（机械工程专业论文）氧——丙烷火焰切割质量控制的研究.pdf

摘要 摘要 火焰切割利用氧化铁在燃烧过程中所产生的高温来对切割碳钢的，燃烧氧化 铁所使用的氧气是通过对割炬的设计来实现的，这样可以保证切割效果良好。火 焰切割为切割厚金属板唯一经济有效的途径，但是在切割薄金属板方面有很多不 足之处。与等离子切割相比，火焰切割的热变形较大，热影响区也较大。为了切割 准确有效，操作人员需要拥有高超技术才能在切割过程中及时回避金属板的热变 形。影响火焰切割质量的因素包括预热火焰功率和时间、氧气的纯度、氧气的压 力、割嘴到工件的距离和切割速度等。 不同厚度的钢板，根据加工要求，如需要最佳质量、生产与质量平衡兼顾、 加工要求低可以优先保证生产等不同情况下，选择何种切割参数最佳。需要研究 在不同的切割参数下，质量变化情况。 规则零件，主要是各种长条型零件，当板厚变化时，其长宽比在何种范围之 内，可以保证零件的旁弯控制在满足工艺要求的范围之内，从而确定零件是否适 于火焰切割加工。以及在不同加工方式下，如单割炬加工，多割炬加工( 取6 个) ， 零件旁弯变形程度。 本文对数控火焰切割机电气控制系统、数控系统和伺服系统进行了研究，电 气控制系统、数控系统和伺服系统的的好坏直接影响到切割质量的水平，需要对 切割质量进行提高，就需要对其进行全面的研究。 本文最后结合前几个章节所设计的主电路和控制电路，对火焰切割机控制系 统的实验电路进行了搭建，并对实验的结果进行了系统分析。 关键词氧气丙烷；火焰切割；质量；数控 山东大学硕士学位论文 a b s 下r a c t a b s t r a c t t h ef l a m ec u t t i n gi su s e di r o no x i d ep r o d u c e dd u r i n gc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r et o c u tc a r b o ns t e e l i ti sd e s i g n e db yt h et o r c hf o rb u r n i n gi r o no x i d ep r o v i d i n gf u l lo x y g e n ， w h i c he n s u r e st og e tg o o dc u t t i n gr e s u l t s c u t t i n gt h ec o s to fe q u i p m e n ta n dc u t t i n g t h i c km e t a lp l a t ei st h eo n l ye f f e c t i v em e a r l so fe c o n o m i c ，b u tw h i c hh a sd i s a d v a n t a g e s i nt h i np l a t ec u t t i n g c o m p a r e d 、衍t l lt h ep l a s m a , t h ef l a m ec u t t i n gh e a ta f f e c t e dz o n eo f b i gt h e r m a ld e f o r m a t i o ni sl a r g e r i no r d e rt oc u ta c c u r a t ee f f e c t i v e l y , o p e r a t o r sn e e dt o h a v es u p e r bt e c h n o l o g yi nc u t t i n gp r o c e s st oa v o i dm e t a lp l a t eh o td e f o r m a t i o ni nt i m e i n f l u e n c ef a c t o r so nt h eq u a l i t yo ft h ef l a m ec u t t i n gi n c l u d e sf l a m ep o w e ra n dt i m e ， p r e h e a tt h ep u r i t yo fo x y g e na n do x y g e np r e s s u r e ，c u t t i n gt ot h em o u t hd i s t a n c ea n d c u t t i n gs p e e d ，e t c d i f f e r e n tt h i c k n e s so ft h es t e e lp l a t er e