数控切割钢材的工艺过程及所遇到的问题.docx
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数控切割钢材的工艺过程及所遇到的问题
新疆工业高等专科学校
毕业设计（论文）
课题名称：
数控切割钢板的工艺过程及所遇到的切割问题
系别：
机械工程系
专业班级：
计算机辅助设计与制造
学号：
091895
学生姓名：
余刚
指导教师：
陆义工
2012年3月28日
新疆工业高等专科学校机械工程系毕业设计（论文）任务书
学生姓名
余刚
专业班级
机械制造及自动化
设计（论文）题目
数控切割钢材的工艺过程及所遇到的问题
接受任务日期
年 月 日
完成任务日期
年 月 日
指导教师
唐克生
指导教师单位
设计（论文）内容目标
设计（论文）要求
论文指导记录
参考资料
注：
此表发给学生后由指导教师填写，学生按此表要求开展毕业设计（论文）工作。
新疆工业高等专科学校机械工程系毕业设计（论文）成绩表
学生姓名
余刚
专业班级
机械制造及自动化
设计（论文）题目
数控切割钢材的工艺过程及所遇到的问题
指导教师（签名）
唐克生
指导教师单位
指
导
教
师
评
语
评阅成绩：
评阅教师签字：
年 月 日
答
辩
记
录
成绩：
提问教师签字：
年 月 日
答
辩
小
组
意
见
答辩成绩：
答辩小组组长签字：
年 月 日
摘要
随着国家二十一世纪狠抓冶金科技进步，提高我国钢铁工业的技术水平和装配水平，到2020年前后我国有望成为世界的钢铁强国。
“十五”期间建筑钢结构的发展目标，是争取达到每年建筑钢结构用钢材占全国钢材总产量的3％。
由此可见，我国建筑钢结构的发展将上一个新台阶。
随着现代机械加工业地发展，对切割的质量、精度要求的不断提高，对提高生产效率、降低生产成本、具有高智能化的自动切割功能的要求也在提升。
数控切割机的发展必须要适应现代机械加工业发展的要求。
各种数控火焰机和其他切割机，为钢结构高效制作和生产高质量产品创造了良好条件。
钢材的切割量非常大；随着现代机械工业的发展，对板材切割加工的工作效率和产品质量的要求也同时提高。
在一次下料中影响切割的诸多因素中,能否做好下料件的编程工艺,将直接影响切割尺寸精度,影响组件使用.在此,结合实际工作经验,总结了数控火焰切割机的下料工艺方法，及其切割问题。
关键词:
机械加工；下料；数控火焰机；高效制作；编程切割；尺寸精度工艺方法；
目录
摘要iii
第一章数控切割种类和发展1
1.1数控火焰切割技术简介1
1.2数控切割机的特点2
1.3国内外数控火焰切割技术的发展2
第二章数控火焰切割的工艺3
2.1火焰切割的工艺要点3
2.1.1气割前的准备工作3
2.1.2火焰调整4
2.1.3操作技术5
2.2气割工艺参数6
2.2.1预热火焰的选择6
2.2.2切割氧压力的选定7
2.2.3切割速度7
2.2.4割嘴到工件表面的距离8
第三章提高火焰切割的精度质量10
3.1影响钢板火焰切割质量10
3.1.1气体10
3.1.2切割速度10
3.1.3割嘴与被切工件表面的高度10
3.2提高数控火焰切割机的切割质量11
3.2.1各种厚度板切割质量的控制11
3.2.2带孔零件切割质量的控制11
3.2.3细长件切割质量的控制11
3.3影响数控火焰切割机的精度12
3.4出现切割尺寸不准现象12
第四章切割所遇到的问题及解决方案13
4.1数控火焰切割缺陷与原因分析13
4.1.1上边缘切割质量缺陷14
4.2切割断面凹凸不平，即平面度差14
4.3切割断面的粗糙度缺陷16
4.4挂渣在切割断面上或下边缘产生难以清除的挂渣16
4.5裂纹17
4.6火焰切割问题产生的原因及解决措施列表17
结束语20
致谢21
参考文献22
第一章数控切割种类和发展
