数控火焰与等离子切割技术在电力变压器制造领域的应用

第 如 卷第 1 1 期 2 0 0 3汪 1 1 月 要 IT B 7祀 八3阅J RA口牌 V o l 4 0 N o v e mb e rN o 112 0 0 2 S J I 到 到 数控火焰与等离子切割技术 在电力变压器制造领域的应用 高宏武 山东电力设备厂 山东 济南 2 5 0 0 2 2 摘要 论述了 数控火焰切例和等离 子切割技术在电 力变压器制造中的应用 介绍了 数控火焰切 1 1 中 各切割参 数的选择方法和防变形措施 提出了实际操作中应注意的问题 关键词 电力变压器 数拉 火焰切刻 等离子切刻 应用 中图分类号二 T M 4 0 5文献标识码 B文章编号 1 0 0 1 8 4 2 5 2 0 0 3 1 1 0 0 2 1 06 1 前言 进人2 0 世纪9 0 年代以来 计算机及电子技术的 发展 大大扩展了数控切割机床的功能 提高了切割 速度与 切割质量 现在最高切割速度可达4 8 m m i n 数控火焰切割下料的尺寸精度可达士 a 5 m m 粗糙度 可达R a 1 2 5 这个加工精度对金属结构件来讲 已经 到了无须再进行机械加工的程度 这大大提高了焊 接工作效率与焊接质量 使数控切割技术在金属及 非金属加工领域的地位得以迅速提高 并大幅度降 低了钢结构件的制造成本 在制作电力变压器的油箱 夹件 储油柜 冷却 系统等部件时 有大量钢结构件的切割下料任务 其 下料质量与效率直接影响到后序加工过程 产品外 观质量及生产周期 自我厂引进数控火焰切割机以来 该切割机在 变压器油箱 夹件等部件的下料及制造方面发挥了 巨大作用 大幅度提高了工作效率 钢结构件下料质 量 焊接质量及变压器外观质量 2 数控火焰切割参数选择方法 手动切割时必须先在钢板上放样 划线 然后按 线切割 其切割速度低 产生的热量少 切割过程中 板材的变形小 但切割断面质量差 工件的尺寸及形 位偏差大 数控切割则是直接将图形信息输人微机 割炬 按照切割指令在钢板上切割 由于钢板直接放在料 台上 无夹紧 数控切割速度快 产生的热量大 因此 切割过程中钢板与工件的变形及它们与料台三者间 的相互作用力会使钢板或工件相对于料台发生位移 或转动 从而使割炬相对于钢板的行走轨迹发生变 化 造成较大的切割误差 容易使工件尺寸超差 造 成工件报费 鉴于数控切割的以上特点 其作业过程必须合 理选择各项切割参数 并采取严格的工艺措施 以 保 证切割质量 根据我厂多年使用数控切割机的实践 经验 总结出了一套合理有效的切割工艺与切割参 数选择方法 详细内容如下 K e y w o r d s V o l t a g e t r a n sf o r m e r V o l t a g e t r a n s d u c e r R e s i s t o r d i v i d e r M e a s u r e m e n t 收稿 日期 2 0 0 3 0 9 0 3 作者简介 彭丽 1 9 7 8 女 湖北汉川市人 华中 科技大学电 气与电子工程学院硕士研究生 从事中压电子式电压 及电流互感器的研究 徐雁 1 9 6 3 女 湖北武汉人 华中 科技大学电气与电子工程学院硕士生导师 从事新型电子式互感器 及智能仪器的研究 朱铭钧 1 9 3 8 男 湖北武汉人 华中科技大学电气与电子工程学院离级工程师 研究方向为新型传感 器及互感籍 万方数据 第 4 0卷 I 必须保证切割气体有足够的纯度 首先 可燃气体和铁燃烧时所需的氧气必须具 备较高纯度 一般要求在9 9 5 以上 一些先进国家 的工业标准要求氧气纯度在9 9 7 以上 氧气纯度 每降低0 5 钢板的切割速度就要降低1 0 左右 如 果氧气纯度降低0 8 1 不仅切割速度会下降 1 5 2 0 而且割缝也会随之变宽 