[科普中国]-等离子切割枪

简介

等离子是由电子、正离子和中性原子所组成的电离气体。等离子切割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，并借助高速等离子的动量排出熔融金属以形成割缝的加工方法。它因其切割速度快，切割精度高，切割条件容易设定，易于实现自动化、无人化作业和成本相对较低等优点而得到广泛应用。随着信息技术和控制技术与等离子切割的结合，近年新开发的等离子切割机在设计理论、设计参数、产品质量和使用性能上又有了长足的发展。

目前，在不锈钢板材下料方面，很多厂家都是用传统的冲压方式进行。冲压方式设备结构简单，操作方便，无热影响区，但同时也存在很多缺点，主要表现在:材料利用率低，产品质量不稳定，劳动强度大，生产环境恶劣。尤其是在手动冲压中，原料进给主要是依靠操作者的观察判断进行，必须有一定的余量供操作者识别，而产品的质量则与操作者的熟练程度、工作态度和责任心等主观因素密切相关。同时，冲压方式大都要经过剪切和冲压两个环节，故工作效率低。而冲压的噪声很大，生产环境恶劣，对操作者的身心也存在不利影响。此外，大量模具的使用给生产管理带来很大困难，而它们的设计、制造和维护也需要耗费大量的人力、物力和财力，加大了企业的生产成本。

等离子切割可以精简板材下料过程，把原先的剪裁和冲压两道工序合并为切割一道工序。同时，等离子切割便于实现自动化，提高工作效率; 便于实现精确进给，提高材料的利用率，也有利于维持产品质量的稳定性。更为重要的是，等离子切割的应用可以实现无模具切割，避免了大量模具在生产中的使用，给企业管理带来很大的便利。因此，将等离子切割引入不锈钢板材的下料过程，对相关企业具有极大的经济价值和现实意义1。

等离子切割机的功能分析等离子切割机的功能需求现阶段，数控等离子切割是等离子切割一个主要发展方向。数控机床具有高度的制造柔性，加工精度高，质量稳定，生产率高，便于改善劳动条件，有利于生产管理现代化。将等离子切割技术与数控技术有机结合，可以发挥等离子切割更大的优越性。为实现自动切割，等离子切割机必须能连续送料，自动进给; 割炬要能够沿横向和纵向单独或联合运动，以形成需要的加工曲线。机器的各功能部分要能够密切配合、协调，如进给、切割和成品送出等步调需一致，以实现精确连续切割。同时，切割的各种工艺参数要求能够灵活调整，如速度、压力、气压、电流和割炬高度等，以优化工艺参数，满足不同板材的切割要求。

等离子切割的工艺流程等离子切割的引入，使切割过程大为简化。通过对切割过程的深入分析，可以得出等离子切割大致的工艺流程2。

等离子切割机的整体结构及切割过程为实现上述切割过程，必须要有相应的机械本体与之适应。设计机械结构应遵循经济适用、稳定可靠的原则，即在满足功能要求的前提下使结构尽可能简单。设计的板材等离子切割机构包括5 大部分。

等离子的切割过程大致如下: 首先将不锈钢板卷材按顺序安装好，然后调整好各机构，启动电动机，实现整形、送料，到要求长度时控制系统发出信号，切割头开始工作，同时收料机构开始动作，依靠传送带把切割好的盘料送出，转换到履带传动，到成品收集框后履带张开，成品依靠自重落入成品收集框。整形机构和牵引装置辊轮间的间隙可调，以调整整形压力和牵引力的大小，适应不同厚度的板材切割。

等离子切割机的切割部分是该切割机的重要工作部分，是切割的直接执行机构，它的设计好坏直接影响着产品的质量。它不仅要求有合适的参数设置，如起弧电压、切割电流、切割速度、切割喷嘴距工件的距离等，也要求运动准确，进给误差小3。

等离子切割机构的设计切割机构的作用分析等离子切割机构是该机的主要工作部分，是保证切割质量，提高工作效率的关键之所在。常见的等离子切割机构的结构形式主要有悬臂式、龙门式和台式。它们各有其特点，适用于不同的加工场合。

各种等离子切割机构的优缺点比较(1) 悬臂式机构: 设备移动、安装方便，结构紧凑，需要空间位置小，制造成本低。但受悬臂式结构的限制，受力条件较差，容易产生横向变形，横向切割宽度受到限制，高速切割时刚性较差。

