关注现代切割设备核心部件_张维官

内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看

I

产业论坛

ndustry Forum

切割设备应用杂谈

随着技术的发展，不断有高科技产品问世，那么实体经营企业是否要紧随潮流，持续更新自己的设备？

宋大春：我工作过的工程机械企业，下料几乎

全部采用大型龙门式数控火焰切割机、数控精细等离子切割机和激光切割机。主要是≤6mm的板材用激光切割，6～22mm的板材用精细等离子切割，22～80mm的板材用数控火焰切割。注意：这些数据不代表设备的极限切

中联重工科技发展股份有限公司 宋大春

关注

现代切割设备

核心部件

科技的发展促进了社会生产效率的提升，作为板材成形前的切割工序，切割方式也从原来的手工火焰切割发展到如今的数控火焰切割、等离子切割和激光切割。而组成这些先进切割设备的核心部件，一直是用户评价设备性能的标准，为了使用户对切割设备核心部件有更深入的了解，本期特别策划了“切割设备及关键部件”论坛，邀请行业一线工程师畅谈工作经验，以飨广大读者。

割能力，比如激光切割机也能割10mm以上的

板，但质量和速度下降较大，特别是设备使用一段时间后更明显，精细等离子切割机也一样。这三种切割方式的特点比较如附表所示。

三种切割方式特点

火焰切割

精细等离子切割

激光切割 适用于较薄的低碳钢、不锈钢、铝材以及塑料、有机玻璃等 切口倾斜角最好，割缝很窄；热影响区域很小；熔渣最小，一般不需要二次加工；割口较光滑，进行复杂形状切割性能好 穿孔速度很快；切割速度最快

生产率最高；易损件使用寿命长；节省大量模具投资；较适合薄材，管材及异型材；设备最贵，前期投入最大

适用于低碳切割 适用于低碳钢、

钢；不适合不锈材料不锈钢和铝材

钢和铝材

切口倾斜角优良；割缝较窄；热

切口倾斜角较影响区域小、熔渣好；热影响区域小，较少二次加工大、熔渣大，一或不需要二次加般要二次加工工；割口较光滑，

可以进行复杂形状切割

预热时间长，

穿孔速度快；切

增加穿孔次数；

割速度快

切割速度慢

专题策划：张维官

切割质量

加工效率

生产率较高；易损件使用寿命长；

生产 生产率低；综

设备价格比激光

成本合成本高

低；对中厚板加工综合效益较好

13

内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看

I产业论坛ndustry Forum郑连超：我们现在使用的切割设备是型号为

GSI4000H－BY的数

控火焰（等离子）切

割机，该设备配置

为：横梁采用龙门移

动式结构，双边驱

动；伺服系统由三套

日本富士全数字伺服

驱动器及交流伺服电

动机加德国高精度行

星减速齿轮箱；使用

山东蓝田工程机械科技

有限公司 郑连超太原锅炉集团有限公司雷文娟12000。该设备的数控系统为美国海宝的micro EDGE，并配备了日本松下电动机以及澳大利亚FastCAM编程软件。从实践中发现该设备的切割质量好、速度快、热量低、热变形小、切割边缘硬度低，有利于后续机械加工。在切割厚度为2～25mmFastCAM编程套料软

件；美国飞马特的碳钢、不锈钢时，切割定位精度能达到±0.5mm/

1000m，切割表面粗糙度值Ra=12.5～25m。尤其在切割普通碳素钢薄板时，速度达氧切割法的5～6倍。

周鹏飞：目前国际上三维激光切割设备主要有

德国TRUMPF、意大

利PRIMA、日本NTC

及MAZAK等几家公

司。随着中国近几年

的经济发展以及社会

进步，中国制造业自

身的产业调整和升级

给三维激光切割机的

发展带来了难得的发

展机遇和极其广阔的

江苏扬力数控机床

有限公司 周鹏飞CUTMAST151精细等离子电源，以及美国海博斯特弧压高度控制器。不难看出，数控切割机关键、重要部位都选用进口件，因为它们对切割产品起着关键的作用。茅裕芳：目前市场应用最为广泛的切割方式为火焰切割和普通等离子切割。早在1998年我公司就购买了一台梅塞尔（MESSER）龙门式数控火焰/等离子切割机。到目前为止，我公司购置的各种品牌数控火焰/等离子切割机已达7台。由于公司主要生产非标张家港长力机械