q u i r e m e n t sd i f f e r e n tp r o c e s s i n g ，s u c ha st h e q u a l i t y , t h ep r o d u c t i o na n dt h en e e dt o b a l a n c et h e q u a l i t yr e q u i r e m e n t so ft h e p r o c e s s i n gc o n s i d e r a t i o n , w h i c hc a l lg i v eg o o dp r i o r i t yt ot h ep r o d u c t i o ni nd i f f e r e n t c a s e s ，w h o s ec u t t i n gp a r a m e t e r si st h eb e s t a n di tn e e d st os t u d yi nd i f f e r e n tc u t t i n g p a r a m e t e r sa n dq u a l i t yc h a n g e s c e r t a i n p a r t so ft h es p e c i f i c a t i o nm a i n l ya r es o m es o r t so fs t r i pp a r t s ，w h e n t h i c k n e s sc h a n g e s ，i t sa s p e c tr a t i oi nw h a tr a n g ec a l lg u a r a n t e et h eb e n di nt h ep a r t st o m e e tt h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t sw i t h i nt h er a n g e ，w h i c hc a nd e t e r m i n ew h e t h e r p a r t sf o rf l a m ec u t t i n gp r o c e s s i n go rn o t a n di nd i f f e r e n tp r o c e s s i n gm e t h o d ，s u c ha s s i n g l ec u tp r o c e s s i n ga n dc u tp r o c e s s i n g ，t a k e st h ep a r t sb e n d i n gd e f o r m a t i o nd e g r e e t h i sa r t i c l eo nt h ef l a m ec u t t i n gm a c h i n e ，c n cs y s t e me l e c t r i cc o n t r o ls y s t e ma n d s e r v os y s t e ma n de l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ，t h o s eq u a l i f i e sd i r e c ti n f l u e n c eo nt h el e v e lo f c u t t i n gq u a l i t y , w h i c hi sn e e dt oi m p r o v eq u a l i t yo ft h ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c h f i n a l l y , c o m b i n e d 、析t l ls e v e r a lc h a p t e r so ft h ed e s i g nb e f o r et h el o r da n dc o n t r o l c i r c u i t , t h ef l a m ec u t t i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mo ft h ee x p e r i m e n tc i r c u i ti sb u i l d ，a n d i l l 山东大学硕士学位论文 t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n ta l e a n a l y z e d k e y w o r d s