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煤矿机械中等离子切割技术的应用

2019/06/26 阅读:

摘要:我国金属加工行业使用的数控切割机,主要是以数控火焰和数控等离子切割机为主。伴随现代生产的需求,纯火焰切割已不能适应,多用数控等离子切割机。等离子切割机可满足不同材料、不同厚度的金属板材的下料及金属零件的加工需求,本文介绍了等离子切割不同材质零件的工艺参数,研究了在一定的范围内,应用大功率等离子切割代替火焰切割,既节约成本,又提高生产效率。

关键词:等离子切割;切割工艺;切割成本

引言

在现代工业制造领域,板材下料是基础工艺之一。切割方法较多,在煤矿机械设备中,其零件以中厚板居多。火焰与等离子都可切割普通碳钢,等离子切割的优势在于切割热变形小、切割表面平整光滑、热影响区极小,且切割薄板的速度是火焰切割5倍左右;此外在配合不同的切割气体的情况下,等离子切割还可用于铜、铝、镍、钛以及不锈钢等有色金属的切割。等离子切割是一种熔化切割,在切割时,母材被等离子束熔化,并被气流吹走从而形成切槽。其中被压缩的等离子弧来自等离子电源,为了冷却钨电极,电源一般采用直流正接或方波交流,电弧的温度高达15000℃-30000℃,能量消耗相对较大,能够快速熔化金属等,进而可以切割高合金钢、铜及其铜合金、铝及其铝合金等。等离子切割具有切割速度快、质量好等优点,不但可以切割碳素钢、低合金钢、高合金钢等黑色金属,还可切割不锈钢、铝、铜、钛等有色金属,切割材质种类较火焰切割广。本文进行大功率等离子切割工艺技术的研究,应用于煤矿机械设备的下料中,可大幅提高切割质量,改善劳动条件。

1大功率等离子切割范围

等离子弧是由自由弧压缩而来,自由弧的柱截面积正比于功率,而在气压、电压和磁场的作用下,柱状的自由弧压缩成等离子弧。等离子电源功率不同,切割厚度也不同。我公司拥有两台美国飞马特400A精细切割电源的大功率德国梅塞尔切割机,可切割的板材厚度范围,一般来说介于0.5mm至80mm之间。

2影响等离子切割质量的重要因素

2.1气体

等离子装置使用的气体必须达到纯度的要求。要求氧气、氮气的纯度≥99.995%,空气清洁,干燥,无油。否则会引起切割质量下降,等离子切割的消耗件使用寿命会急剧缩短,甚至致使等离子切割机运转不正常,所以,气体的纯度要求必须达到。配合不同的气体,可切割不同的材质,例如:使用氩气+氢气可切割高合金钢、有色金属;使用氧气可切割结构钢;使用压缩空气可切割结构钢、铬镍钢;使用氮气可切割高合金钢、铝、钛、铜等。

2.2割速

无论是等离子切割还是火焰切割,切割速度都是影响切割质量的重要因素,所切割零件的材质和厚度不相同,相对应的切割速度也不同。割速过快,会形成相对较大的后拖量,这是由于气流不能快速吹走熔渣造成的,进而会使切割面挂渣严重,直接影响切割质量;割速过低,会使切口变宽、切口挂渣集中不易清理,致使切割质量下降。所以,合理的割速范围需要掌握材质特性、设备与切割特性,通过切割试验来获取是最准确的。

2.3切割电流

等离子切割能力是由切割电流决定的。切割电流越大,电弧能量越集中,割速便随之增大,切割能力得以提高;但切割电流不可过大,否则会致使割嘴因热负荷过大而损伤或直接损坏,这样就造成切割质量的下降。所以,深入理解和掌握等离子切割工艺参数是很有必要的,根据所切割材质的厚度大小来选择最佳切割速度和切割电流的大小。

2.4割嘴高度

等离子切割一般采用恒流外特征电源,或者采用陡降外特征的电源,割嘴端面与切割表面的高度越大,弧长就越长,致使电弧功率升高,所以导致弧柱损失的能量增加,造成能量的损失就会影响气流的吹力,进而影响切割质量。

3等离子切割效果与工艺参数

本文进行了不同材质不同厚度切割调试,切割板材种类及实验图如图1所示。在不同材质不同厚度切割调试中,多次调试了割速、切割高度等等离子切割重要参数,调试后较稳定参数如表1所示。

4等离子切割软化区测试

本文对火焰切割和等离子切割软化区进行了测试和对比。图2所示切割后宏观金相图,从金相图中可以看出,30mm板材时,等离子切割热影响区极小,在1-2mm内,而板厚在80mm时,等离子切割软化区增大,在切割下表面达到10mm,切割宏观金相图如图2所示,软化区测试见表2和表3。从测试中可以看出,等离子切割适合中薄板的切割。

5切割成本

从费用支出项目来看,在使用数控等离子切割时,其费用主要有一般费用,维护费用,服务费用,气体费用,消耗品以及割炬成本,电力成本以及其他需要考虑的成本,如材料吊装设备,环境控制设备,安全装置等等。这里我们为了便于比较,对于和火焰切割类似的费用支出我们将不再并入支出项目之列。总结来看,等离子切割主要费用支出为电力成本,气体成本,消耗品成本以及人工成本。表4是火焰切割与等离子切割成本对比表。计算依据如下:5.1计算δ30mm黑色金属板材火焰切割成本割速:330mm/min氧气流量:6m3/h燃气流量:0.62m3/h切割一米用时:1(m)/0.33(m/min)=3.03(min)切割一米消耗氧气量:6m3/60min×3.03min=0.303m3,费用:0.303m3*2.73元/m3=0.827元切割一米消耗燃气量:0.62m3/60min×3.03min=0.031m3;费用:0.031m3*19.2元/m3=0.6元所以,δ30mm黑色金属板材,火焰切割每米成本0.827+0.6=1.427元5.2计算δ30mm黑色金属板材,等离子切割成本空压机耗电:11度×8h×0.53元/度=46.6元/班;等离子电源耗电:20度×8h×0.53元/度=84.8元/班;耗材:①电极、喷嘴、保护帽每班一换,140元/班;②保护罩、等离子涡流环、保护气涡流环每周一换,81元/班;③护杯、托架、冷却液6月一换,24元/班。每班切割:8h×60min×0.65m/min×70%=218.4m所以,δ30mm黑色金属板材,等离子切割每米成本377/218.4=1.72元

6结束语

本文通过研究大功率等离子切割技术表明,在煤矿机械设备生产过程中,使用大功率等离子切割20mm以内的黑色金属,可实现切割质量优、成本低,促进降本增效。

参考文献:

[1]机械工程手册.北京:机械工业出版社,1996.

[2]金属材料化学成分与力学性能手册.北京:机械工业出版社,2013.

[3]张光先,李爱文,陈培红.大功率串联谐振式逆变焊机的设计与研究[J].电力电子技术,1996(04).

作者:邢刚 张彩霞 单位:中煤张家口煤矿机械有限责任公司

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