有限公司 茅裕芳市场前景。我公司作为中国产品，采用数控火焰/等离子切割机主要用数控钣金加工行业的领跑者，自2003年开始激光

切割产品的研发，目前ML3015、ML4020激光切割产品已经广泛占领市场。为参与国际化竞争，提高公司的市场竞争力，公司于2011年成功研制出TL3015三维五轴数控激光切割机（见图1）。于板材下料、复杂零件下料、减少部分机加工零件的二次加工、不锈钢及其他有色金属的下料等。经过多年对各种同类数控火焰/等离子切割机使用对比，发现梅塞尔（MESSER）数控火焰/等离子切

割机横梁刚性较好，气路、阀门布局较为合理，采用了免维护割炬升降电动机、伺服电动机，导轨面硬度及表面粗糙度均优于其他同类品牌切割机，特别是在配备操作系统的稳定性和FastCAM软件的强大功能方面尤为突出。

雷文娟：我厂使用的等离子切割机为苏州威达生产的数控龙门切割机，机型为HNC－4000×

图 1

内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看

I

等离子电源

宋大春：等离子切割技术是以高温高速的等离子弧为热源，将被切割的金属局部熔化，同时用高速气流将已熔化的金属吹走、形成狭窄切缝。其中，大功率的精细等离子电源作为切割的动力源，犹如汽车的发动机，一台机器切割能力和切割质量的好坏主要由它决定。例如等离子电流越大，切割能力越强；并且等离子电源是一种典型的强非线性时变混杂电力系统（比如高频高压引弧后需马上转为恒流切割），同时其工作环境普遍很恶劣，粉尘大，各种电磁干扰严重，还可能有由各种原因引起的短路、断弧、双弧等事故发生，而且其负载往往还会有突变（工件凹凸不平，有坑等），所以要求电源动态特性好，负载适应能力强；起弧可靠，切割电流平稳，等离子弧柱燃烧均匀，火花飞溅少，并且弧压及电流可编程调节。我们现在使用的梅塞尔精细等离子切割机（见图2）主要配备美国海宝公司HPR260（最大等离子输出电流260A）等离子电源，如图3所示。管电源可以保证在输入电压和割炬工作距离有变化的情形下输出电流始终保持稳定。产业论坛ndustry Forum切割软件宋大春：编程软件是接收各种格式图形数据并将它们合理地排版到原材料板料上（即套料）的工具，同时将它们转换为机器能识别的语言指令。编程软件与使用者关系非常密切，应具有如下特点： DXF/DWG等多种导入格式；具有丰富的套料功能；手动及自动套料功能；过桥、连接切割、公共边切割补丁；余料定义，余料切割；割缝补偿功能；切割工具相关的切割技术数据库；故障诊断功能；软件升级维护方便。总之，系统越人性化越好，操作越简单方便越好，防误操作的能力越强越好。如我们目前所用切割设备的切割软件主要是FastCAM和Globel Control S编程软件系统。郑连超：我们现在所用的切割软件是FastCAM套料软件，该编程套料软件中（专家版）提供的桥

接、共边等能有效减少预热穿孔，缩短工作时间。特别是一些小件，搭桥后连割就避免了因热量集中而使工件边缘烧损。既提高了外观质量，又节约了时间。除此之外，其还能提供节省材料的切割方法，如将余料保存，以便将来切割时准确地进行套排料，这都有效地提高了材料利用率。另外，我们还可以在材料购置时定尺，减少余料，提高材料利用率。