o x y g e n - p r o p a n e ；f l a m ec u t t i n g ；q u a l i t y ；n u m e r i c a lc o n t r o l i v 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i a b s t r a c t i i i c h a p t e rli n t r o d u c t i o n 1 1 1t o p i cr e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 1 1 r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 1 2r e s e a r c hs i g n i f i c a n c e 2 1 2s o u r c eo ft h es u b j e c t 3 1 3 】 h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dt o p i c 3 1 4s u b j e c ta d o p t sp r o j e c t 4 1 5r e s e a r c hg o a l o ft h es u b j e c t 4 c h a p t e r2f l a m ec u t t i n gp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c sa n da n a l y s i s 5 2 1g a sf l a m ec u t t i n gt h ep r i n c i p l ea n dt h ep r o c e s so v e r v i e w 。5 2 1 1p r i n c i p l eo f g a sf l a m ec u t t i n g 5 2 1 2p r o c e s so fg a sf l a m ec u t t i n g 6 2 2t e c h n o l o g yo f g a sf l a m ec u t t i n g 8 2 2 1t h eg a sc u t t i n gs e c t i o n 8 2 2 2s t e e lp a r t so fg a sf l a m ec u t t i n g 9 2 3o x y g e n - p r o p a n ec u t t i n g ，t h eb a s i cp r i n c i p l e 10 2 3 1p h y s i c a lp r o p e r t i e s 1 0 2 3 2s a t u r a t e dv a p o u rp r e s s u r e 11 2 4o x y g e na n dp r o p a n tc u t t i n ge x p e r i m e n t 11 2 4 1t t j s tc o n d i t i o n 11 2 4 ：! t l ：s tr e s u l t s 1 2 2 4 3t e s ta n a l y z i n g 1 3 2 4 4a p p l i c a t i o n 1 3 2 5s u m m a r y 1 3 c h a p t e r3c n cf l a m ec u t t i n gm a c h i n ee l e c t r i cc o n t r o l 1 4 ：；1c o n t r o la n ds e r v od r i v es y s t e md e s i g n 1 4 ：；1 1c o n t r o ld e s i g ns c h e m eo f t h es y s t e m 1 4 3 1 2t h ei n t r o d u c t i o no f t h ec o n t r o ls y s t e m 1 5 3 1 3t h es e r v od r i v es y s t e m 。1 6 3 1 4 n 】l et y p eo f s e r v o 1 7 3 2e l e c t r i e a lc o n t r o lp a r to f t h ew h o l es t r u c t u r ea n a l y s i s l8 3 2 1 。