钢板切割加工变形控制技术研究

万 鹏

（中煤北京煤矿机械有限责任公司，北京 102400）

高碳板材是液压支架中常用的基本型材，直接关系到相关产品的功能指标和使用安全。由于钢板本身含碳量高，极易受到加工前和加工后的应力影响，因此产生较大变形，影响型材正常使用[1]。在加工过程中，因为瞬时切削力大、切削热量高，钢板型材本身易产生热变形且缺乏约束力，所以残余应力会导致变形。同样的问题在加工后依然可能发生，例如2块钢板进行焊装拼接，当焊接瞬时高温仍然会导致钢板型材内残留大量的残余应力[2]。因此，如何有效地控制切割过程中的残余应力，最大限度地减少切割加工后变形，是高碳钢板切割加工中的首要问题。基于火焰的切割加工方式是有别于等离子切割的一种技术手段。因为切割原理简单且容易实现，切割加工的成本较低，所以火焰切割是钢质板材切割的重要加工手段。从切割原理上看，当火焰燃烧达到3000℃以上的温度时，就可以和纯氧气产生加速氧化现象[3]。切口和切边处的变形主要产生于加速氧化瞬时高温所产生的不均匀受热。该文从钢板切割的火焰加工原理出发，分析切割过程中的物理和力学特性，进而通过试验对可能产生的变形进行分析，从而确定影响变形的关键量，以便于加以控制。

1 钢板切割的火焰加工原理

与一般的切割工艺相比，采用火焰加工完成的钢板切割不仅具有更高的效率，而且加工成本低、切割精度高，可以实现低碳环保的生产目标。火焰切割的基本原理是采用丙烷等无污染的清洁型可燃气体，在切割线路上燃烧并对钢板切割部位进行加热；当丙烷燃烧时会释放大量的热，从而导致钢板局部位置的钢材达到燃点；此时，从侧向喷嘴儿配合喷出高纯度氧气，也可以导致钢材加速氧化；钢材燃烧不仅可以改变切割线路上的铁质材料属性，而且可以释放巨大的热量，加速钢材熔断；如果钢板的厚度不大，那么火焰加热可以在较短时间内完成钢材切割。根据操作经验，对纯氧喷嘴儿进行控制，得到理想的切割口，提高切割后钢板型材的加工精度。在上述加工过程中，丙烷燃烧有预热作用，当其达到第一波板材燃点时，剩余的板材燃点达到所需的热能，主要利用钢材和纯氧加速氧化自身所产生的热能。根据经验统计，助燃的预热热能不超过火焰切割总能量的30%，剩余70%的切割能量全部由钢材纯氧加速氧化提供。在火焰切割过程中，钢铁和纯氧的化学反应是产生热能并完成切割的关键，这里的反应会出现3种情况。第一种情况，铁和氧气反应形成一氧化铁并释放热量，化学反应过程如公式（1）所示。

式中：Fe为火焰切割加速氧化过程中的铁元素；O2为火焰切割加速氧化过程中的氧元素；FeO为火焰切割后形成的反应物一氧化铁。

根据公式（1）可知，在火焰切割过程中可能出现的第一种情况，就是1份的铁和半份的氧气反应生成1份的一氧化铁，并释放280.9kJ的热量。第二种情况，铁和氧气反应形成三氧化二铁并释放热量，化学反应过程如公式（2）所示。

式中：Fe为火焰切割加速氧化过程中的铁元素；O2为火焰切割加速氧化过程中的氧元素；Fe2O3为火焰切割后形成的反应物三氧化二铁。

根据公式（2）可知，在火焰切割过程中可能出现的第二种情况，就是2份的铁和1.5份的氧气反应生成1份的三氧化二铁，并释放831.3kJ的热量。第三种情况，铁和氧气反应形成四氧化三铁并释放热量，化学反应过程如公式（3）所示。

式中：Fe为火焰切割加速氧化过程中的铁元素；O2为火焰切割加速氧化过程中的氧元素；Fe3O4为火焰切割后形成的反应物四氧化三铁。

根据公式（3）可知，在火焰切割过程中可能出现的第一种情况，就是3份的铁和2份的氧气反应生成1份的四氧化三铁，并释放1130.1kJ的热量。

分析上述3种情况可知，在火焰切割过程中，铁元素和纯氧发生反应，会生成3种不同的氧化物，但是每种氧化物的生成过程都会释放热量，满足切割过程中的热量需求。其中，四氧化三铁的生成过程所产生的热量最大，其次是三氧化二铁生成所产生的热量，最后是一氧化铁。