茅裕芳：我们所用的梅塞尔切割设备所配的套料软件也是FastCAM，其可通过设计部门提供的DXF/DWG文件格式的详细零件图直接进行零件图优化、自动编程、自动套料、代码转换、数据库管理、统计报表、切割生产计划管理、数控切割机现场切割以及解决各种切割质量问题。不仅为机械制造企业及时解决了编程套料与数控切割的效率和质量问题，大大提高了材料利用率，而且还为FastCAM套料软件在机械制造企业的应用提供了很实用、很具体的应用案例，为机械制造企业有效提 图2 梅塞尔OMNIMAT LK 6500×29 000精细等离子切割机

图3 海宝精细等离子电源HPR260高编程套料生产效率，提高数控切割机的切割质量

和切割效率提供了有效的技术保证。

雷文娟： FastCAM切割软件能够实现人机对话操作方式，任意二维平面图形切割，无需计算机基

雷文娟：我们使用的等离子切割机的等离子电源暂载率是100%，适用于高效连续生产。高效水冷却系统，易耗件的相对寿命长，以及先进的晶体15

内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看

I

产业论坛

ndustry Forum

础和CAD经验就可以轻松掌握绘图、套料和编程方法。在提高钢材利用率的前提下，能提高生产效率。

周鹏飞：我们所用的切割软件种类比较多，其中三维激光切割方面，它要求激光头必须不断调整自身姿态，保证激光的焦点沿工件上的空间曲线移动，同时还要确保激光的入射方向与工件表面垂直。要实现三维激光切割自动编程，就要能自动产生三维工件表面上的待切割的空间曲线及法线，然后通过五轴联动的方式控制焦点走出空间曲线的运动轨迹（见图4），同时使得切割头始终与法线方向保持一致。

因此，我们所研发的一款专门用于五轴（或者更多轴）三维激光切割设备的自动编程软件采用PEPS PENTACUT。作为世界多轴激光加工CAM软件的领导者，PEPS PENTACUT具有如下突出优点。

第一，PEPS PENTACUT拥有独立的CAD平台。这个平台是基于ParaSolid内核开发的，支持二维与三维图形的造型、转换、修补与计算。

第二，易学易用。友好的用户界面，能在Windows 2000/XP、Vista、Windows7等系统上运行，离线编程非常简单。

第三，后置处理库。提供了一个包含市场上绝大多数四～六轴激光加工机床的后置库，可以自动检查在切割过程中工件与切割头碰撞情况或者设置避免碰撞参数让系统自动避让。

第四，强大的夹具自动设计功能。夹具系统采用交互式参数化设计，当进行大批量切割时，采用软件自动设计的夹具能够提高每个加工零件的一致性，定位精度和加工质量都会得到很大改善。

的特点就是要抗等离子高频干扰能力强、稳定性高，同时还要求伺服系统动态响应性好，加减速性能好，重复精度高；所有参数易于调整，维护方便。数控系统的功能还应包括机器零位控制、可编程工作零点、断电找回工作零位、速度控制、高度控制、断弧中断诊断、部分提升功能、多割枪间距设定功能、用户设定加工原点、安全自动停机报警功能及激光坐标定位功能等（其中在余料利用、预切割检测和坐标选装方面非常有用）。

雷文娟：我觉得美国海宝自动化公司出品的等离子专用数控系统micro EDGE是比较好的。其采用了最新的数控模拟量轴输出控制技术，体积小、结构紧凑、集成度高，全封闭结构适用于热切割的工业现场。有四十多个标准图库文件和网格图形，可以进行矩阵、交错和重复排列；可对文件进行缩放、旋转和镜像。

周鹏飞：数控系统是数控激光切割机的控制中枢，就像人类的大脑一样，它控制和决定了数控激光切割机的切割效率和切割质量。我们研制的TL3015采用以德国SIEMENS SINUMERIK 840D（见图5）为基础的三维激光切割机专用控制系统，控制系统负责X、Y、Z直线驱动轴、A/C旋转轴的伺服驱动，同时还需要对供气系统、激光发生器、VRM功能、随动功能、自动调焦和切割拐角速度控制等功能进行控制。另外，控制系统还带有故障报警及故障诊断功能，以及远程诊断、螺距补偿、反向间隙补偿、快速定位、高速调用等功能。经过对数控系统界面进行二次开发，使得操作机床更加直观、方便。客户根据所加工的板材信息自动调用切割工艺参数文件进行切割加工。