(2) 龙门式切割机构: 龙门式支承方式双向支撑，受力较均匀，设备刚性较好，可以实现较大的横向跨度，通常可达3 ～ 10 m。但设备安装要求高，结构相对较大，需占用较多的厂房面积。其驱动方式有单边驱动和双边驱动之分。单边驱动和双边驱动各有其特点和使用场合。单边驱动避免了双边驱动的高精度同步控制和复杂的结构，但由于质心偏置而驱动力不通过质心，工作中将产生不对称的惯性力，容易出现振动、变形和倾斜等不利情况，因此仅能用于小跨度的情况。双边驱动结构相对复杂，需要进行两边高精度的同步控制，可用于较大跨度，运动更平稳。

(3) 台式切割机构: 切割部分和机器为一整体式，移动就位方便，但割炬运动范围比较小，切割幅面大小受到一定的限制。

比较上述3 种切割机构的优缺点，龙门式切割机构可切割跨度大，运动平稳，稳定性好，与企业要求较吻合。因此，这里采用龙门式切割机构2。

切割机构的运动分析切割采用板材固定，割炬运动的方式进行。割炬需要能够沿3 个方向移动横向、纵向和竖直方向，横向和纵向用于形成加工所需要的各种轨迹，竖直方向则是为了调整割炬至工件的距离，便于工艺参数优化调整。

在数控加工中，插补是形成工件加工轨迹必须的运动，即数控系统依据加工工件轮廓数据，运用一定的算法进行计算，根据计算的结果对相应的坐标轴发出进给指令，然后进给机构依据指令移动相应距离，从而形成工件的加工轮廓。不同算法对数控加工有两方面的影响，即插补误差的大小和插补速度的快慢。在众多的插补算法中，逐点比较法因其较快的计算速度以及适宜的插补误差而得到广泛运用。其原理是刀具每走一步控制系统都将加工点与给定的图形轨迹相比较，以决定下一步进给的方向，使刀具运动的轨迹逼近工件轮廓。

机构横向和纵向运动是插补运动，其换向频繁，单次进给量很小，用微小的折线段来逼近直线或圆弧，运动精度要求高，因此要求执行构件具有足够的精度，并且要求运动平稳。割炬横向的运动是通过龙门带动割炬安装块实现的，而纵向的运动是通过割炬安装块沿龙门横梁移动实现，竖直方向的调整则通过割炬沿割炬安装块的移动实现。

切割机构运动的实现1.龙门的横向移动

龙门的横向移动，考虑用滚珠丝杠螺母机构来实现。滚珠丝杠螺母机构具有如下特点: ( 1) 摩擦小，效率高，机械效率可达90% 以上; ( 2) 灵敏度高，传动平稳; ( 3) 磨损少，寿命长; ( 4) 可消除轴向间隙。由于上述优点，滚珠丝杠螺母机构在直线传动中得到广泛的应用。

为使两侧受力平衡，龙门采用双边驱动的方式。用伺服电动机控制丝杠的移动距离。伺服电动机具有稳定性好、功率消耗低、寿命长、定位精度高、响应速度快等优点。用伺服电动机进行控制，可使速度和位置控制非常精确。为避免发生运动干涉，前后驱动电动机运行必须严格同步。

2. 割炬竖直方向的调整

割炬喷嘴至工件的距离对等离子切割具有重要影响。距离太大，电弧长度增加，热量损失增大，切割能力下降; 反之，距离太小，则容易导致喷嘴与工件间短路而烧坏喷嘴，破坏切割过程的正常进行。

因此，割炬竖直方向的距离调整显得十分重要。设计时同样需要考虑到方案的可行性、结构的简单性和操作的方便性。这里用一个偏心滑块机构来实现割炬竖直方向的高度调整。偏心轮具有结构简单、调整方便的特点。具体实现过程是: 滑块和割炬连接在一起，滑块竖直移动带动割炬竖直移动，依靠偏心轮的转动来控制割炬在竖直方向的高度。

总结等离子切割技术具有切割速度快、切割质量好、成本低等优点，该技术应用于不锈钢板材的下料，可以有效提高不锈钢板材下料过程的自动化水平，改善工作环境，提高材料的利用效率，具有较大的经济和社会效益。本文对一种等离子切割机的整体结构进行了初步探讨，重点对切割机构部分进行了分析和讨论，通过机构的功能和运动分析、关键部件的详细设计以及设计方案的比较，提出了一种经济适用的结构方案，可较好地满足切割生产的现实使用要求2。