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數(shù)控切割編程工藝分析與技巧論文
數(shù)控切割編程工藝分析與技巧論文【1】
【摘 要】數(shù)控切割技術(shù)具有切割精度較高、外觀質(zhì)量好、速度快、整體下料布局合理、材料利用率高等特點。
但如果沒有很好的掌握計算機編程方法，就會使這些優(yōu)勢遜色不少，本文重點分析數(shù)控切割編程過程中的一些常見問題，歸納總結(jié)出對應(yīng)的解決辦法和技巧。
【關(guān)鍵詞】數(shù)控切割;編程技巧
在金屬結(jié)構(gòu)件制造中，許多構(gòu)(零)件形狀比較復(fù)雜或不規(guī)則，數(shù)控切割機床的出現(xiàn)使得這些零件的加工成為可能，切割程序是數(shù)控切割機的指揮中樞，編程人員在電腦上進行繪圖、套料、編程，生成數(shù)控切割指令，然后輸入切割機，機器接受“命令”去實現(xiàn)人的“意圖”。
因此編程技術(shù)的優(yōu)劣直接影響切割的質(zhì)量和效率，好的程序可以做到：同樣板材尺寸切的零件更多;相同切割任務(wù)切得更快;同樣切割設(shè)備切得更好;同樣切割方法切得更省。
概括來說就是四個字“多、快、好、省”。
目前工廠里使用的套料軟件多分為三大模塊：(1)Fast CAM：CAD優(yōu)化處理;(2)Fast NEST 設(shè)置切割路徑、套料生成程序;(3)Fast PLOT模擬切割、校驗。
本文將對編程過程經(jīng)常遇到的一些工藝性問題進行分析，并針對問題找出相應(yīng)的解決辦法，探索幾點對于數(shù)控切割質(zhì)量、效率有所提高的技巧。
1 合理選擇引入點(打火點)
引入點是數(shù)控切割機在鋼板上穿孔切割的起始點，由于切割過程中首先規(guī)定了切割的方向(順、逆時針)，在切割過程中會出現(xiàn)因引入點設(shè)置不當，工作臺面無法完全承托零件造成移位、跑偏、落空等現(xiàn)象，直接影響切割質(zhì)量和零件合格率。
因此在選擇引入點時，應(yīng)遵循工件未切割邊在切割過程中盡可能的與大板相連，減少因零件自身重量和熱變形產(chǎn)生的位移而導致的切割不精確。
如圖 1：切割的引入點應(yīng)選在 1 處且逆時針切割，切割的大部分時間工件與大的母板相連，可做到切割過程變形最少，如果選在其他位置，以3為例，逆時針切割，當割完了 3-4-2-1時已完全割斷了工件與大板的聯(lián)系，在切割 1-3 時工件很容易因熱應(yīng)力發(fā)生位移導致切割不精確。
2. 共邊與連續(xù)切割
共邊切割與連續(xù)切割不僅可以提高鋼材的利用率、節(jié)省鋼材，而且可以減少穿孔次數(shù)，節(jié)省預(yù)熱穿孔時間，提高切割效率。
連續(xù)切割功能可以替代橋接功能，使相鄰的幾個零件做到連續(xù)切割，避免了預(yù)熱穿孔，從而有效節(jié)省割嘴、預(yù)熱氧，提高切割效率，節(jié)省耗材。
如圖2所示，采用了共邊切割模式切割兩個零件1和2，一條割縫切出了零件1的上邊和零件2的下邊，切割1、2的左邊同時切出了零件7和8的右邊，這種切割模式既節(jié)省了材料又提高了工作效率。
整個過程只打一次引入孔，實現(xiàn)了一次打孔多零件切割，減少了預(yù)熱、打孔和切割時間。
3. 切割順序的選擇
切割順序是指對鋼板上若干大小嵌套的套排零件依次進行切割的順序，根據(jù)零件的形狀，分析其切割時的變形特點，確定合理的切割順序可使零件受熱均勻，零件內(nèi)部受力相互牽制，這就減少了變形。
切割順序一般應(yīng)遵守以下原則：先內(nèi)后外，先小后大，先圓后方，交叉跳躍，先繁后簡等。
假如后割內(nèi)輪廓、小零件，會造成定位不可靠，產(chǎn)生移位，導致零件精度降低。
4. 切割方向的影響
