06Cr19Ni10不锈钢水切割工艺设计

06Cr19Ni10 不锈钢水切割工艺设计摘要随着科技的进步，先进机械制造工艺技术近年来发展迅速，而水射流切割技术是工业上用于下料的较先进和适用的加工方法，已成为近年来国内外学者研究的热点。利用水射流切割技术能够方便的切割硬度仅次于金刚石的任何材料。在具体应用时，由于所切割的材料、厚度的不同，切割速度也相应不同，需要选择适当的工艺技术参数，特别是要通过工艺试验数据来确定下料工艺技术参数。本文参考了国内外大量文献资料，简要介绍了水射流切割技术的工作原理及特点，并以目前工业中应用十分广泛的 06Cr19Ni10 不锈钢为研究对象，介绍了 06Cr19Ni10 不锈钢的具体组成成分、性能及应用特点，根据 06Cr19Ni10 不锈钢特点通过理论推导和试验研究的方法确定了使用水切割技术的相应工艺参数。关键词：不锈钢；工艺参数；水切割；目录摘要 .2目录 .3引言 .1第一章 不锈钢分类、性能及应用概述 .1一、不锈钢的分类 .1二、不锈钢的性能 .2三、不锈钢材料的热处理 .5四、06Cr19Ni10 概述 .8第二章 不锈钢下料方法比较 .9一、概述 .9二、机械下料工艺 .10三、火焰切割下料工艺 .11三、精细等离子切割 .11四、光纤激光切割 .12五、水刀切割 .12第三章 不锈钢水射流切割工艺分析及相关工艺参数 .13一、水切割工艺技术原理 .13二、水切割的形式和水切割机床的构成 .14第四章 06Cr19Ni10 不锈钢水切割工艺设计 .1一、工业水切割技术分类 .1二、影响加工质量的因素 .3三、建立切割深度模型 .4四、切割深度的实验研究 .7结束语 .9参考文献 .1致谢 .1引言第一章 不锈钢分类、性能及应用概述一、不锈钢的分类一般来说，不锈耐酸钢简称为不锈钢，具有耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性质的钢种。同时，将具有耐酸、碱、盐等化学介质腐蚀的钢种称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异而使他们的耐蚀性不同，普通不锈钢一般不耐化学介质腐蚀，而耐酸钢则一般均具有不锈性。不锈钢在国民工业生产中应用广泛，人们根据不锈钢应用范围的不同冶炼出种类繁多的不锈钢，根据不锈钢的用途、性质或抗腐蚀性强弱以及组织结构成分的不同，不锈钢可以分为奥氏体型不锈钢、马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、沉淀硬化型不锈钢以及奥氏体-铁素体型不锈钢五大类型。奥氏体不锈钢：其结构成分中含铬大于 18%，还含有 8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。奥氏体不锈钢的常用牌号有 1Cr18Ni9、0Cr19Ni9 等。0Cr19Ni9 钢的 Wc0.08%，钢号中标记为“0” 。这类钢中含有大量的 Ni 和 Cr，使钢在室温下呈奥氏体状态。这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性、耐蚀性能和无磁或弱磁性，在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好，用来制作耐酸设备，如耐蚀容器及设备衬里、输送管道、耐硝酸的设备零件等，另外还可用作不锈钢钟表饰品的主体材料。奥氏体不锈钢一般采用固溶处理，即将钢加热至 10501150，然后水冷或风冷，以获得单相奥氏体组织。马氏体不锈钢具有较高的强度，但塑性和可焊性较差。马氏体不锈钢的常用牌号有 1Cr13、3Cr13 等，因含碳较高，故具有较高的强度、硬度和耐磨性，但耐蚀性稍差，用于力学性能要求较高、耐蚀性能要求一般的一些零件上，如弹簧、汽轮机叶片、水压机阀等。这类钢是在淬火、回火处理后使用的。锻造、冲压后需退火。铁素体不锈钢中含铬 15%30%。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高，耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢，属于这一类的有 Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25，Cr25Mo3Ti、Cr28 等。铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢使用。