经过几十年的发展，数控切割机在切割能源和数控控制系统两方面取得了长足的发展，切割能源已由单一的火焰能源切割发展为目前的多种能源（火焰、等离子、激光、高压水射流）切割方式；数控切割机控制系统已由当初的简单功能、复杂编程和输入方式、自动化程度不高发展到具有功能完善、智能化、图形化、网络化的控制方式；驱动系统也从的步进驱动、模拟伺服驱动到今天的全数字式伺服驱动；数控火焰切割机，切割具有大厚度碳钢切割能力，切割费用较低，但存在切割变形大，切割精度不高，而且切割速度较低，切割预热时间、穿孔时间长，较难适应全自动化操作的需要。
它的应用场合主要限于碳钢、大厚度板材切割，在中、薄碳钢板材切割上逐渐会被等离子切割代替。
数控火焰切割机是一种将电脑控制、精密机械传动、氧、燃气切割三者技术相结合的高效率、高精度、高可靠的热切割设备。
它适用于造船工业，重型机械，化工设备，锅炉制造，机车车辆等制造行业的高精度钢板热.切割的新型自动化设备。
气体火焰切割是热切割中最早被采用和最重用的工艺方法，这种切割方法设备简单、操作方便灵活、投资费用少、切割质量好等特点。
尤其是能够切割各种含曲线形状的零件和大厚度工件等一系列特点使得它进入工业领域以来一直作为工业生产中碳钢的基本方法而被广泛采用。
1.1数控火焰切割技术简介
火焰切割是利用气体火焰的热能讲工件切割出金属预热到一定温度后喷出高速切割氧气流使预热处的金属燃烧并放出热量实现切割的方法。
最常见的气体火焰切割是氧-乙炔火焰切割。
数控火焰切割机是应用计算机数字程序控制的全自动化切割设备，人们借助计算机辅助设计程序，吧所要切割零件的形状、尺寸。
切割顺序及切割过程中的各项辅助功能按一定的语言程序规则进行编程，然后输入控制机，经运算发出功能指令，再有伺服行走系统和切割执行机构协调动作，从而完成零件的切割。
1.2数控切割机的特点
功能齐全，自动化程度高，具有割炬自动升降、自动点火、自动穿孔、自动切割、割缝自动补偿、动态图形跟踪显示等功能，实现了切割全过程的自动控制。
（1）可配置多个割炬工作，省去了制作样板和划线的工时，生产效率高，采用套料程序，提高钢板利用率。
（2）能合理选定切割工艺参数和切割路径，可减小热变形，加工精度高，切割质量好，能够减少后续打磨和装焊工时。
（3）切割信息易于准备，修改和报春。
（4）机器运行稳定可靠，操作方便。
1.3国内外数控火焰切割技术的发展
国外发达国家切割行业90%为数控切割机下料，仅10%为手工下料，而我国用数控切割机下料仅占下料总量的10%以下，其中数控等离子切割比例更小。
绝大多数仍采用手工或半自动切割，笨重落后，劳动强度大，生产效率低，而且材料浪费严重，因此十分有必要发展并普及数控等离子切割机以改变这一落后现状。
关于国产数控切割机与国外产品的差距，就数控火焰切割机而言，已无大的差距，性能也比较稳定，只是国产切割机为保证质量，一些主要部件如电磁气阀、减压阀、交流伺服系统等均采用进口件，目前国产件的质量仍然不稳定。
数控等离子切割机总的性能也与进口设备相差无几，只是与数控等离子切割机配套的等离子电源与国外差距更大，目前很多用户都愿意用进口等离子电源就足以说明问题，因此发展数控等离子切割其相关技术也十分重要。
20世纪80年代初期以前数控切割机国内市场全部由国外切割机占领，80年代中后期国产数控切割机才逐步生产出并投放市场，90年代初随着国产数控切割机的发展，市场的迅速扩展，迫使国外企业到国内来发展，切割机的价格也大幅度下降。
90年代后期由于国产数控火焰切割机质量已趋稳定，价格也较前几年大幅度下降，因此已逐步取代了进口机。
随着我国工业向现代化迈进，国内市场对数控切割机的需求逐年增大，加之国外发达国家由于已有大量数控火焰切割机正在使用，故数控等离子切割机的普及受到一定制约，而我国数控切割机技术起步和应用较晚，形成供需缺口，导致我国数控切割机特别是数控等离子切割机的潜在市场巨大。
据统计，近几年我国每年数控等离子切割机的市场需求约为500台，而且有逐年增长的趋势，我国周边地区的经济发展又为我们展现了良好的国际市场前景。
目前数控等离子切割机的发展趋势应向全自动、多功能、大功率及高质量等方向发展。