正確的切割方向應(yīng)該保證最后一條割邊才與母板大板部分脫離，如果過早的與母板大板脫離，則零件周邊的余料角框剛性無法抵抗切割過程中出現(xiàn)的熱變形，造成切割件在切割過程中產(chǎn)生位移而變形，這也會導致切割精度降低。
5. 平滑過渡切割
在切割直角零件時，尖銳過渡的方式容易產(chǎn)生過燒的現(xiàn)象，實質(zhì)是切割進行到拐角尖時有一個速度下跌甚至停頓而引起。
這種情形致使切割零件尺寸超差，機床壽命也受影響。
避免的方法是編程時將角部更改為一個微小圓弧，使其變?yōu)槠交^渡形式，可較好的提高切割質(zhì)量，且對保護機床也有很大好處。
6. 熱變形與跑偏控制
在火焰切割過程中，由于板材的熱脹冷縮、零件受熱不均勻和零件形狀特異、打火點設(shè)置不當?shù)仍�，極易造成零件熱變形和跑偏現(xiàn)象，從而影響切割精度和零件合格率。
6.1 對于板材的熱漲尺寸偏移，按照切割槍嘴線能量和長度尺寸補償?shù)牟呗�，可在槍嘴較為集中影響的尺寸增加0.5～1mm補償量，具體數(shù)值掌握需結(jié)合對應(yīng)設(shè)備并經(jīng)長期實踐獲得。
6.2 對于零件受熱不均勻的情形，如在小范圍單個小零件周邊或大零件集中切割處，除采取尺寸補償?shù)霓k法外還可采用分散切割的方式。
就是讓切割不要過于集中，不要一次性全部切割完畢，可在切割一部分形狀后轉(zhuǎn)移到另外位置切割，而后再返回到原處切割，既保證該處溫度不至于過高而導致零件熱變形，也可讓板材受熱趨于均勻不易發(fā)生跑偏現(xiàn)象，但其缺點是切割時空程增加。
7. 排版、布局合理
當多種類、多數(shù)量零件需在同一張板料上切割時，編程就需考慮合理排版、布局的問題，需統(tǒng)籌考慮板材尺寸和各個零件的外形尺寸，可采用多種零件混編和單個零件集中切割相結(jié)合的策略，應(yīng)遵守以下原則：先排大零件后插小零件，按照板材大小先將大零件依次排列好，然后在大零件連接的余料處逐個插入小零件，這種模式可有效提高材料的利用率。
綜上所述，編程的優(yōu)劣對數(shù)控切割起著關(guān)鍵性的作用，實踐中只有將豐富的切割經(jīng)驗和優(yōu)化工藝融入程序中，針對不同零件采用對應(yīng)的編程方法，在編程過程中還需對實際零件的材質(zhì)、形狀和用途等特征加以分析，制定最佳方案，才能控制零件變形，提高切割的精度和效率，使數(shù)控切割機的功能得到充分的發(fā)揮，真正做到“多、快、好、省”。
參考文獻
[1] 張全萬 數(shù)控切割機影響切割質(zhì)量的因素和措施 2010.12
[2] 劉眾光 數(shù)控火焰切割技術(shù)在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用 2009.08
[3] 李海峰、程國棟、姜愛波 等離子切割機床自動編程系統(tǒng)開發(fā)2010.01
數(shù)控火焰切割件切割變形的工藝控制【2】
【摘 要】鋼板在進行火焰切割時，容易產(chǎn)生切割變形，影響切割質(zhì)量，造成原材料的浪費或者機加工成本的增加。
本文分析了我公司出口澳大利亞PN機車生產(chǎn)過程中幾種不同形狀特征的切割零件產(chǎn)生切割變形的原因，并提出相應(yīng)的防變形措施，對提高火焰切割件的切割精度有較強的應(yīng)用價值。
【關(guān)鍵詞】數(shù)控火焰切割;切割變形;工藝控制
0 引言
數(shù)控火焰切割機是一種使用數(shù)控系統(tǒng)控制切割系統(tǒng)，利用氧氣加丙烷等燃燒氣體對金屬材料進行切割的設(shè)備。
切割過程利用氣體火焰將金屬材料加熱到燃點，在金屬材料燃燒熔化的同時，利用高速氧氣流將熔渣吹除，從而形成切口[1]。
由于可切割厚度大、切割成本低，數(shù)控火焰切割機廣泛應(yīng)用于機車車輛等行業(yè)。
但是，火焰切割的熱影響區(qū)較大，所以切割變形大的問題經(jīng)常存在且難以避免，探索出有效控制變形的方法，是提高火焰切割質(zhì)量的重要手段。