这类钢能抵抗大气、硝酸及盐水溶液的腐蚀，并具有高温抗氧化性能好、热膨胀系数小等特点，用于硝酸及食品工厂设备，也可制作在高温下工作的零件，如燃气轮机零件等。沉淀硬化不锈钢：基体为奥氏体或马氏体组织，沉淀硬化不锈钢的常用牌号有 04Cr13Ni8Mo2Al 等。其能通过沉淀硬化（又称时效硬化）处理使其硬（强）化的不锈钢。奥氏体-铁素体不锈钢同时兼具奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含 C 较低的情况下，Cr 含量在 18%-28%，Ni 含量在 3%-10%。有些钢还含有 Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N 等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的 475脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。二、不锈钢的性能奥氏体型不锈钢在人们的日常生活和国民工业中占据了重要的地位，是使用最为广泛的一类不锈钢。常见的不锈钢紧固件产品、不锈钢餐具等均采用奥氏体不锈钢材料。奥氏体不锈钢中铬(Cr)、镍(Ni)合金元素含量较多，抗腐蚀能力较强。铁素体型不锈钢不含镍，含碳量也比较少。在四种类型不锈钢中，抗腐蚀能力比较差，但它在高温下，不会产生明显的硬化，耐高温氧化，适宜制造喷嘴、燃烧零件、家用电器部件。马氏体型不锈钢，这类不锈钢含碳量比较高，热处理后可以获得比较高的硬度。适宜制造刀具、叶片、阀门、轴承等能够耐高温、耐磨损的设备及零件。沉淀硬化型不锈钢，要进行固溶处理，固溶处理后，还要在 500-600 度区间进行时效硬化，提高材料综合性能。适宜于制造轴类、弹簧、容器等产品。在日常生产和生活中应用最为广泛的不锈钢是奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢。通常，不锈钢中的化学元素成分具有下列特点：各种类型的不锈钢中均含有铬、镍元素，铬能提高不锈钢高温抵抗腐蚀的能力，增加基体强度。铬元素能够与渗碳体结合，形成合金渗碳体，提高不锈钢的耐磨性；在高温能够有效地阻止奥氏体晶粒的长大，增加高温强度，增加抗腐蚀能力。而镍元素能增加不锈钢材料的低温冲击韧性以及抵抗腐蚀的能力，镍元素提高材料韧性效果显著，能有效的提高在日常情况下抵抗空气对金属的腐蚀。同时，镍的热处理稳定性良好，并能够有效地防止氢脆。而碳元素在不锈钢中的含量较低，除了马氏体不锈钢，其它各类不锈钢的碳元素含量都不高于0.1%，因而，不锈钢材料普遍较软，在冷加工成型时，比较容易产生变形。表 1.1 不锈钢检验和试验的方法及标准序号 检验项目 取样数目 取样部位 试验方法1 化学成分 1 参阅 GB223 参阅 GB2232 拉力试验 2 参阅 GB2975 GB228、GB6397 中的 R4.R7 试样3 冲击试验 2 不同样品 GB2294 硬度 2 不同样品 GB230.GB231.GB43405 腐蚀试验 标准规定 不同样品 GB4334.1-66 顶锻试验 2 不同样品 GB2337 夹杂物 2 不同样品 GB105618 晶粒度 1 任何样品 GB63949 尺寸 按标准 卡尺、千分尺10 外观 按标准 肉眼在人们的日常生活中以及很多紧固件产品的材料都常使用奥氏体不锈钢，常用的奥氏体不锈钢的牌号有：301、302、303、303Se、304、304L、305、309S 等几种，在上述八种 300 系列不锈钢中，302、303、304 这三种不锈钢是常用品种，它们的元素组成为：302：1Cr18Ni9303：Y1Cr18Ni9304：0Cr18Ni9由于不锈钢材料中铬、镍等合金元素的作用，当不锈钢中铬 Cr含量为 18%、镍 Ni 含量为 9%时，即(Cr：Ni)原子的比例为 18：9 时，抗腐蚀能力显著提高。其机理是：这时 9 个镍原子和 18 个铬原子形成稳定的特殊的面心立方固体晶格结构，像一道天然屏障，能够有效地抵抗各种原子侵入基体，也能阻止其它原子与不锈钢表面原子起反应，因此，能够有效地抵抗其它元素原子的侵蚀和反应，抗腐蚀的能力成倍的提高，起到耐腐蚀和不锈的作用。因此，当铬原子与镍原子之比等于 9 乘（2：1）的 n 倍（n=1、2、3）时，不锈钢的防腐蚀能力都能够产生突变效应，起到大幅度提高防锈的效果。假若铬原子或镍原子在合金基体中少了，就像足球场上使用了替补队员拉防守，容易被对方攻破球门；同样道理，金属中少铬原子和镍原子，其他铁原子来替代，不锈钢抵抗侵蚀的能力降低，不能达到预期的、有效的防锈的目的。