21世纪我国的数控切割行业面临各种新的挑战，国际市场竞争更加激烈。
我们应瞄准世界先进水平，不断开发研制新产品，带动国内同行业技术水平的普遍提高，只有这样才能淘汰低档、劣质产品，净化市场，带动行业厂家转变经营理念；同时在加强科研开发、技术创新与质量管理上下功夫，使我国数控切割行业迅速达到世界先进水平，从而振兴民族工业，提高我国的综合国力。
第二章数控火焰切割的工艺
2.1火焰切割的工艺要点
2.1.1气割前的准备工作
被切割金属的表面，应仔细地清除铁锈、尘垢或油污。
被切割件应垫平，以便于散放热量和排除熔渣。
决不能放在水泥地上切割，因为水泥地面遇高温后会崩裂。
切割前的具体要求如下。
①检查工作场地是否符合安全要求，割炬、氧气瓶、乙炔瓶（或乙炔发生器及回火防止器）、橡胶管、压力表等是否正常，将气割设备按操作规程连接好。
②切割前，首先将工件垫平（用行车吊置切割平台，应注意安全），工件下面留出一定的间隙，以利于氧化铁渣的吹除。
切割时，为了防止操作者被飞溅的氧化铁渣烧伤，必要时可加挡板遮挡。
③将氧气调节到所需的压力。
对于射吸式割炬，应检查割炬是否有射吸能力。
检查的方法是：
首先拔下乙炔进气软管并弯折起来，再打开乙炔阀门和预热氧阀门。
这时，将手指放在割炬的乙炔过气管接头上，如果手指感到有抽力并能吸附在乙炔进气管接头上，说明割炬有射吸能力，可以使用；反之，说明割炬不正常，不能使用，应检查修理。
④检查风线，方法是点燃火焰并将预热火焰调整适当。
然后打开切割氧气阀门，观察切割氧流（即风线）的形状，风线应为笔直、清晰的圆柱体并有适当的长度。
这样才能使工件切口表面光滑干净，宽窄一致。
如果风线不规则，应关闭所有的阀门，用通针或其他工具修整割嘴的内表面，使之光滑。
2.1.2火焰调整
预热火焰的功率应根据板材厚度不同加以调整，火焰性质应采用中性焰。
在使用乙炔的场合，氧与乙炔的体积比（O2/C2H2）为1.1~1.15时，形成的火焰为中性焰，由焰芯、内焰和外焰组成。
焰芯为C2H2与O2的混合气。
内焰为C2H2与O2发生一次燃烧的反应区，其反应式为
C2H2+O2→2CO+H2
在内焰中距离焰芯2~3mm处，温度最高，约3100°C。
外焰是一次燃烧生成的CO和H2、空气中氧化合成而燃烧的区域，其反应式为
2CO+H2+1.5O2→2CO2+H2O
火焰温度约2500°C。
外焰越长，保护切割氧流的效果越好。
O2/C2H2比值小于1.1时形成碳化焰，也有焰芯、内焰和外焰，内焰中存在未燃烧的碳，火焰长而软，温度也较低。
O2/C2H2比值小于1.15时形成氧化焰，只有焰芯和外焰两部分。
火焰短而挺直并伴随有“嘶、嘶……”声，最高温度可达约3300°C。
因火焰中存在过剩氧，具有氧化性。
气割时一般应调整火焰到中性焰，同时火焰的强度要适中。
一般不采用碳化焰，因为碳化焰会使切割边缘增碳。
调整好火焰后，应当放出切割氧，检查火焰性质是否有变化。
切割火焰过强时会出现以下问题：
①切口上边缘熔塌，并粘有颗粒状熔滴；
②切割面不平整，粗糙度变差；
③切口下缘粘渣。
切割火焰过弱时会发生以下问题：
①切割速度减慢，且易发生切割中断现象；
②易发生回火；
③后拖量增大。
应根据工件厚度、割嘴种类和质量要求确定预热和切割火焰，其要点如下：
①预热和切割火焰的功率（乙炔流量、氧气流量）要随着钢板厚度增大而加大；
②切割较厚钢板时，火焰宜用轻度碳化焰，以免切口上缘熔塌，同时也可使外焰长一些；
③使用扩散形割嘴和氧帘割嘴切割厚度20mm以下钢板时，火焰功率应大一些，以加速切口前缘加热到燃点，从而获得较高的切割速度；
④切割碳含量较高或合金元素含量较高的钢材时，因它们的燃点较高，预热火焰的功率要大一些；
⑤用单割嘴切割坡口时，因熔渣被吹向切口外侧，为补充热量，要加大火焰。
⑥使用石油气或天然气作为燃气，因其火焰温度低，预热时间较长；在切割小尺寸零件等需频繁预热起割的场合，为提高切割效率，可把火焰调节成氧化焰，开始切割后再恢复到中性焰。