i w 7 】1 0 l ed e s i g ni d e a s 18 ：；2 2e l e c t r i c a lc o n t r o ld e s i g n 1 9 3 2 3p i dc o n t r o la l g o r i t h m 2 1 ：；2 4d r i v i n gp a r td e s i g n 2 5 i v c o n t e n t s 3 2 5d e t e c t i o nd e v i c e 2 7 3 2 6c o n t r o ld e v i c eo f t h ee x t e r n a li n t e r f a c e 2 8 3 3m o n i t o t i n gs y s t e mo f t h es o f t w a r ed e s i g n 3 2 3 3 1m o n i t o r i n gs y s t e mo ft h eg e n e r a ls t r u c t u r e 3 2 3 3 2s o f t w a r ed e s i g n 3 3 3 3 3t r a c eo fs o f t w a r ew o r k i n gp r o c e s s 3 z i 3 4t e s ta n da n a l y s i so f t h er e s u l t s 3 5 3 4 1g e n e r a ls t r u c t u r e 3 5 3 4 2c o n t r o ls y s t e mo f t h ec i r c u i te x p e r i m e n ta n da n a l y s i s 3 6 3 5s u m m a r y 3 7 c h a p t e r4 c o n t r o lr e s e a r c ho f f l a m ec u t t i n gq u a l i t yp a r a m e t e r s 3 8 4 1f l a m ec u t t i n gq u a l i t yi n d e x 3 8 4 1 1a p p e a r a n c eq u a l i t y 3 8 4 1 2s i z eq u a l i t y 3 8 4 2i n f l u e n c ef a c t o r so nt h eq u a l i t yo f t h ef l a m ec u t t i n ga n a l y s i s 4 0 4 2 1c u t 诵t 1 1o x y g e n 4 1 4 2 2p r e h e a t i n go f t h ef l a m e 4 1 4 2 3t h ec h o i c eo fc u t t i n go x y g e np r e s s u r e 41 4 2 4c u t t i n gs p e e d 4 2 4 2 5t h es u r f a c eo f t h em o u t h 4 2 4 3c o n t r o lo ft h ec u t t i n gq u a l i t yp a r a m e t e r s 4 2 4 4 i m p r o v et h eq u a l i t yo f t h ef l a m ec u t t i n gs t r a t e g y 4 3 4 4 1t h eq u a l i t yo f t h ef a c t o r so f c u u i n gp r o c e s s i n gm e a s u r e s 4 3 4 4 2f o rd i f f e r e n tt h i c k n e s sp l a t e 4 5 4 4 3c u t t i n gq u a l i t yc o n t r o l 4 6 4 4 4s l i g h m e s sp i e c e so fc u t t i n gq u a l i t yc o n t r o l 4 6 4 5c n cf l a m ec u t t i n gq u a l i t yc o n t r o la n a l y s i s 4 7 4 5 1f l a m ec u t t i n g3 p r o c e s sf l o w 4 7 4 5 2f l a m ec u t t i n gq u a l i t yc o n t r o la n a l y s i 4 8 4 6i m p r o v et h eq u a l i t yo fc u t t i n gw a y 51 4 7q u a l i t yl e v e l 51 4 8s u m m a r y 51 s u r n m a r i ：z e 5 2 p e f e r r e n c e s 5 3 a c k o w l e d g e m e n t 5 5 v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及其意义 1 1 1 课题研究的背景 火焰切割( f l a m ec u t t i n g ) 是钢板粗加工的一种常用方式，是比较成熟的热切 割方式，其切割金属厚度从l 毫米到l 米，适于切割2 0 m m 以上钢板。