2 钢板切割的信息化建模和温度场分析

在明确火焰切割完成钢板型材加工的基本原理和化学反应过程后，就需要观察这种加工方式的实际效果。如果完全进行实体切割试验，就会增加更多的成本。因此，采用仿真加工的手段进行进一步试验。选择Patran有限元分析软件，对钢板型材、热源、切割过程进行仿真模拟。将钢板型材厚度设定为8mm，以满足高碳中厚板材的特征。钢板型材的长度设定为500mm，宽度设定为300mm。通过Patran有限元分析软件，仿真设定后的三维效果，如图1所示。

图1 Patran有限元分析软件下仿真设定的钢板型材

如图1所示，8mm厚的钢板型材在仿真软件中立体化呈现，在仿真设定过程中一共包括10000个节点和8000个基本单元，这些微小的基本单元也为火焰切割过程中的仿真模拟奠定了微观基础。采用Patran有限元分析软件模拟火焰切割的加工过程，割缝位置设定在250mm处，观察钢板左侧边缘（0位置）到割缝处的温度变化，如图2所示。

图2 火焰切割过程中各点的温度变化曲线

从图2中的曲线变化情况可以看出，割缝位置处的温度最高，达到2000℃。距离割缝较近的位置，温度也很高。随着到割缝位置的距离增加，温度逐渐降低，在220mm位置的温度降为0℃。从温度的变化情况来看，从250mm的最高温度2000℃，距离割缝位置每增加2.5mm，就会明显下降，依次降至1800℃、1590℃、1100℃、790℃和500℃，然后下降速度更密集，在220mm处与周边板材温度相同。从这条曲线的变化形式中可以看出，在钢板材料的切割过程中，火焰加工所产生的影响只在割缝位置及其较近的范围内产生，对于割缝位置较远处以及钢板型材的整体影响不大。

3 钢板切割变形试验与分析

在前面的研究工作中分析了火焰切割加工中的基本原理和化学反应过程，并通过Patran有限元分析软件构建了仿真系统。在接下来的工作中将进一步分析经过火焰切割后，钢板型材产生的变形。主要分析面外变形、面内旋转变形、纵向残余应变3种变形特征。观察火焰切割加工后高碳中厚钢板型材的面外变形情况，结果如图3所示。

图3 火焰切割加工后高碳钢板型材的面外变形

从图3中的2组曲线的变化情况可知，在250mm的割缝位置处，高碳中厚钢板型材会产生最大的面外变形，然后沿着割缝位置两侧，距离越远，面外变形越小，距离越近，面外变形越大。从2条曲线所展现的面外变形情况可以看出，在火焰切割的加工过程中，钢板材料整体的外面变形呈现开口向上的抛物线的形状，其中测量值变化曲线位于上方、最大变形曲线位于下方，2条曲线的形状基本一致，并且在极值点的右侧出现重叠。综上所述，在火焰切割加工的过程中，钢板材料整体的面外变形发生在割缝位置，割缝仍然是对钢板材料影响最大的。其次，观察火焰切割加工后，高碳钢板型材的面内旋转变形情况，结果如图4所示。

图4 火焰切割加工后高碳钢板型材的面内旋转变形

从图4中曲线的变化情况可知，在300mm的位置处，高碳钢板型材的面内旋转变形最大，这与割缝位置是存在一定偏离的。需要指出的是，距离割缝较远的左侧位置，出现了正向面内旋转变形，这与大部分是负向变形的情况有明显区别。最后，观察火焰切割加工后，高碳钢板型材的纵向残余应变情况，结果如图5所示。

图5 火焰切割加工后高碳钢板型材的纵向残余应变

从图5中曲线的变化情况可知，火焰切割加工后的纵向残余应变不大，最大残余应变出现在割缝位置处，随着距离割缝位置不断增加，纵向残余应变逐渐变小，在220mm位置处的残余应变就基本不存在了。从纵向残余应变曲线的变化趋势来看，因割缝在250mm处，220mm处就不存在残余应变，220mm～230mm的残余应变发生较为迅速，230mm～250mm的残余应变变化明显趋缓。总体来看，火焰切割加工中的最大纵向残余应变也只有-0.004，完全处在合理的范围内。

4 结论

高碳钢板切割加工是一项非常重要的机械加工技术，为液压支架、钢结构等领域提供基本的型材需求。该文对火焰切割加工方法进行研究，分析了火焰切割的基本原理和加工过程，证实火焰切割加工会产生一氧化铁、三氧化二铁、四氧化三铁三种物质，每种物质的生成过程都会产生大量的热量，从而辅助火焰切割过程完成。在Patran有限元分析软件平台中，构建火焰切割加工的仿真环境，并对薄型钢板切割加工后的面外变形、面内旋转变形、纵向残余应力进行分析，试验结果显示，割缝位置处上述3种变形都比较明显，随着距离割缝的位置越远，3种变形逐渐减少直至消失。