国内数控切割技术的研究与应用现状

时间:2017/10/12 13:55:00 来源:本网 添加人:admin

  数控切割是相对于手工切割及半自动切割而言的。

  它是利用数字程序驱动机床运动从而带动装备的切割工具对物体进行切割。这种机电一体化的切割技术就称之为数控切割技术。

  目前,国内数控切割控制系统己基本实现了图形化、网络化和智能化;驱动系统也从最初的步进系统、模拟伺服驱动发展到今天的全数字式伺服系统。切割能源也由单一的火焰切割发展到等离子切割、激光切割、高压水射流切割等。国产大型龙门式切割机己经广泛用于大型板材的加工,悬臂式切割机则广泛地用于中小型板材的加工。除此之外,由小车式切割机发展而来的便携式切割机和专用的相贯线切割机应用也较为广泛,国外先进的机械人切割机也逐渐被国内知名企业引进、消化和吸收。本文从切割能源的角度综合介绍我国数控切割的研宄与应用现状。

  (1)数控火焰切割的特性火焰切割是利用氧乙炔火焰把钢板割缝加热到熔融的状态,然后利用高压氧气吹透钢板的一种热切割方法。对三种主要热切割方法(火焰、等离子、激光)比较而言,火焰切割所用的能量密度最低,其切割热影响区最大,精度最差,切割能力最低,但是可切割钢材的最大厚度最大。另外,其切割设备成本很低,所以在应用领域仍将占领一席之地。

  尤其是随着科技的进步,数控技术逐步应用到切割领域。1961年,世界首台数控火焰切割机由英国氧气公司研制成功。从此,数控火焰切割逐步取代手工及半自动火焰切割,在机械、造船、军工、石油化工、冶金矿业、能源以及航天航空等领域的厚板钢材切割中到了广泛的应用。

  另一方面,随着对切割过程影响因素的试验研宄,大幅度提高了切割速度,开发出各种快速割嘴和切割方法,如高压扩散型快速割嘴、高压细氧射流割嘴、双重氧帘割嘴以及多割嘴组合高速切割法等。从20世纪70年代起,基础研宄越来越少,目前该方法的实用切割速度仍处于1m/min以内,发展空间有限。

  (2)国内数控火焰切割的研宄现状我国的数控火焰切割技术起步于20世纪80年代中期,其目的在于提高加工效率。当时核心技术及关键部件均需从国外引进,然后配套使用自行研制的机架进行销售,主要应用在船舶领域。随着时间的流逝,这批当时从国外引进的设备的电器系统和控制系统逐步老化,己经到了需要更新换代的时候。近些年来,一些科研院所及高校通过引进、吸收和消化国外数控切割技术,自主研发出了一些符合中国国情的数控火焰切割机及配套装置,取得了较大的进步。

  彭子龙、尤波、丁亮等人开发了一种经济型数控火焰切割机。该机型硬件部分是利用工业控制器和运动控制卡联合完成控制系统的控制功能,驱动模式为步进电动机驱动;软件部分采用模块化思想,以WindowsXP为操作环境,采用VC++6.0面向对象开发平台开发功能强大、界面友好的控制界面,较好地消除了电极低频共振和大转矩驱动时的发热问题,能够适用一般的金属加工企业。

  待加工的金属板材可能厚度不均匀,切割过程中割炬必须与板材保持恒高才能确保切割质量,因而开发良好的自动调高系统显得尤为重要。宋凯云、刘艳妮、张鑫平等人设置了一种调高范围为12cm自动调高系统,其原理是在与割炬等高的平面内放置一耐高温的感应圈,感应圈和平板就构成了一个电容C,钢板和电容之间高度-和电容C之间存在关系C(为常数,通过测定C便可以知道-,通过自动控制C便可以自动调整-.该系统经试验效果良好,能满足实际来料的加工需求。蒋翔俊、张尤云、陈宗恒等人则利用PWM控制技术,设计了基于模糊控制方法的自动调高控制系统,结果表明:该方法稳定性较好、精度高,具有较好的应用前景。