火焰切割 是利用氧化铁燃烧过程中产生的高温来切割碳钢，割炬的设计为燃烧氧化铁提供 了充分的氧气，以保证获得良好的切割效果。切割设备的成本低并且是切割厚金 属板唯一经济有效的手段，但是在薄板切割方面有其不足之处。与等离子比较起 来，火焰切割的热影响区要大许多，热变形比较大。为了切割准确有效，操作人员 需要拥有高超技术才能在切割过程中及时回避金属板的热变形i l 】。 关于切割过程中使用的能源方式，就世界范围内而言，种类繁多。其中常见 的有氧一乙炔、氧一丙烷、氧一天然气、氧一氢等。各切割方式都有其特点。最 早使用的是氧一乙炔切割，到现在为止，目前仍在大量使用，不过，随着其它新 型能源( 如丙烷等) 的不断出现，使用范围已不断缩小。氧一乙炔切割相对于丙 烷而言，优点是其预热时间短，切割速度快，缺点是其所使用的乙炔成本高，安 全性差，质量一般。氧丙烷切割优点是成本低，安全性高，缺点是预热时间长， 切割速度慢，质量问题较多。氧一乙炔切割的历史较长，已有比较成熟的经验。 而氧一丙烷切割历史时间短，各方面的参数还不是很成熟，尤其是在企业中，不 同板厚的切割基本上是靠经验，无论在理论还是在实践上，都存在明显不足。 关于切割面的质量，激光最好，等离子次之，火焰最差，也是需要重点控制 的对象。火焰切割过程中形成的质量缺陷，有凹心、切割面粗糙、粘渣难清除、 上缘熔塌、切割面倾斜、未割透等十几种，表1 1 列举了几种 2 1 。 山东大学硕士学位论文 表1 1 火焰切割过程中形成的质量缺陷 缺陷类型产生的原因图示 ( 1 ) 切割的速度太快 ；沙 切割面内凹( 2 ) 切割的压力太高 ( 1 ) 切割表面有厚的铁锈或者氧化皮 ( 2 ) 切割过程有中断，且重启时衔接 切割面有缺口不好 矿 ( 3 ) 切割机的行走不平稳 ( 1 ) 切割养的压力太高 ( 2 ) 切割速度过快 a 切割面粗糙( 3 ) 割嘴的选用不恰当1 y ( 4 ) 预热的火焰能量太大 关于切割后零件尺寸质量，也是火焰切割最差，1 0 0 0 m m 尺寸误差可以达到 l m m ，可见误差是很大的，零件尺寸越大，误差累积也越明显，主要原因是热胀 冷缩的影响所造成。尤其是采用多割炬切割的，表现更为明显。 关于切割后零件的形状质量，也是火焰切割最差，常见的有条形零件旁弯、 孔不圆、扭曲等。条形零件旁弯的问题，如采用直条切割机，质量还能有效控制。 但零件如稍微不规则，必须用数控切割机加工的情况下，表现就较为明显。当零 件越长，钢板越薄，旁弯现象也就越严重。 影响数控火焰切割机切割质量的因素有氧气的纯度、预热火焰能率及时间、 氧气压力、切割速度、割嘴到工件的距离、割嘴质量以及割嘴的选择等。 现有的文献中，关于各种切割参数的选择，范围普遍较大，参考意义不大， 如切割板厚2 5 m m 的钢板用何种压力、速度、距离、割嘴等，能确保质量最优。 2 第1 章绪论 1 1 2 课题研究的意义 目前，我国钢板切割中出现的质量问题比率比较大，造成的损失也比较惊人。 这方面原因非常多，与设备、人员、材料、方法、环境等密切相关。火焰切割是 一项经验依赖性很强的加工方式，加工人员对火焰的调整、速度的控制、切割的 方式等需要经过长时间的摸索、试验，才能逐渐稳定加工质量，减少各种质量成 本。切割质量的好坏，对零件的下道工序加工影响很大，比如挂渣的清理、氧化 皮的清除等1 3 1 。 为了提高切割过程中的质量控制能力，需要对切割过程中影响零件质量的所 有因素进行分析，通过试验、理论分析相结合的方法去验证、提高。 1 2 课题的来源 现有的文献、书籍中，关于切割方面的质量控制方法有很多，但都只是针对 特定形状的零件或者几种提高质量的方法，不够系统、完整。影响质量的各项参 数数据参考意义不大，仅仅停留在经验层次上，或者数据过于粗糙，范围过大，一。 无法使用。以我公司为例，各种不同板厚钢板的切割参数在不同的机器上就有较 大的变化。所以，为了提高切割质量的水平，就需要对影响切割质量的各项因素 进行研究，为了彻底厘清各项切割参数对质量的影响程度，需要通过试验以及理 论结合的方法进行研究。 