2.1.3操作技术
自己主动切割时，吊钢板至气割平台上，应调整钢板单边两端头与导轨的间隔差在5mm规模内。
在举行半自己主动切割时，应将导轨放在被切割钢板的平面上，然后将切割机轻放在导轨上。
使有割炬的一侧面向操纵者，根据钢板的厚度选用割嘴，调整切割直度和切割速度。
切割很厚的金属时，割嘴与被切割金属表面大约成10°~20°倾角，以便能更好地加热割件边缘，使切割过程容易开始。
切割厚度50mm以下的金属，割嘴开始应与被切割金属表面成垂直位置。
如果是从零件内廓开始切割，必须预先在被切割件上面作孔（孔的直径等于切割宽度）。
开始切割时，先用预热火焰加热金属边缘，直至加热到使其能在氧中可以燃烧的温度，即在割件表面层出现将要熔化的状态时，在控制面板上再放出切割氧进行切割。
切割时割嘴与被切割金属表面的距离应根据火焰焰心长度来决定，最好使焰心尖端距割件1.5~3mm，绝不可使火焰焰心触及割件表面。
为了保证割缝质量，在全部气割过程中，割嘴到割件表面的距离应保持一致。
沿直线切割钢板时，割枪应向运动反方向倾斜20°~30°，这时切割最为有效。
但在沿曲线外轮廓切割时，割嘴必须严格垂直于切割金属的表面。
切割过程中，有时因割嘴过热和氧化铁渣的飞溅，使切割割嘴堵住或乙炔供应不及时，割嘴产生鸣爆并发生回火现象。
这时应迅速关闭预热氧气阀门，阻止氧气倒流入乙炔管内，使回火熄灭。
如果此时割炬内还在发出嘶嘶的响声，说明割炬内回火尚未熄灭，这时应迅速再将乙炔阀门关闭，使回火的火焰气体排出。
处理完毕后，应先检查割炬的射吸能力，然后才可以重新点燃割炬。
气割过程中，如果切割较薄的钢板，在关闭切割氧的同时，调节火焰高度.火焰应迅速离开钢板表面，以防止因板薄受热快，引起变形和使割缝重新粘合。
当继续切割时，割嘴一定要对准割缝的接割处，并适当预热，然后慢慢打开切割氧气阀门，继续进行切割。
切割临近终点时，割嘴应向切割前进的反方向倾斜一些，以利于钢板的下部提前割透，使收尾的割缝较整齐。
当到达终点时，应迅速关闭切割氧气的阀门并将割炬抬起，然后关闭乙炔阀门，最后关闭预热氧气阀门。
如果停止工作时间较长，应将氧气阀门关闭。
结束切割工作时，将减压器卸下并将乙炔供气阀门关闭。
气割完毕后，应对钢材切割面举行检查，其切割面应无裂纹、夹渣和大于1mm的缺棱，检查方式为外观检查。
2.2气割工艺参数
气割的工艺参数包括预热火焰功率、氧气压力、切割速度、割嘴到工件的距离以及切割倾角等。
2.2.1预热火焰的选择
预热火焰是影响气割质量的重要工艺参数。
气割时一般选用中性焰或轻微的氧化焰。
同时火焰的强度要适中。
应根据工件厚度、割嘴种类和质量要求选用预热火焰。
① 预热火焰的功率要随着板厚的增大而加大，割件越厚，预热火焰功率越大。
氧-乙
炔预热火焰的功率与板厚的关系见表1。
表1氧-乙炔预热火焰的功率与板厚的关系
板厚/mm
3—25
25—50
50—100
100—200
200—300
火焰功率/L.min-1
4—8.3
9.2—12.5
12.5—16.7
16.7—20
20—21.7
②在切割较厚钢板时，应采用轻度碳化焰，以免切口上缘熔塌，同时也可使外焰长一些。
③使用扩散行割嘴和氧帘割嘴切割厚度200mm以下钢板时，火焰功率选大一些，以加速切口的前缘加热到燃点，从而获得较高的切割速度。
④切割碳含量较高或合金元素教多的钢材时，因为他们燃点较高，预热火焰的功率要大一些。
⑤用单割嘴切割坡口时，因熔渣被吹向切口外侧，为补充能量，要加大火焰功率。
气体火焰切割的预热时间应根据割件厚度而定，表2列出火焰切割选定预热时间的经验数据。
表2气体火焰切割选定预热时间的经验数据
金属厚度/mm
预热时间/s
金属厚度/mm
预热时间/s
20
6—7
150
25—28
50
9—10
200
30—35
100
15—17
—
—
2.2.2切割氧压力的选定
切割氧压力取决于割嘴类型和嘴号，可根据工件厚度选择氧气压力。