当然，铬和镍元素在金属中比例提高了，即：镍大于 9%，或铬大于 18%，除了形成金属防腐蚀的特殊的晶体结构外，还有一部分铬原子和镍原子可以进入金属基体，增加基体强度。由于镍的价格比较贵，因此，有些不锈钢中，镍的含量偏少，用其他金属元素代替，形成置换固溶体，代替镍原子，能够取得一定的防腐蚀的效果，但是，与正常配比的不锈钢，在防锈和抵抗腐蚀的能力上，仍然有一定的差距。因此，工业中使用的紧固件产品中常用的三种不锈钢 301、302、303，镍的含量为 9%、铬的含量为 18%，是典型的镍 9 铬 18 型奥氏体不锈钢，防腐蚀性能很好。它们的合金元素含量基本相同，碳含量有些区别，基本性能相似。302、303 含碳量基本相同，304 含碳量比较少。303 容易切削加工，适应金属切削加工成形。然而，当前有些企业为了降低成本，采用节镍品种替代，在要求不高的产品也许可以使用，但是，对于防腐蚀要求比较高的产品，一定要采用铬 18 镍 9 的标准类型的不锈钢。工业中常用的耐腐蚀性能更强的牌号为 316 型不锈钢，一般有三个品种，分别是 316（0Cr17Ni12Mo2） 、316L（00Cr17Ni14Mo2） 、316N（0Cr17Ni12Mo2N） ，在 316 不锈钢中，由于含镍量大于 9%，一般为 12%-14%，因此，无论是抗腐蚀能力，还是基体强度，比 302、303、304 有很大的提高。另外由于加入了 2%的钼元素。钼是抗热敏金属元素，常用来配制高温合金。钼的热稳定性能良好，在高温能够有效地阻止奥氏体晶粒的长大。因此，能够增加高温抗拉强度及高温抗儒变能力。同时，也能起到细化晶粒，降低回火脆性的作用。从合金结构上，可以看到 316 型不锈钢各项性能都优于 302、303、304 不锈钢。但是，由于，钼是属于稀有元素，镍是贵重金属，因此，316 不锈钢价格要比 302、303、303 贵得多。一般情况下，产品要求不是很高，可以用 302、303、304 类型的不锈钢；对于防腐蚀要求高、抗拉强度要求高、同时要求有一定冲击韧性的产品，可以用 316 类型的不锈钢。几种常用奥氏体不锈钢的各国标准国别标准 标准号 302 303 304 316中国标准 GB1220 1Cr18Ni9 Y1Cr18Ni9 0Cr!8Ni9 0Cr17Ni12Mo2国际标准 ISO683 12 17 11 20AISI 302 303 304 316美国标准ASTM S30200 S30300 S30400 S31600德国标准 DIN17440 X12CrNi188 X12CrNiS188 X5CrNi189 X5CrNiMo1810日本标准 JIS SUS302 SUS303 SUS304 SUS316英国标准 BS 302S25 303S21 304S15 316S16随着我国国民经济的快速发展，我国生产的紧固件产品不仅数量巨大，并广泛出口到全世界各个国家和地区。三、不锈钢材料的热处理不锈钢材料的热处理与其它金属材料的热处理有所不同。一般金属材料的热处理是加热淬火得到马氏体组织，从而，大幅度地提高硬度与强度。不锈钢热处理是以固溶处理为主。但是，每种类型的不锈钢热处理的方法是不同的。奥氏体不锈钢：固溶处理。铁素体不锈钢：退火处理。马氏体不锈钢：淬火处理（与一般合金钢热处理方法相同） 。沉淀硬化不锈钢：固溶加时效处理。303、303、304、316 等几种常用不锈钢都属于奥氏体不锈钢，需要进行固溶处理。通过加热，金属原子能够在金属基体内自由流动。在一定的温度下（每种钢材的加热温度是不同的） ，不锈钢中的镍原子和铬原子能够自由流动，一直流动到稳定的固体晶格结构，为了保持这种状态，必须把加热状态下的不锈钢放到油中冷却，从而达到有稳定的晶体结构，才能起到防止腐蚀的目的。由于，这一过程很像在溶液中进行，因此，加热状态下的金属合金称为固溶体；固体金属的原子能够在合金中自由流动的这一过程，称作为固溶；加热不锈钢（或其它合金钢） ，使金属原子流动，然后快速冷却的全过程称为固溶处理。不锈钢经过固溶处理后，可以达到提高防腐蚀性能的预期效果。常用的马氏体不锈钢品种主要有 420 系列和 440 系列两大类。420 系列不锈钢包括：2Cr13、3Cr13、Y3Cr13、3Cr13Mo、4Cr13。其中2Cr13、3Cr13、4Cr13 是常用品种。420 系列不锈钢，也称为 Cr13 型不锈钢，是不锈钢中合金元素比较少的钢种。420 系列不锈钢热处理同一般的模具热处理相同。热处理后可以获得比较高的硬度，2Cr13 淬火后硬度在 HRC50 度左右；3Cr13、4Cr13 淬火后硬度达到 HRC52-55 度左右。因此，420 系列不锈钢广泛地使用在需要耐腐蚀、高强度、耐磨损的各种产品和零件上。