  在船舶领域,圆柱体大直径开孔问题一直是一个难题,以往是人工放板,制作样板,人工切割,最后人工打磨。随着我国新型舰艇结构和钢材的变化,以及舰艇作战性能的提高,传统的开孔方法很难满足要求。王宗义、胡胜海、赵世军等人研制了大直径开孔数控火焰切割机。其变径范围为1.03.Om,割炬高度变化范围高达1.0m.开坡口时,厚度变化范围30制的的DKK―1型大直径开孔数控火焰切割机己经应用在舰艇制造中,填补了我国在这个技术领域的空白。

  大厚度钢板的切割是火焰切割的难点。熊小明、王立安、古江汉等人开发了数控火焰切割机的套料系统,该系统在工控机的程序控制下将自动套料系统和电容传感器自动调高系统结合起来,能有效地解决厚板的中间穿孔问题。

  一般来讲,数控火焰切割机主要用于厚度超过5mm的普通碳钢的切割,不能用于有色金属及不锈钢的切割,原因是切割过程中不锈钢容易形成一层致密的氧化膜从而阻止热量往下传递,而有色金属则由于其较快的散热能力也不适合用火焰切割。等离子、激光及高压水射流切割能源可适用于此类金属尤其是薄板的切割。

  (1)数控等离子切割的特性等离子弧切割是利用高温等离子电弧的热量使切口处金属快速熔断,并利用高速等离子的动量排除熔融金属形成切口的一种热加工方法。与火焰切割相比最大的区别是火焰切割过程中伴随着发生化学反应,而等离子切割不发生化学反应,因而等离子切割速度快、不受材料种类限制。数控等离子切割技术是集数控技术、等离子切割技术、逆变电源于一体的高新技术,该技术在改善加工精度、节约材料、提高劳动生产率等方面显示出巨大的优势,受到了国内外广泛的关注。

  数控等离子切割割炬与工件之间的高度控制至关重要,国内一般采用模拟电路进行控制,赵家政、补家武研宄了以单片机为核心的自动调高系统,提高了控制精度。近来来,数控等离子切割的配套装置也发展较快,袁建国研宄了空气等离子切割烟尘产生的特点,研宄了一种特殊的处理烟尘的水槽装置,此装置置于切割口的下方能有效地抑制雾状锥体扩散和反弹,收到了良好的效果;薛武、楠元一臣等研制了等离子切割监测系统,对等离子切割声音特性,以及切割声音、切割条件和切割质量的关系进行了研宄,试验结果显示利用等离子切割声音可以对等离子切割过程进行监测,以提高等离子切割质量和效率。由于技术上的原因,国外割枪价钱较国产割枪贵好几倍,使用寿命也长,为了延长割枪的使用寿命,哈尔滨焊接切割成套设备有限公司设计了一套割枪的保护装置,收到了良好的效果。

  (2)数控等离子切割技术的应用我国的数控等离子切割技术起步于20世纪80年代,较国外相差近30年,发展速度也较为缓慢。但近年来,国内一些高校、科研单位、制造厂商对数控等离子切割技术进行了研宄,并逐步开发生产了各种规格的数控等离子切割设备,缩短与国外先进技术的差距。

  我国的数控等离子切割机的市场需求量每年在300400台。目前国内数控等离子切割机生产厂家主要有梅塞尔切割焊接有限公司(昆山)、上海伊萨切割机械有限公司,他们得到了国外技术的大力支持,因此产品在国内处于领先地位。哈尔滨四海数控设备有限公司、哈尔滨焊接切割成套设备有限公司、哈尔滨电机有限责任公司机械电子设备制造厂、中船总公司船舶工艺研宄所、深圳博利昌数控切割设备公司以及无锡华联焊割设备厂等企业,则利用自身的优势,在技术上发展也很快,产品满足了不同用户的需求。