1 3 课题的主要研究内容 ( 1 ) 不同厚度的钢板，根据加工要求，如需要最佳质量、生产与质量平衡兼 顾、加工要求低可以优先保证生产等不同情况下，选择何种切割参数最佳。需要 研究在不同的切割参数下，质量变化情况。 ( 2 ) 因形状等原因，切割时易变形零件，主要是各种长条型、带孔型零件， 当板厚变化时，需要采取何种措施保证零件的质量控制在满足工艺要求的范围之 内，从而确定零件是否适于火焰切割加工。 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 对数控火焰切割机电气控制系统、数控系统和伺服系统的研究，电气控 制系统、数控系统和伺服系统的的好坏直接影响到切割质量的水平，需要对切割 质量进行提高，就需要对其进行全面的研究。 1 4 课题采用的研究方案 ( 1 ) 上述的研究内容1 3 ( 1 ) 部分，主要采取试验为主，理论为辅，通过设 定不同切割参数，收集试验数据，用统计学的方法进行整理，确定不同加工条件 下的试验数据。 ( 2 ) 上述的研究内容1 3 ( 2 ) 部分，则试验与理论并重，通过实践，得出一 套有效的控制方案，最好能建立热学模型进行全面系统的分析。 1 5 课题预期达到的研究目标 ( 1 ) 收集比较全面的试验数据，在不同钢板以及不同的加工要求下，生产工 人能迅速采取合适的加工参数，减少试验摸索的时间，从而在实际工作中能起到 指导操作者最大程度避免零件不合格的作用，提高产品一次交验合格率，降低企 业质量成本。 ( 2 ) 提高热切割整体工艺水平，完善加工工艺，合理化编程、优化套料，系 统性降低质量风险，提高整体质量水平。 4 第2 章火焰切割工艺特点与分析 第2 章火焰切割工艺特点与分析 在对工件进行焊接时，首先需要进行切割，这样才能得多焊接所需的特定几 何形状和尺寸，目前，绝大多数情况均是采用切割的方法来实现的。切割常常分 为冷切割和热冷切割。在现代的生产中，对金属工件的切割主要依靠热切割，这 是因为热切割一般不会受切割工件的尺寸、厚度和形状的限制，并且能够进行自 动化和机械化操作。在火焰切割过程中，其工艺特性直接影响到机床的功能的选 定和标准的设计。热切割是通过利用热能将工件分离，主要包括等离子弧切割、 气体火焰切割和激光切割等【4 】。 2 1 气体火焰切割的原理及其工艺概述 2 1 1 气体火焰切割的原理介绍 气体火焰切割主要是使用气体火焰把钢材加热至能够在氧气中进行燃烧的燃 点，此后其被送往至高流速、高纯度的切割氧中，使钢材中的铁与氧发生化学反 应，生产铁各种氧化物，主要是f e 3 0 4 、f e 2 0 a 、f e o 等，并且在氧化的时候会放 出大量的热量，为下层金属提高必要的热能，使反应能持续下去，使钢材不断分 离从而实现切割，气体火焰切割的示意图如图2 1 所示【5 1 。 氧气、丙烷 ，ljj 图2 1 气体火焰切割的示意图 ( 1 ) 氧熔剂切割是把纯铁粉等类似的熔剂加入到切割氧中，这是利用它们 5 山东大学硕士学位论文 燃烧时所产生的大量的热量以及它们的造渣功能来进行气割的。适于燃点高于熔 点的金属，如铸铁、不锈钢等。 ( 2 ) 电弧一氧切割是利用电弧与切割氧相结合的方式来进行切割的，电弧在 钢件和空心电极之间燃烧时产生了大量的热量促使工件能够不断地燃烧，并且使 熔融物也被切割氧流排出。电弧一氧切割的速度要比气割快，但是切割面的质量 相对较差，较适合于进行水下切割。 ( 3 ) 电弧一压缩空气进行气刨是利用压缩空气与电弧来进行钢件的表面切 割，工件与电弧在燃烧的时候所产生的热量促使工件不断地燃烧，最终完成切割。 ( 4 ) 气割是利用气体火焰的热量把钢材需要切割处预热到一定的温度之后， 再高速喷出氧气流，这样会使工件能够不断的燃烧并放出大量的热，完成切割任 务。气体火焰切割的设备比较简单，可操作性也较好，切割质量也非常好，但是， 切割时变形较大，切割速度也比较慢，尺寸精度较低。该类方法较适合于切割碳 钢和低合金钢。 2 1 2 气体数控火焰切割工艺介绍 o ) i 艺参数的选取 1 ) 切割速度与割嘴的型号、工件的厚度、燃气种类、零件材质、切割类型相 关，一般切割速度随着工件厚度增加而变慢。通常情况下，我们是需要根据实际 情况来进行切割速度的选取的。若切割速度过慢会使切口上缘熔化而造成熔割， 太快会造成切割面纹路太倾斜，甚至因割不透而与母板粘连。根据切割经验，切 割速度的大小能够依据熔渣火花在切处落下的方向来进行判断，若火花呈稍偏向 前方或垂直方向吹出时，此为正常的切割速度。我们一般在排渣能力强和氧化速 度快的条件下提高切割速度。