从金属晶体结构分析，铬元素在合金中的含量在基体必须达到 12%以上，防止腐蚀的作用才能明显增加。Cr12 类型高合金钢，含铬量达到 12%。尽管含铬量很高，但是，有一部分铬与渗碳体熔合，形成合金渗碳体，因此，在基体中铬元素没有达到 12%，因此，不能起到有效的防锈作用。Cr12 类型的材料只能作为工模具钢使用。当然，Cr12、Cr12MoV 中的 Cr、Mo 等元素除了大部分溶入金属基体，增加材料基体强度外，还有部分元素形成合金渗碳体，有效地增加了碳化物的硬度和耐磨性，使得模具钢的综合性能大幅度提高。因此，虽然 Cr12Cr、12MoV 的含 Cr 量达到 12%，但是它们只能作为模具钢，而不能够作为不锈钢。420 系列不锈钢由于碳含量不同，性能也相应有些不同。2Cr13：淬火后硬度比较高。强、韧两方面综合性能良好，适宜制作汽轮机叶片。3Cr13：比 2Cr13 热处理后硬度高，可以制作量具、刃具、喷嘴、阀门、阀座等零件。4Cr13：中国、日本、德国等国家广泛使用，但是，美国、英国却很少使用。可以作需要高硬度、耐磨损的零件。例如：热油泵轴、阀门轴承、医疗器械、阀片阀芯、耐蚀弹簧。440 系列不锈钢包括 7Cr17、8Cr17、9Cr18、11Cr17、Y11Cr17、9Cr18Mo、9Cr18MoV 共 7 个品种。440 系列不锈钢与 420 系列不锈钢都是以铬元素为主的不锈钢，含有少量的钼、钒等元素，对改善不锈钢的性能有一作用，但不能起到主导作用。440 系列不锈钢比 420 系列含碳量高。440 不锈钢热处理后的硬度高，耐磨性好，适宜制造量具、刃具、工具、模具等高硬度、高耐磨的产品。420 系列不锈钢含碳量较少，热处理后硬度适中，兼顾强度和韧性，防腐蚀性能也比较好，适宜制作叶片、阀门、医疗器械等耐高温、耐腐蚀的零件和产品。440 系列不锈钢含铬量 17%-18%，虽然铬含量多 4%-5%，但是，含碳量也相应提高，许多铬原子以合金渗碳体形式存在，在不锈钢基体中，铬元素的含量，两者相差无几，因此 440 系列虽然不锈钢硬度高、耐磨性好，但是，防锈性能、防腐蚀能力与 420 系列相仿。7Cr17：热处理后，硬度高、韧性好。适宜制作量具、轴承等零件。8Cr17：硬化状态下，硬度比 7Cr17 高，韧性比 11Cr17 好，适宜制作刃具、阀门9Cr18：硬度及韧性都比较好，适宜制作剪切工具、手术刀片、切片机械刃具、高耐磨零件。11Cr17：所有耐热钢、不锈钢中，硬度最高。适宜制作喷嘴、轴承等高硬度、高耐磨的零件。Y11Cr17：与 11Cr17 特性相似。但提高了切削性能，便于机床切削加工。9Cr18Mo：9Cr18 改进品种，适宜制作轴承套圈等高速转动的零件。9Cr18MoV：9Cr18 改良品种，金属晶粒细小、耐热性更强。目前，不锈钢的品种众多，特别是马氏体不锈的新产品、新钢种层出不穷。适应不同的行业需求，满足不同的产品性能。但是，由于420、440 系列不锈钢价格便宜、加工性能良好，热处理后硬度值比较高。因此，适宜制造各种耐高温、耐腐蚀、高强度的零件和产品。是使用范围最广泛的马氏体不锈钢。四、06Cr19Ni10 概述06Cr19Ni10 不锈钢是按照美国 ASTM 标准生产出来的不锈钢的一个牌号。06Cr19Ni10 是得到最广泛应用的不锈钢、耐热钢。用于食品生产设备、普通化工设备、核能等。06Cr19Ni10 不锈钢是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性。在大气中耐腐蚀，如果是工业性气氛或重污染地区，则需要及时清洁以避免腐蚀。适合用于食品的加工、储存和运输。 具有良好的加工性能和可焊性。 板式换热器、波纹管、家庭用品、建材、化学、食品工业等。允许使用温度：-196-800化学成分碳% 0.08硅% 1.00锰% 2.00磷% 0.045硫% 0.030镍% 8.00-11.00铬% 18.00-20.0006Cr19Ni10 在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢。06Cr19Ni10 不锈钢也就是旧标准中的 0Cr18Ni9 不锈钢。06Cr19Ni10 作为不锈钢耐热钢使用最广泛，用于食品用设备，一般化工设备，原子能用工业设备。06Cr19Ni10 钢薄截面尺寸的焊接件具有足够的耐晶间腐蚀能力，在氧化性酸(HNO3)中具有优良的耐蚀性，在碱溶液和大部分有机酸和无机酸中以及大气、水、蒸汽中耐蚀性亦佳。不锈钢防锈的机理是合金元素形成致密氧化膜，隔绝氧接触，阻止继续氧化。所以不锈钢并不是“不锈” 。