  国外数控等离子切割机生产厂家主要集中在德国、曰本、美国。其中德国ESAB公司的精细等离子切割机的切割精度己经达到激光切割的下限,而成本仅为激光切割的1/3.国外己有厂家在龙门式切割机上面安装一个专门的切割机械手,该系统可以在空间切割出各种轨迹。除此之外,水下等离子切割设备和精细等离子切割设备在国外应用广泛。总的来看,智能化的精密等离子切割将成为今后的发展方向。

  数控激光切割的特性激光切割是利用高功率激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点,同时用高速气流吹除熔融物质,从而实现切割工件的一种热切割方法。与其他热切割方法相比,具有切割范围广、切割速度高、切割质量好、可实现多工位切割、易于实现自动化切割、噪声和振动小以及对环境无污染的特点。但是由于激光器功率和设备体积的限制,切割材料的厚度和速度也受到限制。另夕卜,在应用中,对激光吸收率低、热膨胀率大、表面经过特别抛光的材料均不宜于采用激光切割。由于切割用的激光器体积大、光路系统精密,所以激光切割均采用数控切割装置进行。

  数控激光切割的研宄及应用我国首台C02激光切割设备问世于20世纪70年代,发展至今,己有数百台工业用激光切割设备在汽车、船舶、电子、石油工业等领域应用,并且主要用于板材的切割。与德国、曰本、美国等发达国家相比,我国的激光切割设备自动化程度和激光器的发射功率还较低;另外,发达国家开发了数千台五轴联动的数控激光切割设备,用于各种管材和型材的切割,尤其在汽车领域应用最为广泛,而我们在这个领域刚刚起步。

  我国的数控激光切割机床及配套设施的生产主要集中在沪苏长三角地区、济沈北方地区及汉深中南地区。

  主要的生产企业有上海团结普瑞玛、大族激光、沈阳普瑞玛、武汉楚天激光集团等;大功率激光器生产商主要有南京东方激光公司、长春光机所、上海雷欧及河北科学院激光所、武汉恒信及武汉光谷科威晶等制造商。这些制造商通过引进、消化和吸收国外同行先进技术,开发出具有市场竞争力的产品。

  目前,世界上最领先的激光切割设备是大功率三维五轴联动数控激光切割机,瑞士百超、日本NTC、三菱、山崎马扎克、意大利普瑞玛和德国通快等世界领先的激光加工机床制造商掌握此项技术。上海团结普瑞玛激光设备有限公司是国内规模最大的大功率激光加工机制造商,该公司于2008年成功开发出SLCFXL3090/3D三维数控激光切割机,X/Y/Z行程为9000/3000/400mm,该机型己经成功应用在汽车覆盖件和军工特殊零件等复杂型面零件的高效激光切割加工。

  数控激光切割技术在汽车制造和航天航空领域具有广泛的应用前景。目前,世界著名的汽车制造商都普遍采用三维激光切割代替传统的冲裁工艺,这样可以减少模具的费用,缩短制造周期,我国仅有少数中外合资汽车制造商引进此类设备进行冲压件的修边和车身的冲裁。除此之外,装甲车成形底盘、发射舱体、航天航空发动机转子毂等也利用三维数控激光切割进行加工。

  数控高压水射流切割数控高压水射流切割的特性水射流切割是利用压力数十至数百兆帕的高压水通过特殊设计的喷嘴高速喷出,利用高速水射流的动能的冲击作用来分割材料的一种加工方法。由于所用的压力高,也称作超高压水射流切割。高压水射流切割技术是一种新兴的柔性切割技术,起源于加拿大。这种切割方式的最大特点是非热源的高能量射流束加工,可切割几乎所有的金属和非金属材料。与火焰、等离子和激光切割相比,具有无尘、无味、无火花、无气体、无热影响区和无热变形等优点,不改变被切割材料的材质和性能,切口质量高,切口宽度小,可以在材料任意处开始和终止,可切割三维曲形工件,可实现在严禁明火作业区域的安全切割。水射流切割与激光切割相比,在薄板的切割中激光切割的切割速度更胜一筹,但当材料厚度超过16mm时,由于成本的大大提高,激光切割无法与高压水射流相比。在倡导绿色环保的21世纪,开发和推广高压水射流切割技术将具有重要的环保意义。

