数控等离子切割

金属加工方法

数控等离子切割（CNC plasma cutting）是金属加工方法，用于钢板切割下料。

等离子切割

等离子弧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(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。

数控技术

在工业生产中，金属热切割一般有气割、等离子切割、激光切割等。其中等离子切割与气割相比，其切割范围更广、效率更高。而精细等离子切割技术在材料的切割表面质量方面已接近了激光切割的质量，但成本却远低于激光切割。节约材料、提高劳动生产率等方面显示出巨大优势。这促使等离子切割技术从手工或半自动逐步向数控方向发展，并成为数控切割技术发展的主要方向之一。数控等离子切割技术是集数控技术、等离子切割技术、逆变电源技术等于一体的高新技术，它的发展建立在计算机控制、等离子弧特性研究、电力电子等学科共同进步基础之上。我国的数控切割技术起步于20世纪80年代，而数控等离子切割技术起步更晚。但近年来，国内一些高校、科研单位、制造厂商对数控等离子切割技术进行了研究，并逐步开发生产了各种规格的数控等离子切割设备，缩小了与国外先进技术的差距

种类介绍

普通切割

根据所使用的主要工作气体，主要分为氩等离子弧切割、氧等离子弧切割。氧等离子弧切割和空气等离子弧切割等几类。切割电流一般在100 A以下，切割厚度小于 30 mm。

再约束切割

根据等离子弧的再约束方式，主要分为水再压缩等离子弧切割、磁场再约束等离子弧切割等。由于等离子弧受到再次压缩，其电流密度、切割弧的能量进一步集中，从而提高了切割速度和加工质量。

精细切割

等离子弧电流密度很高，通常是普通等离子弧电流密度的数倍，由于引进了诸如旋转磁场等技术，其电弧的稳定性也得以提高，因此，其切割精度相当高。国外的精细等离子切割表面质量已达激光切割的下限，而其成本只有激光切割的三分之一。

空气机原理

由电控系统和喷嘴组成，电控系统产生电弧在由压缩空气压缩后在喷嘴喷出，有点像二氧焊的性质，压缩后的电弧有上万度的高温。从而进行切割，可以切割铜，不锈钢，铝等有色金属，并且切口窄。压缩后的电弧温度是很高的，用压缩空气把电弧在一个小孔里吹出来，电弧就是电离的空气

等离子：随着温度的升高，一般物质依次表现为固体、液体和气体。它们统称物质的三态。当气体温度进一步升高时，其中许多，甚至全部分子或原子将由于激烈的相互碰撞而离解为电子和正离子。这时物质将进入一种新的状态，即主要有电子和正离子（或是带正电的核）组成的状态。这种状态的物质叫等离子体，它可以称为物质的第四态。

国内现状

我国工厂的板材下料中应用最为普遍的是火焰切割和等离子切割，所用的设备包括手工下料、仿形机下料、半自动切割机下料及数控切割机下料等。与其他切割方式比较而言，手工下料随意性大、灵活方便，并且不需要专用配套下料设备。但手工切割下料的缺点也是显而易见的，其割缝质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后道加工工序的工作量大，同时劳动条件恶劣。用仿形机下料，虽可大大提高下料工件的质量，但必须预先加工与工件相适应的靠模，不适于单件、小批量和大工件下料。半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一种形状的切割。上述3种切割方式，相对于数控切割来说由于设备成本较低、操作简单，所以在我国的中小企业甚至在一些大型企业中仍在广泛使用。

随着国内经济形势的蓬勃发展以及“以焊代铸趋势的加速，数控切割的优势正在逐渐为人们所认识。数控切割不仅使板材利用率大幅度提高，产品质量得到改进，而且改善了工人的劳动环境，劳动效率进一步提高。目前，我国金属加工行业使用的数控切割机是以火焰和普通等离子切割机为主，但纯火焰切割，已不能适应现代生产的需要，而目前市场需求的数控切割机多为数控等离子切割机，该类切割机可满足不同材料、不同厚度的金属板材的下料以及金属零件的加工的需要，因此需求量将会越来越大，但与国外的差距仍极为明显，主要表现为：发达国家金属加工行业90%为数控切割机下料，仅10%为手工下料；而我国数控切割机下料仅占下料总量的10%，其中数控等离子切割下料所占比例更小。究其原因，较高的设备成本、复杂和维护和操作制约了数控切割在我国的进一步普及。因此国内数控切割机生产厂家引进了国外控制系统技术，经过二次开发后运用到了切割领域中，设计出了适合我国国情的数控切割机。某些厂家开发生产的专用数控切割设备，在技术上已经达到或超过了国外同类产品。

我国数控切割机每年市场需求量约在30000-35000台之间，产品主要以数控等离子切割机为主。相较而言，仿形切割机每年销售几千台，半自动切割机每年销售达上万台。由此可见，我国数控切割市场，尤其是数控等离子切割市场的发展潜力是巨大的。