06Cr19Ni10 材料出现生锈现象，可能是由于使用环境中存在氯离子、材料没有经过固溶处理或者由于 06Cr19Ni10 材料没有含钛和铌元素，致使材料具有晶间腐蚀的倾向。氯离子广泛存在，比如食盐、汗迹、海水、海风、土壤等等。不锈钢在氯离子存在下的环境中，腐蚀很快，甚至超过普通的低碳钢。 所以对不锈钢的使用环境有要求，而且需要经常擦拭，除去灰尘，保持清洁干燥。 （这样就可以给他定个“使用不当” 。 ）美国有一个例子：某企业用一橡木容器盛装某含氯离子的溶液，该容器已使用近百余年，上个世纪九十年代计划更换，因橡木材料不够现代，采用不锈钢更换后 16 天容器因腐蚀泄漏。合金元素没有溶入基体，致使基体组织合金含量低，抗蚀性能差。在 06Cr19Ni10 材料中加入钛和铌，再配以稳定处理，可以减少晶间腐蚀。 在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，不锈钢是具有美观的表面和耐腐蚀性能好，不必经过镀色等表面处理，而发挥不锈钢所固有的表面性能,使用于多方面的钢铁的一种，通常称为不锈钢。代表性能的有 13 铬钢，18-8 铬镍钢等高合金钢。 从金相学角度分析，因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜，这个膜隔离开与钢内侵入的氧气起耐腐蚀的作用。06Cr19Ni10 是一种通用性的不锈钢，它广泛地用于制作要求良好综合性能（耐腐蚀和成型性）的设备和机件。为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性，钢必须含有 12%以上的铬。第二章 不锈钢下料方法比较一、概述在机械制造过程中，根据所制造的某个产品或设备所需要的材料形状、数量或质量，从整个或整批材料中取下一定形状、数量或质量的材料的操作过程称之为下料。负责处理下料工艺的一般为下料车间，也有专门的下料公司。金属结构件，加工零件毛坯的原料，经过钣金，放样或者编程、数控切割，将钢板，型材制作成加工制造，金属结构件的单个零件。在机械加工过程中，用户经常面临如何选取最合适的下料工艺。目前，不锈钢制品的主流下料切割工艺在切割厚度、切割精度、冶金性能及生产效率等方面都各有特点。本文参阅了国内外大量文献资料，分析和总结了各种切割工艺的特点，分别从设备成本、单位零件或长度切割成本、易用性、生产率切割速度、切割精度、边缘质量和维护成本几个方面对各种切割工艺方式进行了比较。设备成本包括设备造价以及设备所配套的 CNC 数控装置、除尘设备及 CAD/CAM 软件等的成本。不同的下料切割工艺，其设备成本差异十分巨大。单位零件或长度切割成本包括气体、喷嘴、电极、电和水等，某些情况下还含设备购置费用和人工成本，它涵盖了切割速度和生产效率，更具有实际的参考价值。设备的易用性主要是指软件和 CNC 数控装置的操作性，现在通过将专业经验内置集成而缩短学习时间，从而减少对经验的依赖。比如海宝将等离子的全套工艺参数直接内置在海宝自己的套料软件和 CNC数控内，新用户能快速掌握。生产率切割速度往往是产能的决定因素。切割件精度对金属制件精度的测量有很多方式。通常相对于内孔，对外轮廓的公差要求更低。所以现在很多供应商都推出了切割质量更高的内孔工艺。另外，用户通常在测量中只测量上表面，但实际上因为切割斜度的影响，底面的尺寸会有很大的差异。建议使用针对于上表面测量的正负公差值，再考虑每种工艺的切割斜度。边缘质量及冶金性能五种工艺对金属切削性、成形性能和焊接性都有不同影响。维护要求长期的使用成本中需要考虑不同工艺的维护保养以及维护的难易。二、机械下料工艺机械切割剪板机下料一般板材切割常用此种设备进行，使用剪板机下料具有速度快、操作方便、刀口平直等优点。一般容器设备的筒体下料，直径展开下料，均可一次剪切下料而成（均指直线下料） ，不需经第二次机械加工。不锈钢由于韧性较高，而硬化的灵敏性也大，所以剪切不锈钢板的切力比剪切同样厚的碳钢板要大约 1/3 倍左右。不锈钢板直边切割、外圆弧切割均可在剪板机上进行。大直径不锈钢管切割外圆弧时可剪成多边形，然后再加工掉棱角，这种切割的缺点是；下料余量要大，另外棱角需经第二次加工。钻孔下料对较厚的板材和圆锥体肉弧圈的下料，在没有专用不锈钢切割设备的情况下，可用钻床钻孔下料，如对厚管板下料，锥体展开内弧圈的下料及厚板直边的下料等等，这种方法下料切面质量不高（不光滑） 、速度漫，一般是万不得已才采用。除钻外还可用刨、铣方法切割下料，但这些方法需有规械设备，速度慢，一般只用在要求加工精度较高的设备，如有公差要求，有光洁度及严格的焊接坡口要求等。