數控等離子切割下料改進方法

劉幫平 劉冬

1.概述

等離子切割的影響因素很多，包括切割參數、工作氣體類型與純度、操作人員技術能力及對設備的了解程度等多方面。本文從切割程序設置、排料等方面出發，談幾種可提高等離子切割產品表面質量及生產效率的方法。

2.預留工藝小凸臺

數控等離子切割鋼板時，為了保證切割零件的完整性，切割的起點和終點通常不在零件的輪廓線上。對于外輪廓的零件，切割在零件輪廓外部起割和終止；對于內輪廓零件，切割在零件輪廓內部起止。我們分別把起割點和終止點到零件輪廓上這段多出來的切割線，叫做引入線和引出線。

一般在設計引入引出線時，兩者的交匯點仍然在零件輪廓上。以圓弧引入引出線為例，引入線為半圓弧引入，而引出線為四分之一圓弧，雖然切割起點和終點避開了零件輪廓，但從切割實際情況看，引入引出線交匯處還是會產生凹坑等缺陷（見圖1），影響零件外觀質量，對于后續有焊接工序的零件，則需補焊再打磨平整。為此，通過修改程序在零件外部加入工藝小凸臺，將引入引出線交匯處“搬移”至零件輪廓外（見圖2）。為了減少后續打磨工作量，設計工藝小凸臺時要考慮板厚及切割縫寬度等因素，保證小凸臺突出量在5mm以內，這樣有效地解決了交匯點處凹陷疤痕等質量問題。通過觀察統計，對于無加工余量的等離子切割零件，采用預留工藝小凸臺的方法，結合正常的焊前打磨工序可輕易去除，工作量不大，質量提高效果明顯。

圖1 凹坑缺陷

對于精度要求較高且無加工余量的等離子切割零件，工藝小凸臺的應用解決了切割引入引出線處的凹坑等缺陷；但對于精度要求不高且留有機械加工余量的零件，則沒有必要預留工藝小凸臺。

3.引出線的處理

對于等離子切割，程序員會習慣性地同時設置引入引出線，然而在切割零件內輪廓或小零件外輪廓時，筆者發現經常出現割槍自動斷弧停機的現象。經過觀察分析，得出以下原因：板料在切割過程中存在變形，且事業部切割平臺底部支撐板間隙為90mm，而設置的引入引出線使切割形成了全輪廓完整切割過程，于是切割行進至引出線附近時，板料傾斜或掉落至切割平臺底下（見圖3），導致弧高突然產生巨大變化，割槍自動斷弧停機。為此，采用將引出線去除（圖4為無引出線的程序），甚至預留0.5～1.5mm不切割的方法。這樣，即使零件傾斜，由于切割程序已結束，電弧已斷并按程序自動空轉至另一切割線處，所以設備不會自動停機。這一方法目前已應用至多種車型機車零部件的等離子切割生產中，避免了切割過程中的不正常斷弧停機現象，極大地提高了切割效率。

圖2 工藝小凸臺

4.共邊連續切割

數控等離子切割程序通常是一次點火切割一個零件，這樣加工零件的精度相對較高，但切割路徑長，設備易損件壽命短，成本較高。在追求效益的今天，共邊連續切割是一個很好的選擇。共邊切割是兩零件之間不留隔墻，使用一條公共邊，減少切割路徑和切割時間，提高材料利用率；連續切割就是將鋼板穿透一個孔后，不抬割嘴就可以割幾個甚至幾十個零件，減少了穿孔次數，對易損件壽命提高有好處。

圖3 板料傾斜或掉落

圖4 某法蘭零件程序

圖5 原程序排版

圖6 原程序切割順序

圖7 新程序排版

如某8軸車砂箱左/右掃石器鋁板，單臺車16件。原切割封閉程序是一次只切割一個零件，由于此零件的原材料鋁板規格為寬1 000mm，故切割排版及路徑如圖5、圖6所示；而采用“8字形”共邊連續切割法，排版如圖7所示，圖8顯示了“8字形”法時切割路徑方向（為了示圖清晰，B處圓弧進行了夸張處理）。使用Fastcam軟件中fastPlot模塊的“成本”功能，可得到附表對比數據。從表中可以明顯看出，采用共邊連續切割效果十分明顯，僅僅按120臺車計算：切割路線減少為158.4m，穿孔數量減少為1 760個，空程路線減少為422.4m。隨著切割路線長度和穿孔次數的減少，易損件壽命及生產降成都會得到增加。

圖8 A處放大及切割方向

雖然采用“8字形”共邊連續等離子切割法切割效益明顯提高，但也不可盲目追求共邊連續，因為等離子切割會產生變形，過度共邊切割效果會因切割方向、打孔點位置受到局限而產生更大的切割變形。一次連續切割時間也不能太長，需結合切割易損件的情況合理設置切割時間或路徑總長，否則連續切割時間過長，最后切割的零件質量會有一定影響。且對于無加工余量的零件，一定要控制好割縫寬度，防止補償不到位。

5.合適的切割起點

一般而言，等離子切割時，穿孔切割次數越多，對易損件的損耗越厲害；且對于同樣的材料，等離子切割厚度比穿孔厚度要大，甚至有些零件切割前要采用機械方法預先穿孔再切割。如美國海寶某型號為HySpeed Ht2000的等離子切割機，切割碳鋼最大厚度可達約50mm，打孔厚度就只能達約38mm。所以通常情況下，使用數控切割機時盡量減少使用“穿孔切割”的方式，而是將起割點位置設置在鋼板邊緣，將噴嘴直接對準工件的邊緣后再啟動等離子弧，且切入零件的位置處于零件最大外輪廓尺寸上。同時，由于目前國內大部分等離子切割機割縫沿切割前進方向右側質量較好，所以切割起點確定后，切割方向就也隨之基本固定了。好的切割方向選擇應該保持最后一條割邊與母板大部分脫離，如果過早地與母板大部分脫離，則周邊的邊角框可能不足以承受切割過程中出現的熱變形應力，造成切割件在切割過程中移位，出現尺寸超差。

如以圖9與圖10所示的某儲能車接口零件的切割起點為例，相較于方案1的切割起點，方案2的起點在零件最大外輪廓上，最后一條割邊較長；并且由于切割機操作界面上不能顯示細節尺寸，所以采用方案1的起割點校板時需考慮尺寸A，而操作者為了保險起見，往往會多放余量，而方案2則校板更簡單明了。

普通切割法與共邊連續切割法效果對比

圖9 方案1

圖10 方案2

為了提高零件割面質量，在采用邊緣作為切割起點時，增設適量長度的引線，以提高割縫質量。

6.結語

（1）去引出線避免了等離子切割過程中自動停機問題，既提高了切割效率，又降低了操作強度。

（2）預留小凸臺解決了切口凹陷問題，對于機加無余量的零件有一定好處。

（3）采用共邊連續切割既可減少切割路線長度，也可以極大減少穿孔次數。

（4）針對不同形狀零件選擇合適的起點，從而減少穿孔次數，有利于提高易損件的壽命，且在一定程序上可提高切割厚板能力。

影響等離子切割質量和效率的因素是多方面的，且相互作用。同樣，各種改善優化方法也要綜合利用，才能取得更好的效果。以上改進方法都在生產中得已應用實踐，并取得了很好的效益，有些方法同樣適用于火焰切割，希望這些方法能對切割下料從業者有一定參考價值。