切割电源

原先在我国应用较多的高漏抗变压器加二次侧整流式的切割机电源已逐渐被逆变式等离子切割电源所代替。国产等离子电源大多用于手工切割和配在小车切割机上，近年来由于性能有所改进，逆变式等离子切割电源采用先进的IGBT 逆变技术。具有体积小、重量轻、噪音低、功耗小以及携带方便等优点。操作简单、切割速度快、切口窄而光洁、工件变形小。使用安全，可靠性高。设有过压、欠压、过流、过热等自动保护功能。在逐渐取代传统氧乙炔切割

现状与发展

计算机技术的飞速发展推动了数控技术的更新换代，而这也日益完善了数控等离子切割的高精、高速、高效功能。代表世界先进水平的欧洲、美国、日本的数控系统生产商利用工控机丰富的软硬件资源开发的新一代数控系统具有开放式体系结构，即数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次产品的开发开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。

目前，开放系统具体有2种基本结构：

CNC+工控机主板

将一块工控机主板插入传统的CNC机器中，工控板主要用作实时控制，CNC主要用作以坐标轴运动为主的实时控制。

工控机+运动控制板

将运动控制板插入工控机的标准插槽中作实时控制用，而工控机主要作非实时控制。

我国生产的数控等离子切割机的数控系统多是在引进国外数控技术的基础上，加以自主开发而成，并逐步形成了更能适应国内用户的数控系统。总体来说，在数控系

统方面具备了国外同类系统的基本功能，但与国外先进的数控系统相比，在错误记录、网络化生产、全自动生产等方面还存在较大差距。

抗干扰措施

切割电源具有强烈的电磁干扰，这就要求计算机控制系统必须具有很高的抗干扰能力，既能抵抗等离子引弧时的高频干扰，也能抵抗工作时大电流等离子弧的干扰，还能抵抗工作现场的其他干扰源。经过抗干扰设计，改善了数控等离子切割系统的可靠性，其故障率也降低。

国内外趋势

国外数控切割机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。从机械结构上看，其发展经历了十字架型（轻型）、门型（小型）、龙门型（大型）3个阶段，相应的型号种类繁多。能够代表数控等离子切割技术最高水平的厂家主要集中在德国，如德国ESAB公司的精细等离子切割机的切割精度已达激光切割下限，目前，国外已有厂家在龙门式切割机上安装一个专用切割机械手，开发出五轴控制系统的龙门式专用切割工具，该系统可以在空间切割出各种轨迹，利用特殊的跟踪探头，在切割过程中控制切割运行轨迹。相比之下，国内虽然十字架型、门型、龙门型都有所生产，但广度不够，生产厂家产品型号较为单一，尚无龙门式专用型材切割机产品。

近几年来，由于对切割质量、劳动环境等的要求越来越高，国外的大型水下等离子切割法、精细等离子切割法等先进等离子切割技术得到较快发展，其相应产品在我国的市场需求量也逐年上升。在我国的等离子切割设备生产行业中，由于缺乏等离子切割理论研究与生产实践相转换的机制，因此新技术运用不广、新产品开发速度不快，制约了等离子切割技术的进一步发展和运用。

可以预见，我国的数控切割机的市场需求仍将以数控等离子切割机为主。与此同时，国外广泛应用的大型水下等离子切割、精细等离子切割等先进切割设备在我国的市场需求量呈逐年上升趋势。

从国外数控等离子切割行业发展的趋势来看，智能化精密切割将成为切割行业今后发展的方向。　我国钢产量早已达亿吨级，再加上制造业的蓬勃发展，这必将促进国内数控等离子切割技术的良性发展。总体来说，我国数控等离子切割在基本功能上已达到国外同类产品水平，但要完全达到或超过国外水平还有很长的路要走。国内各企业、科研单位应加大科研力度，重视企业间的横向合作，形成优势互补，并在以下方面争取进一步提高：

a．应加强等离子理论研究与生产的相关转换；

b．等离子电源应进一步提高稳定性；

c．积极开发适合我国国情、经济可靠的数控等离子切割设备；

d．人机对话界面友好，适合切割下料工人操作；

e．网络互联功能。

切割质量

数控等离子切割机是一种用于金属板材下料切割的机电一体化先进设备，已在造船、机械制造等行业获得了广泛的应用。影响数控等离子切割机切割质量的因素很多，除了切割机的设计参数外，还与操作控制、切割工艺等有关。为了提高切割质量，我们对其进行了全面的切割试验，根据试验数据进行分析和整理，得出了数控等离子切割机的部分最佳工作参数。现叙述如下：

1、数控等离子切割的特点及质量评定

用数控等离子切割机可以切割各种形状复杂的丁‘件，并具有切割速度快、效率高、切割面质量好、切割尺寸精确、工件热变形小等优点。切割的零件不需机械加工就可直接进行焊接和应用。但数控等离子切割机是用等离子弧进行切割，它与氧气切割相比，仍有一定的缺陷，主要体现在切割面的倾斜度较大，光洁度没有氧气切割的好。

评定数控等离子切割质量好坏的主要判据是：切割面的倾斜度、切缝的割纹深度、挂渣多少等。一个优质的切割面其倾斜度应在30以下，割纹深度应在0.15 mm以下，且挂渣少，容易清除。