切割速度不能太慢，太慢时生产效率低且浪费各种 气体、能源，割口上部不垂直出现圆弧形，不断产生浪费而且造成品质降低【6 】。 2 ) 零件切口纹路与切割速度会受到割嘴和被切割件间的切割倾角影响。手工 切割时，对切割倾角的确定主要依据工件的厚度来进行判断，在通常情况下，工 件厚度大于3 0i b m 情况，在起割时一般采用5 。到1 0 。的前倾角，割透后将割嘴 调节到与工件垂直的位置，结束时为5 。到1 0 。的前倾角，工件的厚度小于3 0 m m 6 第2 章火焰切割丁艺特点与分析 的情况，后倾角一般设置在2 0 。到3 0 。 3 ) 预热火焰的选取。其为影响气割质量的一项重要工艺参数。在进行气割的 时候，常选用轻微的氧化焰或者是中性焰来进行预热，用碳化焰容易造成零件渗 碳影响工件品质，预热的时候还需要紧密注意钢板的加温情况及火焰的变化。需 要根据工件的厚度、割嘴种类、气体种类等参数来进行预热火焰的选择。若为较 厚的割件，其对预热火焰的能率要求就较高，反之较低。 4 ) 焰心到钢板表面的距离，主要根据钢板厚度、割嘴型号、气体种类、切割方 式进行确定。 5 ) 切割氧压力的确定。主要依据工件厚度、气体种类、割嘴型号与大小来进 行确定。 ( 2 ) 气割工艺要点的分析 1 ) 在切割之前，有时需要对材料进行表面处理，除锈、除钢板表面保护层，因 为这些额外的杂质主要是各种不可燃的氧化物，附在钢板表面阻碍燃烧的进行。 唯有清除这些有害物，才能达到提高切割表面质量和切割速度的目的。 2 ) 空间曲线的切割和型钢的切割。在现代产品生产中，因为焊接的需要，需 要大量的空间曲线的切割和型钢的切割，以代替传统的划线人工切割。尤其是大 直径圆钢管纵贯线切割是新的热点之一。其中使用最为普遍的方式为采用专机配 置的氧火焰割炬或者是等离子割炬，采用了配套的定位系统和夹具设备，能够实 现半自动化操作。 但是，该操作方式也存在有一些缺点，如其中定位、夹紧和松开均是比较费 时的操作过程，并且在切割完成后，由于型钢集聚的残余应力得到释放，这样就 会造成切割的形状上产生误差忉。 2 2 关于数控气体火焰切割技术的介绍 2 2 1 坡口的气割 在对工件进行焊接之前，一般需要对工件打坡口以提高焊接强度，按加工方 法，一般分为机械坡口、火焰坡口、手工坡口等。现在多数采用的是机械坡口， 7 山东大学硕士学位论文 其优点时坡口加工效率高，平均为火焰的3 8 倍，在焊件时并不需要进行其他的 处理。这种坡口加工方式在批量生产时表现突出，但质量稍差。下面将介绍几种 常见的焊接坡口，如v 形坡口、y 形坡口、x 形坡口和u 形坡口等，其示意图如 图2 2 所示。在单侧坡口角度大于3 0 0 c 的时候，u 形和x 形的坡口通常是不易气 割，需要采取特殊措施1 5 】。 二 么 二二 二 二二( 二 二型二 ( 1 ) v 形( 2 ) y 形( 3 ) x 形( 4 ) u 形状 图2 2 常见的坡1 ：3 示意图 ( 1 ) v 形坡口的气割介绍 单面v 形坡口加工时，一般有两种方法，一种是单割炬直接加工，主要用于 半自动化加工，优点是设备简单但需要二次定位；也可使用两把割炬同时切割， 主要用于自动化切割，优点时效率高不用二次定位。其中一把割炬与切割表面成 一定角度，另一把割炬垂直于被切割金属表面。垂直的在前面移动，倾斜的割据在 后面移动，如图2 3 所示【9 】。 1 、割嘴；2 、工件 图2 3 单割炬切割示意图 ( 2 ) y 形坡口的气割介绍 y 形坡口的气割需要加装溜扳，一般采用单割炬首先进行直角边的切割，再 使用双割炬来一次完成切割，切割示意图如图2 4 ( 1 ) 所示。 8 第2 章火焰切割工艺特点与分析 1 ，工件；2 、割嘴；3 ，割嘴 1 工件；2 ，割嘴；3 刳雪； i ，割臂 ( 1 ) y 形坡口的切割示意图( 2 ) x 形坡口的切割示意图 图2 4y 形、x 形坡口切割示意图 ( 3 ) x 形坡口的气割介绍 不带钝边的x 形坡口的切割一般可采用两种方式来进行完成，可利用单割炬 分两次完成，也可以采用双割炬一次完成。若需要带钝边的x 形坡口，可利用三 割炬进行一次完成切割，也可以利用单割炬来分次完成切割，切割示意图如图2 4 ( 2 ) 所示【1 0 1 。 ( 4 ) u 形坡口的气割介绍 由于u 形坡口的下部是圆弧形，所以不能一直垂直切割下去，当深度达到一 定的程度后，就需要转向侧面的方向来进行切割。针对u 形坡口，需要采用多割 炬的方式来进行切割，关键是使工件沿着板厚方向能够形成温度梯度，并且能够 调节切割氧的压力。在进行切割时，先使用前割炬割出斜面，再使用中间割炬的 前割炬将板边割到一定深度，在切割同时，通过控制中间割炬两个割嘴的切割氧 压力，并借助后割嘴，从而割出坡口的斜边，并割出所需要的圆弧形割e l 。 