1 產(chǎn)生切割變形的理論分析
金屬板材在火焰切割時產(chǎn)生切割變形，主要有以下三方面的原因：(1)金屬板材在軋制或開卷過程中難免存在分布不均勻的殘余內(nèi)應(yīng)力;(2)金屬板材在切割過程中，受局部高溫熱源的影響，沿切割方向急劇膨脹，而周圍母材金屬又會限制這種膨脹，從而在切口邊緣產(chǎn)生不可抵消的應(yīng)力，當應(yīng)力超過金屬的屈服強度時，就產(chǎn)生壓縮塑性變形;(3)在冷卻過程中，金屬板材沿切割方向產(chǎn)生一定的收縮變形，同時受周圍母材金屬的限制，材料內(nèi)部會產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。
由于這種不均勻的加熱和冷卻，材料內(nèi)部的應(yīng)力不可能平衡和完全消除，所以在材料內(nèi)部應(yīng)力的作用下，被切割的零件會發(fā)生不同程度熱變形，表現(xiàn)為零件形狀扭曲和尺寸偏差。
影響切割變形的因素主要有切割速度、割嘴的型號及其高度、切割程序等。
根據(jù)板材厚度選擇合適的切割速度和割嘴型號，控制好割嘴與板材之間的距離，能有效控制熱輸入量，減少切割變形。
切割程序的合理與否，直接影響著切割質(zhì)量。
2 切割變形分析及控制
從出口澳大利亞PN機車制造過程中幾種零件的切割變形實際出發(fā)，分析這幾種不同形狀特征的零件產(chǎn)生切割變形的原因，優(yōu)化切割工藝，達到有效控制切割變形的目的。
2.1 單一規(guī)則零件的切割
以PN機車構(gòu)架上某零件的切割為例，該零件板厚為10mm，其特點是外形比較規(guī)則，可采用多只割嘴同時切割，同時零件的長寬比比較大。
圖1中1-A模型所示為三只割嘴同時切割該零件的常規(guī)程序，箭頭方向為割嘴的運行方向，虛線為切割空程。
每只割嘴切割完A的所有孔之后從a點引入切割A(yù)的外形，然后切割B的所有孔，再從b點引入切割B的外形。
實踐證明，按該程序切割出的零件，大部分會有不同程度的變形，表現(xiàn)在零件上是實際的孔中心線的一端偏離理論位置，最大偏離量達4mm(圖2)。
分析變形的原因，主要是因為零件長寬比比較大，長邊的熱應(yīng)力不均衡引起變形。
圖1中，從a點起沿邊1切割A(yù)時，鋼板處于靜止狀態(tài)，鋼板框架上邊1和邊2上的熱應(yīng)力基本是平衡的，零件基本不產(chǎn)生變形。
但沿邊3切割B時，由于邊2離邊3很近，所以切割邊3的過程也是加熱邊2的過程，這時邊2和邊1的所受的熱應(yīng)力就不平衡了，所有邊1上的應(yīng)力之和使所有的邊1同時收縮，從而使鋼板框架向右偏移，導致割嘴割至下端時，之前割好的孔已隨框架發(fā)生位移，從而出現(xiàn)圖3所示的偏差。
基于以上分析，改用圖1中1-B所示切割模型，該模型將A和B看作整體，先切割所有內(nèi)孔，然后依次按照1-7的順序依次切割各邊，其中邊4為共用邊。
這樣在切割完B時，邊2與邊4上應(yīng)力相平衡，切割A(yù)時，邊4與邊6上的應(yīng)力也基本平衡，鋼板框架不會偏移，從而能保證所有孔的位置的準確度。
圖1 單一規(guī)則零件切割模型
圖2 零件變形示意圖
細長直條是一種特殊的長寬比比較大的規(guī)則零件，用常規(guī)方法切割時常常出現(xiàn)旁彎現(xiàn)象，為此可采取以下切割技巧：多割嘴同時切割，先切割稍大于零件長度的直線條，待鋼板冷卻后，再沿寬度方向切割所需要的長度。
在各割嘴火焰強度基本一致的情況下，零件長度方向的兩邊是同時受熱的，因此不會出現(xiàn)旁彎。
2.2 單一異形零件的切割
以PN機車車架上某零件的切割為例，該零件厚度為6mm，其特點是外形不規(guī)則且尺寸較大。
切割這類零件時，為提高板材利用率，常采用套料的方式。
圖3中3-A為常規(guī)的切割程序模型，每只割嘴先從a點引入切割A(yù)，再從b點引入切割B。