在电压、电流稳定的条件下，影响切割质量的因素除了电极、喷嘴本身质量以外，主要还有二个方面的原因：一是割嘴高度与稳定；二是切割速度与工作气压的匹配。

割嘴离钢板的高度当采用弧压调高器来控制时，因其动态定位精度可达±0.013 mm．所以能保证割嘴与钢板的高度保持不变，故切割面的倾斜度小而均匀，且光洁度好。当用手T来调节割嘴离钢板的高度时，被切钢板要尽量放平，以减少割炬的调节次数，保证割炬切割过程中的稳定。本文采用手工调节方式，将割嘴离钢板的高度控制在6～8 mm，通过一系列的切割试验，阐述了切割速度（口）、工作气压(P)与切割质量的关系。

2、试验方法

试验设备为南黛大学蓝光机电设备有限公司生产的CNC-3000型数控等离子切割机，备有LG-100K、LG-120K、LG-160K、LG-200K型四种功率不同的空气等离子切割机各一台，每种机型的电

极、喷嘴各6套。

将四台空气等离子切割机的割炬，按先后顺序装在数控切割机的切割小车上。每一种型号的空气等离子切割机都要单独完成所有试验的全过程，即用不同的切割速度，使用不同的气压，对不同厚度的A3钢板进行切割（用自来水冷却）。切割从低气压向高气压，从低速向高速逐步进行。气压由过滤控制阀渊节，切割速度由数控切割机控制。切割零件为100 mmxl00 mm的正方形零件。

3、试验结果及分析

用LG-IOOK型空气等离子切割机切割6 mm和IO mm两种不同厚度钢板的试验结果如表1所示。由于试验数据太多，用该机切割其它厚度钢板的试验数据，以及用LG一120K、LG-160K、LG-200K型机切割的试验数据就不一一列出，在下面将用图示的方式表达出来。

表lLG-100K型空气等离子切割机切割试验结果

从表1结果可看H，当切割速度过高、气压过低时，切割面的倾斜度大。这是因为速度过快，弧柱严重后倾割缝话跟不上。所以切割的零件大小，下平面尺寸大，尤其是切割直角…在拐角处的底部割缝成圆弧形不是直角形。如果切割速度过低、气压过高则挂渣严重，不易清除，光洁度较差。如果切割速度合适，工作气压过高．弧柱的挺度和圆滑度受到破坏，切割能力下降，切割光洁度差。所以，切割不同厚度的钢板，需要合理地选择不同的切割功率、切割速度和工作气压，才能得到最佳的切割效果。

从表l数据还可看Ⅱn不同的钢板厚度有不同的最佳切割速度和工作气压。我们根据四种不同型号机型的试验数据进行分析和整理，绘制出了用不同功率的等离子切割机切割不同厚度钢板的最佳切割速度与T作气压参数曲线图，如图1所示。图1不同功率切割机的最佳切割参数对应图

根据四种不同功率机型的试验结果，得出了不同功率切割机切割不同厚度钢板的最佳切割参数如表2所示。根据这些数据我们在部分厂家进行了实际应用切割，效果很好？切割质量大大提高。

保养方法

1. 保证等离子正确的气压和流动

等离子体正确的气压和流动对消耗件的使用寿命非常重要。如果气压太高，电极的寿命就会大大减少；气压太低，喷嘴的寿命就会受到影响。设置时参照等离子切割机的使用说明书。

2. 采用合理的切距

切距即切割喷嘴与工件表面的距离，这个距离尽量保持恒定，一般在3-8MM左右，太远了不但耗电量太大，切割穿透能力会下降，而且相对比较消耗电极，使电极使用寿命下降；太近了那更简单，非常费喷嘴，喷嘴的使用寿命会成倍的下降，甚至装上去即被烧掉;当穿孔时，尽量采用正常切距的2倍距离或采用等离子弧所能传递的最大高度。

3. 穿孔厚度和切割厚度应在机器系统的允许范围内

等离子切割机不能在超过工作厚度的钢板上穿孔，通常的穿孔厚度为正常切割厚度的1/2 。尽量在等离子切割机额定的正常切割厚度范围内切割，尽量不要在极限切割厚度上切割，国产切割机的正常切割厚度一般是生产标注的最大切割厚度的60%，尽量在这个厚度范围内切割，就能最好的保护割嘴.

4. 喷嘴不要过载使用

让喷嘴过载（即超过喷嘴的工作电流），将使喷嘴很快损坏。电流强度应为喷嘴的工作电流的95%为宜。例如：100A的喷嘴的电流强度应设定为95A。

5. 保持等离子气体的干燥和洁净

等离子系统需要干燥和洁净的等离子气体才能正常工作。脏污的气体通常是气体压缩系统的问题，它会缩短消耗件的使用寿命，造成非正常损坏。测试气体质量的方法是将割炬设在测试状态，在其下方放一面镜子，消耗割炬内的气体，如果在镜子上出现水气和雾状物，则需要查明原因。

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