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、比強度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、抗腐蝕性強等眾多優(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現(xiàn)了精度和效率下料，中厚板(8～100mm)的下料以手動和 半自動方式為主，存在切割效率低、勞動強度大、尺 寸一致性差、材料浪費嚴(yán)重、后續(xù)機加工量大等問 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)，基于工藝試驗的方法，分析工藝參數(shù)對切割效率和利用率的影響，為實際應(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)動機床運動，隨著機床運動，利用高速等離子的動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。本研究工藝試驗將使用 精細(xì)等離子電源。

            試驗條件：在數(shù)控等離子切割設(shè)備上，采用美國海寶HPR400XD型號精細(xì)等離子電源，帶弧壓自動調(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(shù)設(shè)置為：切割電 流400 A，切割速度830 mm／min。經(jīng)過測量，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，類似于機加工中的刀具，不可避免會產(chǎn)生圓角。很顯然，內(nèi)輪廓圓弧過渡現(xiàn)象不會影響加工余量設(shè)置，而外輪廓拖尾現(xiàn)象則會增加加工余量，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)機加工時間。

            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)機加工時間。

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