三、火焰切割下料工艺火焰切割多用于 6.35-150mm 钢板切割下料，当超过 50mm 厚时切割速度比其他工艺快。1、单位零件或长度切割成本用气相当多，切割速度慢。钢板越厚，相对于等离子，其切割成本越有优势。通常每英尺切割成本比等离子高，超过 50mm 厚度时，成本相对较低。2、火焰数控切割机床要求操作员很有经验，才能达到最快的切割速度和最好的切割质量。3、生产率火焰切割由于预热时间长，切割速度慢，所以生产效率很低。4、切割件精度好的操作工在最合适的速度、高度、气体、喷嘴情况下，切割件公差大概是0.76mm，斜度1o。5、边缘质量及冶金性能火焰切割的热影响区很大，断面粗糙并且有挂渣。6、维护比较简单。三、精细等离子切割精细等离子最适合切割 160mm 厚度内的不锈钢材料。1、单位零件或长度切割成本在 6.35-50mm 厚碳钢上相对于其他工艺是最低的。2、配备最新的数控和软件后，等离子非常易学易用。由于专业的工艺参数都已经内置在套料软件里，所以对操作者没有经验要求。3、生产率厚度大于 6.35mm 时，切割速度快于激光。厚度小于 50mm 时，切割速度快于火焰。等离子是所有切割工艺中速度最快、效率最高的。4、对不锈钢切割件，切割公差通常为（0.38-0.5）mm。对于厚度小于（9.5mm）的薄板，斜度在 2o-3o。对于厚度大于 12.7mm 的厚板，斜度在 1o 以内。5、边缘质量及冶金性能热影响区很小，通常0.25mm。断面焊接性好，光洁无挂渣。6、维护要求比较简单。四、光纤激光切割光纤激光是目前最新的激光技术。其使用的固态激光发生器比传统的 CO2激光更高效，而且光纤激光的波长适合在细软的光纤中传导，比起只能用镜面反射传导的 CO2激光更具柔性，更易维护。高能的激光通过聚焦，熔化被切割材料，辅助气体吹掉熔融的金属。一台 3kW 的光纤激光在切割能力和速度上相当于 4-5kW 的 CO2激光。其切割能力一般能达到 19mm 厚的不锈钢。1、单位零件或长度切割成本当厚度小于 6.35mm 时，激光切割成本最具优势。随着厚度的增加，切割速度显著降低，虽然切割质量和精度很好，但切割成本却高于等离子。2、配备最新数控和软件后，激光切割机床也易学易用，因为所有设置都是自动的。3、生产率薄板的效率最高，当厚度增到 6.35mm 时，与等离子切割持平。4、切割精度最好的光纤激光切割件公差为0.25mm 以内。优于等离子切割，可与水刀切割媲美。斜度在 1o 以内。5、边缘质量及冶金性能热影响区比等离子略小。6、维护要求相比之前的 CO2 激光，光纤激光的维护难度大幅降低。五、水刀切割相对于其他切割工艺，水刀最大的两个优势在于没有热影响区和能切几乎任何材质。另外水刀的切割精度很好。但水刀最大的劣势在于其切割速度很慢。1、单位零件或长度切割成本由于水刀切割速度太慢，所以单位零件的切割成本相比于其他工艺是最高的。2、配备最新的数控和软件后，水刀切割机床也易学易用，对操作者的经验要求很低。3、生产率在碳钢和不锈钢上很慢，切铝会快点。4、切割件精度水刀的精度是所有切割工艺中最好的，切割件公差大概是0.13mm 以内。斜度在 1o 以内。5、边缘质量及冶金性能对被切割的材料冶金性能没有影响。断面光滑，切割质量与砂砾和切割速度有关。6、维护要求比较简单。综上所述，五种切割加工工艺方法从表面上看切割质量相差无几，但仔细观察就能发现空气等离子的样件有明显斜度，特别是小孔。氧气等离子的切割斜度减小，精细等离子几乎看不出来斜度。不同的厚度不同切割工艺是不同的，如切割 12.7mm 的碳钢精细等离子无疑是最好的选择。而切 3mm 的铝，水刀和激光会更高效、精度更高。因此，在选购切割设备时，应先明确自己的需求和实际应用。第三章 不锈钢水射流切割工艺分析及相关工艺参数一、水切割工艺技术原理水射流切割是将超高压水射流发生器与二维数控加工平台组合而成的一种平面切割机床。超高压水射流切割机将普通的水通过一个超高压加压器将水的压力提升到足够高，通常达到 200MPa 以上，使水流具有极大的动能，然后通过通道直径为 0.3mm 的水喷嘴产生一道约3 倍音速的水射流，在计算机的控制下可方便的切割任意图形的软材料，如纸类、海绵、木材、皮革、纤维、橡胶等，若加入磨料增加其切割力，则几乎可以切割任意材料，如陶瓷、石材、玻璃、金属、合金等。在二维数控加工平台的引导下，在材料的任意位置开始加工或结束加工，按设定的轨迹以适当的速度移动，实现任意图形的平面切割加工。水切割技术是以水流为切割介质的“冷”切割工艺，它具有一下优点：1、切割时无热变形，避免了材料的物理、化学变化；2、广泛适应于各种材料的切割加工，有“万能切割机”之誉；3、切口光滑平整无毛刺，一般无须再加工；4、由数控系统操纵，切割精度高；5、切割缝小于 1.2mm，便于套料切割，节约材料；6、加工过程不会产生污染环境的废物。