切割氧气压力过大，易使切口变宽、粗糙；压力过小，使切割过程缓慢，易造成沾渣。
切割氧气压力的推荐值见表3。
表3切割氧气压力的推荐值
工件厚度/mm
3—12
12—30
30—50
50-100
100-150
150-200
200-300
切割氧压力/MP
0.4-0.5
0.5-0.6
0.5-0.7
0.6-0.8
0.8-1.2
1.0-1.4
1.0-1.4
在实际切割工作中，最佳切割氧压力可用试放“风线”的办法来确定。
对所采用的割嘴，当风线最清晰、且长度最长时，这时的切割压力即为合适值，可获得最佳的切割效果。
2.2.3切割速度
切割速度与工件厚度、割嘴形式有关，一般随工件厚度增大而减慢。
切割速度必须与切口内金属的氧化速度想适应。
切割速度太慢会使切口上缘熔化，太快则后拖量过大，甚至割不透，造成切割中断。
在切割操作时，切割速度可根据熔渣火花在切口中落下的方向来掌握，当火花呈垂直或稍偏向前方排出时，即为正常速度。
在直线切割时，可采用火花稍偏向后方排出的较快的速度。
氧化速度快，排渣能力强，则可以提高切割速度。
切割速度过慢会降低生产率，且会造成切口局部熔化，影响割口表面质量。
机器切割速度比手工切割速度平均可提高20%，表4列出机械化切割时切割速度的推荐数据。
2.2.4割嘴到工件表面的距离
割嘴到工件表面的距离是根据工件厚度及预热火焰长度来确定。
割嘴高度过低会使切口上线发生熔塌，飞溅时易堵塞割嘴，甚至引起回火。
割嘴高度过大，热损失增加，且预热火焰对切口前缘的加热作用减弱，预热不充分，切割氧流动能下降，使排渣困难，影响切割质量。
同时进入切口的氧纯度也降低，导致后拖量和切口宽度增大，在切割薄板场合还会使切割速度降低。
表4机械切割时切割速度的推荐数据
切割形式
钢板厚度/mm
5
10
20
30
50
80
100
150
200
250
300
半制品直线切割
—
710~
730
580~
630
520~
560
440~
480
380~
420
360~
390
—
—
—
—
具有机加工余量零件的切割
300
350
330
470
400
350
330
290
260
250
240
表面切割质量要求低的切割
710~
760
570~
620
470~
500
410~
450
350~
380
310~
330
290~
310
260~
280
230~
250
220~
240
210~
230
精确的直线切割
590~
640
480~
520
390~
420
350~
380
300-
320
260~
280
240~
260
210~
230
200~
210
180~
200
170~
190
精确的成形切割
400~
500
320~
400
260~
330
230~
290
200~
250
170~
220
160~
200
150~
180
140~
160
130~
150
120~
140
预热火焰焰心一般应离开工件表面2-4mm。
割嘴到工件的距离可按5选取。
表5割嘴到工件表面的距离
环缝式
多喷嘴式
板厚/mm
割嘴到工件的距离/mm
板厚/mm
割嘴到工件的距离/mm
3-10
2-3
3-10
3-6
10-25
3-4
10-25
5-10
25-50
3-5
25-50
7-12
50-100
4-6
50-100
10-15
100-200
5-8
100-200
10-18
200-300
7-10
200-300
15-20
大于300
8-12
大于300
20-30
（5）切割倾角
割嘴与割件间的切割倾角直接影响气割速度和后拖量。
切割倾角的大小主要根据工件厚度而定，工件厚度在30mm以下时，后倾角为20°~30°；工件厚度大于30mm时，起割是为5°~10°的前倾角，割透后割嘴垂直于工件，结束时为5°~10°的后倾角。
手工曲线切割时，割嘴垂直于工件。
割嘴的切割倾角与切割厚度的关系如图所示：
.
