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学院（系）：机械工程学院 |
年级专业： |
学生姓名： 地面数字电视接收机 |
指导教师： |
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一、课题国内外现状
简介：等离子切割技术是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化（和蒸发），并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法。其切割精度高于
火焰切割，切割成本低于激光切割，能适用与各种导电材料，所以在现代工业中得到广泛应用。[1]
1.1常用等离子切割方法
1.1.1 等离子空气切割法
等离子空气切割法以干燥的压缩空气作为加工气体,主要用于切割碳钢,也可用于切割不锈钢和铝。由于空气主要由氮气和氧气组成,切割碳钢时,切口中的氧与铁的放热反应提供了附加的热量,同时生成表面张力低、流动性好的FeO熔渣,改善了切口中熔融金属的流动性,因此不但切割速度较快,而且切割面较光洁,切口下缘基本不粘渣,切割面斜角较小。切割不锈钢和铝时,氧与不锈钢中的铬和铝起反应,其切割面较粗糙,一般对切割表面质量要求较高时不采用这种加工方法。
1.1.2 等离子氧气切割法
等离子氧气切割法以氧气作为工作气体,主要用于切割碳钢、铝。氧的离解热高、携热性好,粒子复合时的放热量大,投入切割的热量多,因此可获得较高的切割速度。在加工碳钢时,因
切割过程中的铁-氧反应提供了大量的附加热量,促进了切割速度的进一步提高。
1.1.3 等离子氮气切割法
等离子氮气切割法以氮气作为工作气体,主要用于切割不锈钢。氮的导热和携热性能较好,弧柱也较长,因此具有较好的切割能力。但切割的表面质量不是很好,且切割面有氮化物。相对氧气而言,氮气的价格较低,因此这种切割方法一般只用于对切割表面质量要求不高且不直接用于焊接的不锈钢下料。
1.1.4 等离子氩-氢气切割法
等离子氩-氢气切割法以Ar和H2的混合气体作为工作气体,主要用于切割不锈钢和铝。Ar易电离,可形成稳定的等离子弧,加之原子量大,等离子流的动量也大。而H2的导热性好,电离粒子复合时放热量高。两者相结合能形成稳定、能量密度高、弧柱长的等离子弧,切割能力强,切口宽度和切割面斜角较小,切口光洁,切割中产生的氮氧化物较少,是等离子切割中切割质量较好的一种方法。但这种切割方法使用混合气体作为工作气体,须增加一混合装置,才能使Ar和H2很好地混合在一起。
1.1.5 等离子氮气水涡流切割法
等离子氮气水涡流切割法以氮气作为工作气体,主要用于切割不锈钢和铝。工作气体通过涡流环形成涡旋气流,使等离子流也以涡旋方式射向工件,从而可获得一个斜角极小的切割边。在工作气体的周围,是经过处理的高压水流,使电弧能量密度大大提高,形成了温度极高、挺度好及流速大的等离子弧。另外,部分水离解成H2和O2,对切割过程也有一定的促进作用。[3]
国外数控切割机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。其主要厂家有德国的伊萨(ESAB)、梅塞尔(MESSER)，日本的田中(TANAKA)、小池(KOIKE)，美国的L-TEC、林德(LINDA)等[11]。目前国外数控等离子切割机的特点如下：
(1)自动化切割即等离子切割的全部过程(如初始定位、引弧、穿孔、切割、调高、升降水等)均在数控指挥下完成，并可通过编程来修改其参数。
(2)多功能即通过加挂不同附件增加数控机床的柔性，为下道工序提供定位、焊接、储存基础。例如打标记功能可提供安装和定位基准。等离子切割可进行X、V、Y和K形等坡口加工，且不仅可完成直线坡口还可完成曲线、圆弧形坡口，为焊接提供方便。
(3)水下切割可有效地减小钢板热变形，充分抑制尘粉、弧光、噪声和飞溅。
1.2.2 国内数控等离子技术的发展现状
经过几十年的发展，相贯线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；数控相贯线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；
目前，我国机械工业钢管使用量已达到3亿吨以上，钢管的切割量非常大；随着现代机械工业的发展，对管材切割加工的工作效率和产品质量的要求也同时提高。因而相贯线切
1.2.3 国内在数控等离子切割技术方面与国外的差距
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[12]，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。
国产切割机的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。与数控等离子切割机配套的等离子电源与国外差距更大，目前基本上都采用进口等离子电源。
二、研究主要成果
数控相贯线切割机主要品种包括以下几种：数控火焰相贯线切割机，数控等离子相贯线切割机。
上面两种形式指的是相贯线数控切割机的切割方式，下面再来介绍一下两种相贯线切割机的特点及其应用情况：