2 2 2 钢件的气体火焰切割 ( 1 ) 一般厚度的碳钢板比较容易切削，割嘴和工件之间的距离大致等于焰心长 度加上2 m m 到4 m m 之间。为了提高切割效率，减少火花的无序飞溅而形成的安 全隐患，针对厚度2 0 r a m 以上的钢板，割嘴向后倾斜2 0 。到3 0 。之间，这在手持 式割枪中普遍采用，机械式切割中一般式垂直钢板表面。 ( 2 ) 针对一般厚度超过l o o m m 的钢板，采用气割就有一定难度。所以针对此 9 山东大学硕士学位论文 种情况，一般需要对工件进行预加工，比如预先加工出引割孔，使其适合于气割 加工。 2 3 氧丙烷切割的基本原理 由于丙烷是石油加工副产品，提炼方便故成本低、燃点高不易爆炸故安全性 好、切割不应粘渣故质量好，以丙烷、天然气以及其他石油加工产品代替乙炔来 进行切割已成为切割行业的发展趋势。国外许多先进国家已经成功的将丙烷气体 广泛地应用到火焰切割技术中，并取得了良好的切割效果和显著的经济效益【l l 】。 2 3 1 丙烷的物理性质分析 丙烷与乙炔的燃料特性和物理性质对比情况可参照表2 1 。从表2 1 能够得出， 丙烷的比重显然要大于乙炔，且丙烷的体积热值为乙炔的1 6 2 倍。 表2 1 丙烷与乙炔的燃料特性和物理性质情况对比表 1 0 从爆炸极限和燃烧速度进行分析，乙炔的燃烧速度比较快( 即回火速度也相当 第2 章火焰切割下艺特点与分析 快) ，爆炸极限也非常宽，着火点比较低( 在工作中不使用明火就可点燃) ，因此极 易发生爆炸。但是丙烷爆炸的极限是非常窄的，燃烧的速度也是非常慢的，着火 点也相对比较高，因此从安全的角度考虑，丙烷要比乙炔安全很岁1 2 1 。 2 3 2 饱和蒸气压 丙烷和乙炔的饱和蒸气压对比可参照表3 2 。根据表3 2 的数据可以分析得出， 乙炔饱和蒸气压是非常高的，因此采用直接加压的方式使其变成液体是不合适的， 即使如此，由于丙烷在3 0 c 的条件下依旧能够输出足够的压力，因此无论是是什 么样环境条件，其均能够满足正常使用的要求。 表2 2 丙烷与乙炔的饱和蒸气压对比表 在切割速度上，虽然由于丙烷的燃烧温度要比乙炔低，但是均可以超过2 0 0 0 ，这足以完成整个切割过程。切割一旦开始，主要热量就是来自于金属在氧气 中燃烧的化学反应热，由于丙烷气态燃烧值是要比乙炔大许多的，在切割速度两 者是没有太大差别的。 2 4 1 试验条件 气体：丙烷( 纯度 t 9 9 o ) ；氧气( 纯度1 9 9 5 ) 。 切割设备：数控切割机。 割嘴：选择了国内3 家企业生产的三种割嘴，分别编号为ta - 2 # 、a - 5 # ；b 2 存、 b - 4 # ；c - 5 # 。 1 l 山东大学硕士学位论文 采用的板材及其厚度：q 3 4 5 a 钢板，厚度分别为2 4 m m ，4 0 m m 和8 0 m m 。 2 4 2 试验结果 钢板切割预热打孔的试验结果如表2 3 所示。两块钢板的切割速度试验结果如 表2 _ 4 所示。 表2 3 钢板切割预热打孔的试验结果 板厚割嘴型号燃气的压力氧气的压力预热的时间 ( m m )( m p a )( mp a )( s ) a - 5 #3 5 0 8 0b - 5 撑0 10 53 6 0 c 5 群 3 5 5 b - 4 #7 0 4 0o 0 80 5 c 5 拌 6 5 2 4a - 2 #o 0 8 0 54 0 b 2 拌 o 0 83 8 1 2 表2 4 切割速度的试验结果 燃气的板厚试验中气体切割的速度 名称 ( n u n ) 的压力 ( m m m i n ) 燃气氧气 2 45 1 3 丙烷4 0o 0 5o 73 8 3 8 02 4 1 2 44 6 5 乙炔 4 0 0 0 5 0 72 6 2 8 01 6 9 第2 苹火焰切割工艺特点与分析 2 4 3 对试验结果的分析 在丙烷的切割试验中，可以通过表2 3 的试验结果进行试验的结果分析，针对 钢板切割预热的打孔时间在不同的割嘴和不同的气体压力配比下是基本相同的。 在使用快速割嘴进行切割试验时，乙炔的切割效率要比丙烷的平均低1 0 。 2 4 4 实际应用 将氧一丙烷切割技术应用到工程实际中，由于该项技术容易被操作工人所掌 握，因此其能够为企业每年节约大量的成本。该项技术的优点主要体现如下： ( 1 ) 使用成本低。 ( 2 ) 安全性好，不易回火。 ( 3 ) 切割面的上缘没有非常明显的烧塌现象，且不易挂渣，比较容易进行清理， 并且切割面的精度要比氧一乙炔的高，对切割面的修磨成本在很大程度上得到了 降低。 ( 4 ) 没有污染，使工人的操作环境得到大大的改