第三章提高火焰切割的精度质量
切割精度是指被切割完的工作几何尺寸与其图纸尺寸对比的误差关系，切割质量是指工件切割断面的表面粗糙度、切口上边缘的熔化塌边程度、切口下边缘是否有挂渣和割缝宽度的均匀性等。
3.1影响钢板火焰切割质量
3.1.1气体
（1）氧气氧气是可燃气体燃烧时所必须的，以便为达到钢材的点燃温度提供所需的能量；另外，氧气是钢材被预热达到燃点后进行燃烧所必须的。
（2）可燃性气体火焰切割中，常用的可燃性气体有乙炔、煤气、天然气、丙烷等，国外有些厂家还使用MAPP，即：
甲烷+乙烷+丙烷。
一般来说，燃烧速度快、燃烧值高的气体适用于薄板切割；燃烧值低、燃烧速度缓慢的可燃性气体更适用于厚板切割，尤其是厚度在200mm以上的钢板，如采用煤气或天然气进行切割，将会得到理想的切割质量，只是切割速度会稍微降低一些。
3.1.2切割速度
钢板的切割速度是与钢材在氧气中的燃烧速度相对应的。
在实际生产中，应根据所用割嘴的性能参数、气体种类及纯度、钢板材质及厚度来调整切割速度。
切割速度直接影响到切割过程的稳定性和切割断面质量。
如果想人为地调高切割速度来提高生产效率和用减慢切割速度来最佳地改善切割断面质量，那是办不到的，只能使切割断面质量变差。
过快的切割速度会使切割断面出现凹陷和挂渣等质量缺陷，严重的有可能造成切割中断；过慢的切割速度会使切口上边缘熔化塌边、下边缘产生圆角、切割断面下半部分出现水冲状的深沟凹坑等等。
3.1.3割嘴与被切工件表面的高度
在钢板火焰切割过程中，割嘴到被切工作表面的高度是决定切口质量和切割速度的主要因素之一。
不同厚度的钢板，使用不同参数的割嘴，应调整相应的高度。
为保证获得高质量的切口，割嘴到被割工件表面的高度，在整个切割过程中必须保持基本一致。
3.2提高数控火焰切割机的切割质量
针对不同板厚、带孔零件、细长件的切割质量的控制提供了具体的解决方法。
3.2.1各种厚度板切割质量的控制
不同板厚宜采用不同的切割速度、切割气体压力和不同的割嘴型号，板厚6~20mm的薄板由于受热力变形，在开始切割零件时可不从钢板边缘切入，而采用穿孔办法使钢板边缘成封闭状态，且钢板边缘的割缝与钢板边缘有一定距离，这样可以限制因变形而引起的零件尺寸偏差；对于20—100mm的厚板，由于切割时不易发生变形且穿孔操作翻渣厉害易堵塞割嘴，可以采用从钢板的边缘进行切入，厚板进行在进行数控自动气割时往往存在切割面垂直度不够的质量问题，因此，在进行厚板切割前应试切出横向和纵向的两个切口，用直角
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