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摘要：钢板在进行火焰切割加工的过程中，产生变形是比较常见问题，变形问题不仅会影响到加工质量，严重时还会给加工构件的使用造成影响，最终导致产品成品升高。该文主要以电联工程技术股份有限公司加工制作环保设备的切割零件为例，首先分析了在切割过程中零件产生变形的主要原因，然后针对实际情况提出相应的解决策略，以期通过分析研究能够提高数控火焰切割件的质量。
关键词：数控火焰切割；切割变形；工艺控制
前言：数控火焰切割机的控制系统是数控系统，主要切割部分使用的是氧气加丙烷等气体，然后对金属材料实施切割处理。工作原理是使气体达到金属材料的燃点，将其进行熔化后进行切割分离，然后在通入高压氧气，将残渣吹掉，切口产生。由于这种加工方式能够切割的钢板比较厚、成本非常低，所以，被广泛使用在各种机车车辆行业。但是，由于火焰的温度非常高，切割钢板会产生较大的变形量，因此，必须要研究出如何避免变形的出现，才能够从根本上提高质量。
一、产生变形的原因
金属材料在进行火焰切割加工时产生变形的主要原因如下：
1.金属材料在轧制或开卷时必然会产生比较大的内应力。
2.金属材料在进行切割处理时，局部受热加速，材料沿切割方向迅速膨胀，火焰周围也会急速膨胀，切口处会形成较大的应力，且难以消除，如果应力超过材料本身的趋势强度，就会产生塑性变形。
3.冷却过程中，金属材料在切割时由于温度变化会产生变形，周围母材会形成比较大的拉应力。由于这种受热和冷却的不均匀性，材料内部的应力不可能全部消，正是由于这种内部应力的产生，导致整个零件会产生不同程度的形变，零件整体尺寸会发生变化，表现也会出现不同形状的变化。
二、切割变形分析及控制
环保设备的零件非常多，从实际切割过程入手，仔细分析出发生变形的主要原因，进一步提高工艺水平，有效控制变形量是生产的目标。
1.单一规则零件的切割
以环保设备选砂机上的某一零件为例，该零件的厚度为10mm，该零件形状非常规则，可以使用几个割嘴同时进行切割，零件的宽度方向尺寸比长度大。图1中1-A模型中所说明的是三只割嘴同时工作的数控程序，箭头方向即割嘴走向，虚线则为割嘴的空程。每只割嘴切割完A的所有孔之后从a点引入后进行A处的外表面切割，然后在将B处所有孔切割完成，再从b点切割B处的外表面。
事实表明，按照这个切割程序所完成的零件，大部分都会形成一定的变形，主要的表现形式是孔中心线处较之图纸尺寸发生偏移，最大偏移量为4mm。产生这种情况主要是因为零件长宽比例比较大，长边受热后内部应力不平衡导致出现变形。图1中，a点开始切割A，钢板静止不动，零件边缘处的边1和边2内部应力基本平衡，零件此时没有变形。但是在进行边3处的B切割时，因为2与3距离非常近，所以进行3处切割的时候2同时被加热，此时的边2与边1内部应力就出现不均匀的现象，边1处的应力会迫使整个边1进行收缩，钢板框架就会整体偏移，割嘴慢慢切割零件下端时，加上之前的孔已经移动，就会形成变形。经过上述分析得出，使用图1中1-B进行切割时，A和B可以当作是一个整体，先加工内孔，然后按照1～7的顺序将零件所有边进行切割，边4是共用边。如此一来，切割B后，边2与边4内部应力相同，切割A时，边4与边6内部应力相同，钢板框架不会因为切割应力发生形变，这就保证了整个零件的尺寸准确性。
长方形板料是一种比较常见的长宽比例比较大的规则形状的零件，使用常规切割方法会出现旁弯现象，因此，可以使用如下加工方法：多割嘴一起工作，先将长边进行切割，待钢板温度下降至常温后在进行短边切割。如果两次切割中的火焰强度偏差不大，零件两个长度方向同时受热，所以，就不会发生变形情况。
