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李晓冬 刘学真 周春陆 崔健  【摘要】目前，机械制造领域的异形孔加工主要以等离子切割、激光切割等方式为主，通过采用数控编程系统，完成对切割路径的编辑，仿真等工作。本文以精细等离子切割方式为主，研究了汽车制造领域异形孔的切割方案，分析了常规方案影响断面质量主因是弧束的起弧点和熄弧点重合，存在二次切割，进而导致断面质量超差。通过将起弧点和熄弧点优化为两个点，有效的解决了等离子弧束的二次切割问题，切割断面质量得到较大改观，为后续异型孔切割的工艺改进提供了参考。 关键词：等离子切割；异型孔；弧束；二次切割 1. 概述等离子切割技术自面世以来，便被广泛应用于机械制造领域。其工作原理是以高温、高速的压缩气体为热源，将被加工金属局部熔化，通过高速气流将熔化状态的金属液吹走，获得所需切割形状的加工技术。常用的切割气体以氧气、氮气、空气等为主，按照切割过程中冷却方式的不同和切割精度的差别，也可将等离子切割分为一般等离子切割和精细等离子切割。其中精细等离子切割电弧稳定性好，弧束集中程度高，电流密度一般可达普通等离子切割的数倍，从而使弧束能够更精确的沿着制定的轮廓行走。 随着汽车行业的快速发展，汽车制造领域已从最初的手工化、半自动化逐渐向智能化、集成化发展。自20世纪50年代等离子弧工艺面世以来，等离子切割方式已从手持切割演变成配备智能机器人的三维精细等离子切割。本文以三维精细等离子切割为平台，研究了其在切割异型孔形成闭合回路时存在的切割质量问题，分析了产生问题的原因、解决措施、试验结果，为后续相似问题的解决提供参考。 2. 精细等离子切割与普通等离子切割对比精细等离子切割技术采用旋转压缩气体保护等离子弧束，使其与外界环境隔离。常规的等离子切割技术，其电弧从喷嘴直接至被切割件表面，生产过程中喷溅及衍生物质会对电弧产生干扰，从而使喷嘴寿命及切割质量下降。 精细等离子切割技术采用旋转压缩气体的方式，消除了常规等离子切割的这个劣势。等离子割枪的喷嘴通过旋转气帽及周围的压缩气体而得到了有效地保护，避免了切割过程中产生的喷溅等衍生物质的影响。另外，旋转气体的流量和成分最佳化可以有效针对不同材质获得最好的切割效果，其对比如图1所示，图中A为冷却液，B为等离子气体，C为压缩气体。  图1 精细等离子切割与常规等离子切割对比示意  图2 长圆孔尺寸示意  图3 常规等离子切割路径 3. 问题分析立足于公司某规格零件的长圆孔进行切割分析，如图2所示， 材质为汽车梁用钢板，材料厚度8 m m，屈服强度≥5 0 0 M P a，抗拉强度≥550MPa。工作过程中等离子切割电流90A，电压380V，切割速度2.4m/min。切割路径如图3所示。 工作过程中，等离子弧束由图3B点引弧，引弧完毕后，弧束由A点进入长圆孔切割轨道，按照逆时针顺序完成整个轨迹的切割，切割结束后等离子弧束位于A点熄弧。 按照常规切割路径，等离子弧束由A点进入切割轨迹，经过一个切割周期，再次到达A点熄弧，熄弧信号发出后，弧束并未立即熄灭，而是存在0.1～0.2s的短暂停留。切割完毕后，A点出现切割凹坑，如图4所示。该零件属于受力部件，使用过程中，切割凹坑的存在会产生应力集中，影响使用寿命，进而影响整车的运行安全。 根据切割轨迹进行分析，切割凹坑出现主要有两个原因：①整个切割过程中，引弧点和熄弧点重合，同为图3中的A点，即A点经历了两次等离子弧束，存在二次切割现象。②等离子弧束位于A点熄弧时，存在0.1～0.2s的停留，此段时间内弧束一直没有熄灭，导致该点过度燃烧，产生切割凹坑。 4. 试验分析与改进通过对切割凹坑的形成原因进行分析，制定了如下两条改进方案。 方案一：将引弧点与熄弧点由同一点区分成两个点，弧束由B点进入切割轨迹，熄弧时由B点引出切割轨迹2mm，如图5所示。 方案二：将引弧点与熄弧点由同一点区分成两个点，弧束由B点进入切割轨迹，切割一个周期后，弧束经过B点运行至C点，由C点引出切割轨迹2mm，如图6所示。  图4 切割凹坑  图5 方案一  图6 方案二 对方案一与方案二进行了试验验证，其结果如图7、图8所示。从两种方案的整体效果来看，制件在弧束的切入点没有出现切割“凹坑”，虽然存在明显的切割痕迹，但是切割端面已经平整。 由此可见，通过将熄弧点由一点优化为两点，以及改变弧束的熄弧位置，可降低弧束在该点的燃烧时间，保证切割后的端面光滑平整。按照方案一的试验结果，弧束由B点进入切割轨迹，后由B点引出，整个过程中，虽然等离子弧束两次经过B点，但在B点并未停留，所以并未出现切割缺陷“凹坑”，但两次经过该点的痕迹仍很明显。 根据方案二，整个切割轨迹中，两次经历过弧束的位置为轨迹B-C，B-C轨迹长度，程序上设定为10mm。从试验结果看出，B-C的二次切割痕迹也较为明显，但是切割端面也较为平整，用手触摸可轻微感觉到凹凸不平，美观度相对方案一要好。  图7 方案一验证效果  图8 方案二验证效果 5. 结语精细等离子切割技术运用了旋转压缩气体技术，保证了切割过程中的能量更加集中，使得气体和能源的消耗量达到最小化。 通过工艺上对精细等离子切割路径的优化试验，形成结论如下： （1）内圆孔类制件的切割，在保证切割电流、电弧电压、切割气体流量不变的工艺条件下，通过更改等离子弧束熄弧点和引弧点，可有效提升切割断面质量，避免因二次切割产生的“切割凹坑”问题，也为其他异形孔的切割提供了参考。 （2）等离子弧束在熄弧点会有约0.1s的停留时间，该段时间内，弧束是处于燃烧状态的，将弧束的熄弧位置转移到切割轨迹之外，对提高断面质量具有重要意义。 |
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