图 4

数控系统

宋大春：数控系统作为将计算机的切割指令转化为切割头的动作执行部件，它的好坏决定了图样能否真实地转化为工件的尺寸和形状。其非常重要

图 5

激光发生器

宋大春：激光切割是利用经聚焦的高功率密度

内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看

I

激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开， 激光切割是现今热切割技术中最好的方法。

大功率的激光发生器以前以气体激光发生器为主，而最近几年大功率光纤激光器已进入实用，并成为一种趋势。

相对于气体激光切割机，光纤激光切割机主要有下列优点：①光路简单。气体激光器有复杂的外光路（即从激光器出端口到切割头出端口的这个行程），一般约有10块各种镜片，通过一系列的折反射后将光通过聚焦镜来实现切割，光路需定期维护；而光纤激光通过双包层光纤传送，免维护。②即开即用。CO2气体激光器使用高纯度CO2、He、N2作为激光发生气体，开机后需先抽真空和充气，时间约10min；而光纤激光器使用二极管作为泵浦源，可即开即用，且二极管寿命很长，有资料称>50 000h。③耗能低。光纤激光的光电转换效率约为25%，CO2气体激光器约为10%。④光纤激光器光束质量更好。⑤使用方便。光纤激光器小而轻，光纤可随意弯曲，摆放方便；气体激光器大而重，特别是大幅面机载式激光切割机，对于横梁的刚性要求就更高了，不然很容易在长时间使用后形成横梁变形，影响整个设备的精度。

光纤激光切割机的缺点是光纤维激光对人体有害，工作台需带全封闭外罩。

比如我公司所用的华工法利莱Contour DF6022激光切割机（见图6），使用IPG公司的YLS—2000型掺镱光纤激光器，如图7所示，最大功率达2kW；使用气体为液氧和高纯N2，切割5mm厚的Q235A碳钢板时速度能设为1400mm/min。

图 8 产业论坛ndustry Forum10.6m的波长对人眼的伤害比可见光和1.06m的红外光要小得多等诸多优点被广泛应用于材料切割。不同厂家生产的CO2激光发生器的结构形式和性能特点不尽相同，主要体现在光束的传输特性和激光的模态两个方面。光束的传输特性主要是影响到光束的聚焦，即焦点的大小、位置以及焦点的深度。光束的传输特性对激光切割机，尤其是对于光路长度变化范围较大的激光切割机的切割质量及切割质量的一致性影响更加显著。激光的模态主要是指垂直于光束传输方向的横截面上的光波场分布规律，对激光加工质量有极大的影响，例如TEM00模适合薄板的高速切割，TEM01和TEM10模适合薄板和中厚板的切割，TEM11和TEM20主要适合厚板的切割加工。我们研制的TL3015三维五轴数控激光切割机标配的是松下2000W的CO2激光发生器（见图8）。该发生器输出光功率稳定，具有脉冲、连续波等出光模式，光束模态为TEM00/01，具有工作稳定可靠、耗电量底、耗气量少、受环境影响小等突出优点，非常适合金属板材的切割。高效切割应用分享孙国军：在等离子坡口自动切割中，主要有V形、Y形、X形和K形坡口。现就谈谈用数控坡口切割头系统TNC2000+TB－1L切割（见图9）最复

杂的K形坡口与大家分享。

K形坡口切割首先需要一套具有坡口切割路径定义和规划的套料软件。后面的应用中采用了以色列的C—CUT软件。以切割一个K形坡口的内圆为例，该软件首先生成一个3道复合坡口切割路径，

图6 华工法利莱Contour DF6022

激光切割机图7 YLS—2000型掺镱光纤激光器该路径的内圈为－45°下坡口，中圈为中段直切，外圈为45°上坡口。在K形坡口切割中，为获得较

好的切割边缘，切割顺序应考虑从下坡口起割，然后直切，最后上坡口。在套料软件中可以定义K形

周鹏飞：CO2激光发生器由于其既可以连续工作，又能脉冲工作，输出功率大，效率高，17