数控水刀对那些用其它方法难以切割的材料如芳纶(Kevler)、钛合金及各种复合材料是非常理想或唯一的加工手段。严格来讲，数控水刀虽然比火焰、等离子切割机床可以更精确的切割，但还不是精密加工机床，应该不能标注精度。在切割 10mm 以下的板料时，把切割速度和补偿控制得恰到好处，误差可以做到+-0.1mm。由于水射流的靶距是不确定的或者说是变化的，数控水刀的最大切割厚度并不好明确界定。胆大者，敢称 400、500mm，保守者称 100mm 以内，都是合理的。现有的数控水刀一般流量在 23 升，工作压力在 200380MPa，射流经过空气阻力，能量衰减极快，到 400、500mm 时，基本就随风飘散了，就没有打击力。就一般应用而言，切割金属板材厚度建议不超过 100mm，发泡材料如海绵厚度建议不超过 300mm。水切割下料工艺技术具有以下特点：1、无切割方向的限制，可完成各种异形加工；可以轻松地切割不锈钢板或坚硬的大理石、花岗岩等，对那些因其他方法难以切割的材料如芳纶、钛合金等各种复合材料更是非常理想或唯一的加工手段。可作全方位的切割，包括各种形状、角度或斜度；2、水刀在工件上所产生的侧向力极小，可降低设定时间及节省使用夹具成本；3、水刀加工不会产生热变形，不需二次加工，可节省时间及制造成本；切割时不会产生裂痕，它可以切割间隙很窄的材料。一般而言，纯水切割其切口约为 0.1mm 至 1.1mm，加砂切割其切口约在 0.8mm 至 1.8mm 之间.。随着砂喷嘴内孔直径扩大其切口也就愈大。4、水刀加工切割速度快，效率高，加工成本低。且不需要进行磨边等二次加工，在切割过程中还可以减少飞尘，改善工作环境。二、水切割的形式和水切割机床的构成水切割的形式从水质上分，有纯水切割和加磨料切割；从加压方式上分，有液压加压和机械加压；从机床结构上分，有龙门式结构和悬臂式结构。一套完整的水切割设备由超高压系统、水刀切割头装置、水刀切割平台、CNC 控制器及 CAD/CAM 切割软件等组成以前，对于企业不锈钢的切割均使用干式切割，同时，为了使切割表面不至于出现氧化皮，而使用 H35(气体组成为氢气 35%、氩气 65%)作为切割气体，同时使用干式除尘的方法处理烟气，这个过程中，我们仍无法处理切割中所产生的噪声及空气中所含有的金属颗粒、切割中产生的光辐射等对操作工人和周边工作人员的影响及损害，同时给企业也带了一个重大的安全隐患(H35 为易燃易爆气体)。低碳环保与绿色切割-大厚度不锈钢水射流切割技术。随着中国制造业的产业升级，对大厚度不锈钢的数控切割需求的愈来愈多。过去，不锈钢多种重金属采用干式切割，切割过程产生镍等重金属氧化物剧毒气体，而且切割噪声异常刺耳，切割边缘氧化皮产生严重，需要进行二次加工，不仅造成二次能源浪费，对工人身体危害也较大。根据低碳环保与绿色切割的需要，切割不锈钢一定要设法消除剧毒气体、消除噪声、污染和防止氧化，避免二次加工和二次能源浪费。采用水下水射流切割技术，目前是最经济、最有效的不锈钢切割解决办法。使用等离子水下切割，一定涉及到两个核心技术和装置，一是空气幕，如图 1 所示，一是水射流切割或称水幕切割，如图 2 所示。空气幕装置是在水下切割时使用，其工作原理是通过将空气经过割炬屏蔽的外圈形成空气帘，在割枪与钢板间把水吹开，使割炬的切割嘴部分在水下形成空气幕罩着一个小的干式切割环境，其作用是在水下切割时，减少水对等离子弧的影响，减少等离子功率和切割速度的损失，提高切割速度，降低烟气、粉尘、辐射和噪声的污染。水射流装置不仅可以与空气幕配套使用在水下切割，也可以单独使用于水上切割。其工作原理是使用水经过压力泵的作用直接用于割枪内部(在保护气体管内流出)，以高压水消音器的方式把水喷射出来，减少噪声，在割枪与钢板间把空气隔绝，防止氧化。在等离子切割时，水产生气化，吸附烟气和粉尘。其作用是以高压水作为保护气，压缩等离子弧防止扩撒，防止切割表面氧化，保证切割面垂直和上下表面质量。同时，因为水能够帮助降低切割后的表面温度，使不锈钢及铝的变形系数降低。因为使用水作为保护气，替代了 H35(氩氢气体)，有效降低了切割成本及气体的危险性。不锈钢的等离子切割方法有以下几种1、干式/水面切割采用 Air/Air 作为切割气/保护气，切割成本最低，切割表面严重氧化，需要机械处理后方能使用和焊接；采用 N2/ N2 切割，切割成本上升，焊接性能提高；但以上两种方式最大问题是切割表面产生氧化物，噪声污染严重，同时产生具有很大的光污染及零件的热变形以及粉尘和金属颗粒等带来对人体的伤害等问题。