。

3.2 控制系统的配置参数的计算和调整

调整数控控制系统的配置参数，即调整“每mm编码器计数”参数，如图2所示。

计算方法：以SH2200操作系统为例，标准位移量/实测位移量=X/旧系统参数，求算出X的数值即为“每mm编码器计数”的新参数数值，这个参数根据机械部件磨损、电气老化情况随时要动态修改，以确保加工质量，此参数只能实现微调。

图2 控制系统配置参数

3.3 驱动齿轮的改进

驱动齿轮（如图3所示）是主机行走机构中最主要的零件，与齿条的啮合程度直接影响到传动精度上，原来驱动齿轮材质是45中碳钢，只经过调质处理，硬度和韧性较低，又是开式工作方式，外露时受外界环境影响较大，经常会造成齿面磨损和轮齿弯曲疲劳折断，加大啮合间隙，严重影响加工质量。所以有必要对驱动齿轮进行材料和热处理工艺的改进。

3.3.1 选材理由

齿条齿轮传动时，配对齿轮齿根较薄，弯曲强度较低，且循环啮合次数较多，故在选择材料和热处理时，一般是齿轮材料比齿条好一些，齿轮的齿面硬度、强度和耐磨性要略高于齿条。在中速中载、有一定冲击载荷的工作环境，应选取机械强度，齿面硬度等综合机械性能好的材料，故选择中碳钢40Cr。

3.3.2 加工生产流程

要求驱动齿轮齿芯具有好的韧性，轮齿表面硬度较高。生产流程图如图4所示。

图4 驱动齿轮的生产流程

3.3.3 热处理控制

该件在粗加工之前，先进行正火处理，加热温度控制在850℃，保温120 min，采取空冷。

精加工前，采用调质处理（淬火+高温回火），淬火温度保持在850℃，保温80 min，采取油冷。随后高温回火，加热温度为620℃，保温60 min，采取空冷。此时硬度只能达到HRC25～28，从而得到良好韧性和塑性的回火索氏体组织。最终的热处理采用表面淬火+低温回火，只对表层＜5mm加热，且是低于250℃回火，对心部基体组织回火索氏体不产生影响，而表层则变为回火马氏体组织，表面硬度可达46～52HRC。这样就保证了芯部韧、齿端硬的加工目的。

3.4 纵向电机支撑座的改造

切割机纵向行走电机支撑座原出厂时是铸铁件，由于组织结构疏松，韧性差，经常会发生断裂，后采用低合金高强度板Q460材质，经数控切割成结构件后焊接成型，韧性、强度明显提高，延长了使用寿命。

4 结束语

经过一系列改进措施的施行后，再次运行自检程序，绘制测试图形，与标准图形尺寸对比，对角线尺寸、两圆同轴度、线段重合程度的误差明显改观，达到了图纸技术要求。在实际操作中，可以根据切割现状反复执行这样一套工作流程，直到切割出满意的产品。