等离子体弧变厚度切割工艺参数控制研究.pdf

摘要
摘要
等离子体弧切割因具备切割速度快、切割面光滑、容易设定切割条件、适合自动化、
无人化作业等优点,正逐步在板材切割中占据主导地位。在实际生产中存在大量变厚度
工件的切割,如果在此类工件的等离子体弧切割仍然沿用切割等厚度板的方式设定工艺
参数,将造成切割质量的不稳定,增加了后续处理工作的难度。
等离子体弧切割是通过高温等离子体弧将工件弧柱部分的材料熔化并利用高速离
子流将切渣吹除的物理过程,弧柱的功率和作用力将直接影响到切口质量当工件的几
何尺寸发生改变时,弧柱的功率和作用力应该随之而改变。弧柱功率的大小和作用力又
与等离子体弧的切割电压、切割电流、压缩空气的压力和流量、电极与喷嘴的同心度、
电极与喷嘴的距离、喷嘴直径的大小以及等离子体弧切割速度有关。分析和掌握上述工
艺参数对等离子体弧切割质量的影响规律是合理调整等离子体弧切割工艺参数的前提
和基础。
本文将从两方面来讨论对等离子体弧切割工艺参数的切割质量影响规律以及调整
方法。一是根据工件厚度的变化来调整等离子体弧切割速度,即改变单位体积上工件所
吸收的功率。二是调整等离子体弧的切割电压或者切割电流,即改变等离子体弧的输入
功率。重点研究对切割速度的调整以及实现方法。
基于弧柱双区域理论,本文通过建立数学模型对等离子体弧柱特性进行了研究,讨
论了在一定条件下喷嘴出口处压力、弧半径、切割电压、弧柱功率、作用力与切割电流
之间的关系,为合理的调整等离子体弧工艺参数从而调整等离子体弧柱的功率提供理论
依据。
根据热传导的平衡方程,本文建立了等离子体弧切割热传导损失的数学模型,推导
了等离子体弧切割过程中温度场分布的数学公式。将温度场公式进行变换,就可以根据
工件材料的熔点求得将工件切透所需输入的功率。根据切割材料的相变,结合热传导平
衡方程可以用来估算等离子体弧的最佳切割速度。
现代制造系统应该能在指定的时间内满足消费者对新产品的不同要求,同时也要适
应迅速发展的计算机技术。在本文中,我们研究了一种针对基于个人计算机的开放式等
离子体弧切割控制系统的模块化实现方法。针对等离子体弧切割的特殊性,讨论了等离
子体弧切割系统的抗干扰措施
本文的最后部分对等离子体弧切割变厚度板材进行实验研究。根据前面讨论的数控
等离子体弧切割系统的技术方案组装了一套开环控制的简易切割装置。选择了几种不同
厚度试件进行了大量的切割实验,分析了切割速度对各种厚度板材的切口宽度、挂渣情
况、切割面割纹深度等切割质量的影响规律实验验证,通过改变切割速度提高变厚度
工件的切割质量是可行的。
上述研究工作为发展变厚度板材等离子体弧切割技术,扩展等离子体弧切割技术的
应用范围,为最终形成三维零件的等离子体弧加工技术提供了参考依据。
关键词等离子体弧变厚度板材工艺参数弧特性温度场数控切割速度切
口质量
一一一一一一一一
绪论
一一一一一一一
行业中运用越来越广泛,我们有必要对等离子体弧切割技术作进一步的研究,提高等离
子体弧切割的应用范围,使等离子体弧切割不仅用于下料,而作为一种作为等离子体弧
加工技术应用于生产中。
本文的研究目的就是对等离子体弧切割技术的加工工艺作进一步的研究,分析各工
艺参数对等离子体弧切割过程及切割质量的影响。讨论通过调整部分工艺参数提高变厚
度工件切割质量的可行性,为研究等离子体弧三维加工技术提供参考依据。
,等离子体弧切割技术概述
等离子体弧的产生及加工机理
等离子体是高温下电离的气体,含有大量带正电和带负电的微粒,但从总体来说显
中性。当气体加热到几千度的温度时,气体原子、分子之间急剧碰撞,从而产生电离
离散成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子由于正离子和负电子数量相等,总体上
呈中性,因而称为等离子体。电弧有两种形态,一是没有受到约束的自由电弧二是受
到约束的压缩电弧。只有电弧被压缩,成为具有更高温度的压缩电弧时,才称之为等离
子体弧,简称等离子弧。等离子加工就是利用等离子体电弧放电是产生的高温,熔化材
料进行的。
电弧受到压缩的原因,是在气流和喷嘴这两个外因条件的作用下,产生种效应
促使电弧内部热电离过程而实现的。
机械压缩效应利用喷嘴孔道直径来拘束电弧的截面,使弧柱能量密度和温度
提高


已二
曰


乙




几
图非转移弧温度分布

热压缩效应紫铜喷嘴具有良好的导电性和导热性。由于受到空气冷却易降低
温度,在喷嘴内壁和弧柱之间形成了一层很薄的冷气膜,高速流经喷嘴孔道的工作气流
也促进了冷气膜的形成。形成的冷气膜进一步迫使