采用 N2/ H35 切割(常用的一种干式切割不锈钢的方式)，切割质量最好，但切割成本最高，同时因为 H35 为易燃易爆气体而必需经过消防等特殊的验收等安全认证。对于在板材下面存在有水的时候，因为 H35 中含有氢气的原因，而会造成氢气在水中累积而遇到明火产生迅速燃烧爆炸的问题。故而干式和水面都无法满足低碳环保，绿色切割的要求。2、水下切割方法一，美国伊萨公司提供的 PT36 精细坡口割炬，可以做干式切割、水下切割和坡口切割，不用更换割炬。直接把割枪放入水下进行切割，只需将切割台换为水箱。这种方法的优点是投入成本最低，起切割气/保护气与干式切割相同，还是 N2/N2 氮气，就可实现不锈钢的水下切割，有效减少辐射、有毒气体和烟气污染，冷却零件，减少热变形。缺点或不足之处：等离子弧直接与水接触，随时受到水流的影响，切割质量（垂直度和光洁度）无法保证，因此，这种方法主要应用于不锈钢薄板切割，对表面垂直度和粗超度要求不高。不锈钢的氧化问题没有解决，切割表面氧化变黑。同时，由于水会带走等离子弧的能量，降低了切割速度和穿孔能力。方法二，在割枪上安装空气幕（Air Curtain）装置，实现水下切割。空气幕的功能是使水和离子弧分离，形成干式切割环境，减少水对离子弧的影响，从而提高了水下切割的切割速度和穿孔能力，提高了水下切割质量。同时，有效解决了噪声、污染问题，是最为绿色环保、经济有效的水下切割技术。缺点是切割表面氧化变黑问题仍然没有解决。方法三，在割枪上安装空气幕和水射流装置(WIC)，采用 N2/H2O，N2 作为起弧和切割气，水作为保护气。这是到目前为止切割不锈钢最好的方法，其优点优势非常明显：有效降低了切割成本，因为 N2成本远低于 H35 成本，水的成本又低于 N2 的成本 (水为经过软化处理的自来水即可) 。由于使用 WIC/ACA 水射流和空气幕进行水下切割，切割表面氧化区明显改变，有效防止切割面氧化。噪声明显降低。有毒气体污染、烟气、粉尘污染明显降低。切割品质明显提高，切割面非常垂直，上下边缘非常光滑平整。图 4 是 50mm 不锈钢水下水射流切割和水上干式切割的对比，由伊萨公司提供，采用了伊萨 EPP601/PT36 电源，水射流和空气幕(WIC/ACA)装置，切割表面平整光洁，上边缘角非常垂直，热影响氧化区几乎没有。水上干式切割采用伊萨 EPP600A，N2/H35/N2，切割边缘热影响区明显，需采用机械加工方式把氧化区去掉。图 4b 是 100mm 不锈钢水下水射流切割的实例。需要指出，水下切割时，等离子功率会受到水流的影响而有明显的降低，一般技术表格中的切割数据大多是水上干式切割情况下的穿孔和切割数据，水下切割时，数据平均要打一半折扣。比如 360-450A的等离子电源，都可以在干式条件切割 40mm 不锈钢，但是，在水下切割时，由于水吸收了等离子的功率，降低了切割速度和穿孔厚度，实际切割能力只有 20mm。要在水下切割 40mm 以上的不锈钢，就必须使用 600A 及以上的电源，例如伊萨 EPP601 单等离子电源，在干式切割或水上切割条件下，不锈钢穿孔切割厚度达到 70-75mm，水下水射流切割不锈钢，穿孔切割能力达到 50mm。加工材料的先进方法之一是用高压液体射流切割。美国在 1961年已获得专利。但是，在俄罗斯第一次发表这题目是在 40 年代中期。而在 80 年代末才由莫斯科金属切削机床实验科学研究所开始深入研究。1997 年的汉诺威和 1999 年的巴黎 EMO 展览会上证明，该方法有了很大发展，且在该领域中的技术进步十分显著。仅在巴黎就展出3 台大型的工作装置，它们是 Flow 公司（德国） 、Bystronic 公司（瑞士）和 Digital Control 公司（法国）的。专门从事机械冲床和激光打孔机的 Trumpf 公司（德国）亦开始在研制水射流切割装置。水射流装置可切割板料、精确直角、打小孔、开窄槽和完成位于很近的型面（其中包括非导热材料） 。切口可从制件表面的任意点开始。切口宽度较小（在水切割时为0.1mm-0.3mm，在磨料水切割时为 1mm-1.5mm） ，从而可保证节约材料，降低能耗。工艺过程具有柔性的生态洁净的特点，通常可用于完成要求快速重调设备的单件订货。水射击流切割的主要工艺参数是生产率或切割速度 V。对大多数水射流装置：V=0.001m/min-12m/min，切割精度0.1mm。表 2 列举出了 Flow 公司关于磨料水切割各种材料的速度与毛坯厚度有关的数据。表 3 中列出了 Ingersoll-Rand 公司（德国）关于水射流切割速度的数据。表 2 不同毛坯厚度的切割速度 注：工作压力 350MPa；磨料供给量 680g/