  数控高压水射流切割的生产应用我国的水射流切割技术起步于20世纪90年代,跟踪国外先进技术的高校及科研院所主要有南京理工大学、中山大学及合肥通用机械研宄所等单位;制造和推广应用的企业主要有南京大地水射流切割有限公司、深圳博利昌公司、浙江黄岩浙臣水射流设备厂等企业。1998年南京大地水射众为兴系统在龙门式等离子切割机中的应用深圳市众为兴数控技术有限公司(广东518052)罗正兵控制中心一数控系统做了详细的介绍。

  目前,我国金属加工行业使用的数控切割机是以火焰和普通等离子切割机为主,单纯的火焰切割,己不能适应现代生产的需要,而目前市场需求的数控切割机多为数控等离子切割机,该类切割机可满足不同材料、不同厚度的金属板材的下料以及金属零件的加工的需要,因此需求量将会越来越大。但国外昂贵的数控系统,较高的设备成本、复杂和维护和操作制约了数控等离子切割在我国的进一步普及。

  流切割有限公司将自行研制的机型在第五届中国国际机床展览会上亮相,标志着我国成为第五个能生产水射流切割机的国家。

  目前,国产的超高压水切割机压力达到400MP,切割厚度可达30(100mm以上,水射流速度高达800(1000m/S,数控平台多采用滚珠丝杆和滚动直线导轨的精密传动技术,控制精度都在+0.02mm以内。

  目前,数控超高压水射流切割技术广泛地应用到航空制造、汽车制造、玻璃深加工、混泥土、石材及陶瓷的加工等工业领域。该技术可用来切割飞机机身、机尾、机翼节、涡轮叶片、配电板、厚度高达203mm(8in)的钣金零件和要求切割面光滑平整且无分层的橡胶和塑料零部件。汽车内装饰品形状较为复杂,且这类产品主要是由PVC、PET等制造,因而不能用热切割方式进行加工,南京大地水射流切割有限公司引进曰本DCM空间水切割系统己经广泛地用于此类产品的加工。

  泛,其显著特点是包揽陶瓷石材的全部曲线切割。常见随着国内数控技术的发展进步,一些国内数控切割机生产厂家开始引进了国内控制系统技术,设计出了适合我国国情的高性价比数控切割机。这些专用的数控切割设备在技术上己经达到或超过了国外同类产品。

  从机械结构上看,数控切割机的发展经历了十字架型(轻型)、门型(小型)、龙门型(大型)3个阶段,相应的型号种类繁多。国内虽然十字架型、门型、龙门型都有所生产,但广度不够,生产厂家产品型号较为单案例有:大型陶艺壁画、大堂地面拼花、陶艺屏风、橱卫异形台面及石艺家具等。

  就目前技术水平而言,国内的数控切割技术同国外数控切割尖端技术还存在很大的差距。国外的先进数控机床因技术含量高而具有操作界面复杂、结构复杂和维修困难等特点,引进设备一旦出现问题,必须请国外专家进行现场维修,费用相当昂贵,因而企业要根据自身的产品特征和经济实力,结合数控火焰、等离子、激光及水射流的工艺特点进行切割设备选型,而不是一味地去追求高价位的数控切割机床。要有目的地进行切割设备引进。同时要紧跟国外先进技术,积极进行切割设备的技术消化和吸收,大力开展各种切割方法的基础理论研宄,加强相关领域的合作研宄,为研发新产品作理论储备并提供技术支持。全社会要全力开展自主技术研发、设备研制,打造具有自主知识产权的数控切割设备,以适应我国机械制造业的发展,并努力实现低碳经

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