實踐結(jié)果表明，有近50%的零件會產(chǎn)生旁彎變形，而且由于該零件板料較薄，所以最大變形量可達5-7mm。
分析其變形原因：切割A(yù)時，后切割的邊2輪廓長度大于先切割的邊1的長度，所以邊2上的收縮應(yīng)力超過了邊1上應(yīng)力的作用，同時因為邊2輪廓是凹邊，所以鋼板的凸邊對邊2的收縮有一定的阻礙作用，在合應(yīng)力的作用下，零件變形較小且鋼板框架基本沒有位移;切割B時，先切割的邊3產(chǎn)生的應(yīng)力比很大，后切割的邊4上的應(yīng)力，以及鋼板凸邊對邊3的阻礙作用，只能抵消很小一部分邊3上的應(yīng)力，所以零件變形比較大。
基于以上分析，改用圖3中3-B所示切割模型，A的切割程序不變，切割B時，從b點引入，逆時針切割，這樣就保證了作用在B上的合應(yīng)力最小，從而最大限度地控制變形。
無論是規(guī)則零件還是異形零件，如果零件較長且尺寸較大時，采用間斷切割法，是一種有效控制切割變形的方法。
間斷切割法是在零件的周邊上設(shè)置一些暫時不切割的點，用以連接切割零件與鋼板，防止零件變形，等鋼板冷卻后再斷開這些點。
切割變形不僅與切割零件的形狀有關(guān)外，還與鋼板的厚度、切割零件在鋼板上的位置、以及切割零件和鋼板的相對大(下轉(zhuǎn)第24頁)(上接第62頁)小有關(guān)。
一般來講，鋼板越薄，切割變形越大;切割零件離鋼板中心越近，變形越小;切割零件相對鋼板越大，變形越大。
圖3 單一異形零件切割模型
2.3 多零件套料切割
當一張板上切割多種零件時，需要對整張板進行套料切割，影響切割變形的因素也變得很復(fù)雜。
要能平衡變形應(yīng)力，切割方向和切割順序就顯得尤為重要。
2.3.1 切割方向
合理的切割方向應(yīng)該是要保證最后切割的一邊與鋼板的大部分分離。
如果切割零件過早和鋼板的大部分分離，那么周邊的框架因為太輕而不能夠抵消切割時產(chǎn)生的熱應(yīng)力，造成切割零件的變形或者板材框架的位移，從而出現(xiàn)尺寸超差。
2.3.2 切割順序
合理的切割順序也是控制切割變形的有效措施，經(jīng)過大量探索實踐，一般應(yīng)該遵守“先內(nèi)后外、先小后大、先圓后方”的原則[2]。
先內(nèi)后外，即先切割零件的內(nèi)輪廓或者內(nèi)輪廓中嵌套的零件;先小后大，即先切割小尺寸零件，產(chǎn)生的熱量相對較小，對零件影響也小;先圓后方，即先切割圓形孔或者圓形零件，使產(chǎn)生的熱量輻射向外傳遞，鋼板內(nèi)部的應(yīng)力相對比較平衡。
2.3.3 應(yīng)用SigmaNEST套料軟件
SigmaNEST軟件是一款融合了先進自動套料技術(shù)、加工軌跡優(yōu)化技術(shù)和自動化管理技術(shù)的自動套料軟件。
在控制切割熱變形方面，該軟件有留割、搭橋、工藝筋、最小熱量法等幾種方法。
留割是在大尺寸零件的邊上留幾段15-30mm的橋不切割，使之與母板相連，以牽制零件收縮變形;搭橋是在套料完成后，在零件之間增加一定寬度的橋，將相鄰零件看作一個整體切割，達到相互牽制、降低變形的目的;工藝筋是在零件內(nèi)部的大開孔上預(yù)留一定寬度的工藝拉筋，用于減小零件內(nèi)孔的收縮;最小熱量法是SigmaNEST軟件中，按照最小熱變形量設(shè)定的切割路徑，實際編程中，也可以根據(jù)套料情況更改切割路徑，降低變形量。
3 結(jié)語
數(shù)控火焰切割時，采用共邊、留割、搭橋、留工藝筋等技巧，從切割方向、切割順序等方面著手，編寫合理的切割程序，能有效減少切割零件的熱變形，提高切割質(zhì)量，從而降低生產(chǎn)成本。
【參考文獻】
[1]任秀聯(lián)，等.鋼板數(shù)控切割熱變形分析[J].煤礦機械，1999，5.
[2]吳新哲，等.提高數(shù)控火焰切割質(zhì)量的途徑[J].機械管理開發(fā)，2011，2.
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