2.留断点
在利用数控火焰切割机下料过程中．经常会遇到长宽比较大的长条形零件的下料切割。由于火焰切割是热切割，下料过程中要吸收大量的热量，很容易出现受热不均匀导致工件立弯变形（即通常所说的牛角形），严重时会导致工件报废。为此，采用合理的切割方法和防变形措施来减小工件在下料时的切割变形对工厂的生产非常重要。图2是一块20mm厚的长形料排料图。它的所有直线边都是共边的，这样减少了切割量，节省了大量的时间与燃气消耗。另外从图中可以看出，下长条形零件时必须留20～30mm长的断点，相当于多根长条紧紧捆在一起，它能有效控制长条形零件的塑性变形与热切割时张力产生的位移，也是在实践生产中最有效实用的方法。零件越长，所留的断点也就越多，这是因为断点的间隔越长，长条形零件的变形余量越多，还是容易产生立弯。尤其是割到图2所示的后几根长条时，由于所依附的母材越来越少，更要多留断点，使之难以产生立弯，否则会出现图3所示（注：图3为图2第12至14根中间只留两断点情况下局部放大的变形示意图）的第14根长条严重变形，使零件尺寸产生偏差，甚至报废。如果按图2所示在中间留3个断点，使断点间距缩小，则能很大程度上减小最后几根长条的立弯变形，减小切割后的尺寸偏差。留断点切割时，要根据长条形零件的长度和宽度合理确定断点的数量和位置。一般情况下，在长度一定时，宽度越宽，断点越少，反之则越多。当然，断点并非越多越好，因为断点多了，火焰穿孔耗费的时间也就更多：另外钢板冷却后，断点是需要手工割开的，会很大程度上影响割缝的表面质量。
3.多零件套料切割
如果在一张较大的板材上进行多处切割，一般会进行套料加工，因此板料变形的因素就比较明显。要想使得内部应力不大，方向和顺序要控制的好。
（1）切割方向
切割方向选择好的话可以保证最后切割一侧能够有效分离板材。如果切割过早或者钢板大部分已经分离出去，周边框架内部应力就不会消除，最终导致整个框架的变形，关键尺寸也无法保证。
（2）切割顺序
切割顺序对于切割变形的影响非常大，经过大量实践经验总结出，通常会按照“先内后外、先小后大、先圆后方”的加工方式。先内后外就是指先进行板料内部零件的切割；先小后大是指先加工尺寸小的零件，此时热量不大，不能对零件产生影响；先圆后方是指先进行圆形的加工，热量会均匀传递，内部应力保持平衡。
（3）应用SigmaNEST套料软件
SigmaNEST中包含有先进的自动套料程序、加工轨迹最佳选择以及自动化管理的自动套料软件。在避免变形中，具有非常多的方法可以选择，如，留割、搭桥、最小热量法等。留割是指尺寸较大部分的零件一般要保留15～30mm部分，与母材连接，避免出现较大变形量；搭桥是指套料完成后，零件之间单独设置一些桥，将相邻零件当作一个整体，保证连接作用，避免出现变形现象；最小热量法是软件中会自动选择产生热量最小的行走路线，而实际应用中，也可以根据套料情况选择最佳切割方向，以减小变形量。
数控火焰切割过程中，选择变形量较小的加工方式，如，留割、搭桥等，选择最佳的加工方向以及加工顺序，制定变形量最小的加工程序，防止零件出现较大变形量，提高零件加工水平，以达到提质降本的效果。
参考文献：
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[3]陈建平，马琳.传统火焰切割技术在机加工领域的推广应用[J].金属加工：热加工，2012（2）：28-29.
论文作者:陈志荣,刘金龙
论文发表刊物:《基层建设》2018年第14期
论文发表时间:2018/7/10
标签：零件论文; 应力论文; 断点论文; 火焰论文; 套料论文; 加工论文; 钢板论文; 《基层建设》2018年第14期论文;