1.数控火焰相贯线切割机 ，机型代表有武汉拓晟TS系列。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。
2.数控等离子相贯线切割机，，等离子切割具有切割领域宽，可切割所有金属管材，切割速度快，效率高，切割速度可达10m/min以上。采用精细等离子切割已使切割质量接近激光切割水平，目前随着大功率等离子切割技术的成熟，切割厚度已超过100mm，拓宽了数控等离子相贯线切割机切割范围。
石墨钢三、发展趋势：
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。
1、数控相贯线切割机的发展。从现在几种通用数控切割机应用情况来看，数控火焰相贯线切割机功能及性能已比较完善，其材料切割的局限性（只能切割碳钢管），切割速度慢，生产效率低，其适用范围逐渐在缩小，市场不可能有大的增加。
等离子相贯线切割机具有切割范围广（可切割所有金属材料），切割速度快，工作效率高等特点，未来的发展方向在于等离子电源技术的提高、数控系统与等离子切割配合问题，如电源功率的提升可切割更厚的板材；精细等离子技术的完善和提高可提高切割的速度、切面质量和切割精度；数控系统的完善和提高以适应等离子切割，可有效提高工作效率和切割质量。
2、专用数控相贯线切割机的发展。数控相贯线切割机适用于各种管材上切割圆柱正交、斜交、偏心交等相惯线孔、方孔、椭圆孔，并能在管子端部切割与之相交的相惯线。[13]这种类型的设备广泛应用于金属结构件生产，电力设备、锅炉业、石油、化工等工业部门。
目前，我国机械工业钢管使用量已达到太阳能风扇帽3亿吨以上，钢管的切割量非常大；随着现代机械工业的发展，对管材切割加工的工作效率和产品质量的要求也同时提高。因而相贯线切割机的市场潜力还是很大、市场前景比较乐观。
钢管相贯线的切割普遍使用数控系统控制，切割效率高，精度、质量好。所使用的数控系统有两轴、三轴、五轴联动，其中五轴以上联动即可适用于管与管相交的各种形式，并且能根据焊接需要在切孔(切断)的同时制作均匀的焊接坡口，可使焊工在焊接现场的作业效
率得到迅速的提高。比较先进的数控系统，工作时只需输入管径、壁厚、相交角度、坡口形式等数据，系统软件可自动进行转化，以得到理想的切割形状。
四、存在问题
在工程建设中，遇有管相贯连接问题，传统方法多是用相贯线展开的图解法在钢板上放样，后来用计算替代图解，但在放样、切割下料、卷曲成形和焊接过程中仍有大量工作要人工完成。这种方法的缺点是：切割时形成的凸凹不整的割痕和加热冷却后存在的应力在卷曲过程中容易引起裂纹，而裂纹的存在对于输气、输油特别是承载都是潜在的安全隐患；人工放样的精度本来就不高，且割炬的移动不可能严格遵循放样的轨迹，而是沿放样线以一定幅度左右摆动，形成一个包容放样轨迹宽度为σ的误差带。当σ超过一定值时，必然要影响焊缝质量；[14]在卷曲成形过程中容易出现错位对接，这使得在平面上放样切割的相贯线在卷曲后产生错位变形，对于大直径钢管尤其是这样；人工展开放样切割下料效率低，工人劳动强度大。数字控制钢管切割能够适应多种不同轴线夹角的圆管相贯线的切割，切割质量高。因为对成形钢管进行切割，不存在先切割后卷曲引起裂纹那样的缺陷；割炬在数控系统控制下均匀进给，轨迹误差大大减小，这为改善两管接缝的焊接质量和提高效率提供了条件。
五、主要参考文献
[1] 夏水华, 王晓青, 雷才洪等. 大直径钢管相贯线数控切割机的设计[J]. 机电工程usb转音频, 2002年, 第19卷(第1期):1-4.
[2] 李伟洪. 钢管相贯线数控火焰切割机数控系统设计[J]. 河南化工, 2010年7月, 第27卷(第7期(下)):1-3.
[3] 孙美娜, 郑永春, 江振荣. 数控大直径管相贯线火焰切割机的研制[J]. 机械设计与制造, 2007年10月(第10期):1-3.
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[6] 肖会军, 黄健. 一种复杂圆柱相贯线的数控切割原理微型核电池[J]. 机床与液压, 2003年(第4期).
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[8] 赵洪兵, 吴贵阳, 殷继安. 两管状圆柱体斜交相贯线自动切割机研制[J]. 西安工业学院学报, 1997 过氧化氢浓度测定年12 月, 第17 卷(第4 期).
[9] 武亚鹏, 侯建伟. 浅谈数控等离子切割机[J]. 焊接与切割, 2011年(第6期).
[10] 孙军, 刘庆英, 刘文清. 浅谈小管径钢管的相贯线切割[J]. 建筑钢结构, 2008年(第7期).
[11] Akula, S., Karunakaran, K.P., 2006. Hybrid adaptive layer manufacturing: an intelligent art of direct metal rapid tooling process. Robot. Comput. Integr. Manuf. 22, 113–123.
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