造成割缝下端 挂渣增多 且清理困难 另外 切割断面质量会明显 劣化 气体消耗量随之增加 火 焰切割中 常用的燃气有乙 炔 煤气 天燃气 丙烷和丙烯等 由于受资源及人们工作习惯的影响 在实际生产中 一般采用乙炔 但随着气体制造技术 与切割工艺的发展 割嘴等配套件的完善及人们环 保意识的提高 现代生产中 许多单位逐步采用丙 烷 丙烯等代替乙炔作为燃气 我厂采用以丙烷为基 体制成的 氟莱玛克斯 高能气体为燃气 使用效果 良好 2 选用适当的火焰进行切割 切割前必须根据原材料的材质与规格决定选用 火焰的种类 然后通过调整氧气和燃气的比例获得 所需火焰 切割火焰分为中性焰 即正常焰 氧化 焰 还原焰 如图1 所示 预热火焰的能量大小与切割 速度 切口 质量关系 相当 密切 随着 被切 工件厚 度 的增大和切割速度的加快 要求火烙的能量也应随 之增强 同时要考虑铁燃烧产生的热量 使预热火焰 大小与板厚 切割速度相适应 图 2后拖盘 割速度过低时 没有后拖量 工件下面割口 处的火花 束向切割方向偏移 如提高割炬的运行速度 火花束 就会向相反的方向偏移 当火花束与切割氧流平行 时 认为该切割速度正常 当切割速度过高时 火花 切割方 向 切 割 速 度慢切 荆 挂度合 适切 豁 速 度 快 圈 3 切创瑰度 束明显后偏 如图3 所示 低碳钢的切割速度可参考表1 表1 中给出了 表 1 GK 3丙烷快速创嘴的使用参傲 焰芯 还原区 外焰 焰芯 还原 区 外焰 馅芯 还原 区 外焰 画S 板厚 比 m 缝 径 预热时间八 切割速度 例刀 min 1 5 10 1 0 1 0 1 3 5 0 0 7 0 0 21 0 2 0 1 2 1 53 8 0 6 0 0 32 0 4 0 1 4 1 73 5 0 5 0 0 4月 0 6 01 71 6 1 93 0 0 4 2 0 56 0 1 0 02 刀 1 8 2 5 2 0 0 3 2 0 61 0 0 1 5 02 32 4 3 21 4 0 2 6 0 还原焰 中性焰 正常焰 图 1 切创火焰 氧化焰 在电力变压器的制造过程中 火焰切割工件厚 度一般在l 0 0 m m 以 下 使用中性焰作为预热火焰便 可以 获得较好的 切割质量 3 选择适当的切割速度 切割速度是直接影响到切割过程的稳定性和切 割断面质量的重要因素 它与钢材在氧气中的燃烧 速度是相对应的 在实际生产中 应根据所选用割嘴 的性能参数 气体种类及纯度 钢板材质及厚度等具 体条件来适当调整切割速度 在生产中 通过观察熔渣从切口喷出的特点和 切割时的后拖量 如图2 所示 调整切割速度 当切 注 该表使用条件如下 1 在侧炬前 切割氧压力为 MP 0 A M P a 丙烷压力 0 0 3 M P a 预热氧压力为0 3 M P a 0 4 M P a 2 氧气纯度X 9 9 5 3 切割方式为垂直切割 4 被切割钥材含碳A 5 0 4 5 9 0 0 G K 3 系列快速割嘴 即采用拉伐尔喷管结构的割嘴 的使用参数 4 合理调整割嘴距离被切割工件上表面的高 度 在钢板的火焰切割过程中 割嘴到被切割工件 上表面的高度是决定切割断面质量和切割速度的主 要因素之一 切割不同厚度的钢板及使用不同参数 的割嘴时 应调整相应的高度 为保证切割质量 在 整个切割过程中割嘴到被切割工件表面的高度必须 万方数据 第 1 1期 高宏武 数控火焰与等离子切割技术在电力变压器制造领域的应用 保持相对恒定 由于切割过程中 钢板的翘曲变形等 会使割嘴到工件表面的距离发生变化 从而影响切 割质量及切割过程的正常进行 比较好的方法是利 用自动调高系统来自动地保持割嘴到工件表面之间 的距离 在我厂实际工作中 一般将此值设定为 2 m m 5 m m 而且设备上配有自 动调高系统 5 正确选择切割引线的形式及位置 切割引线的形式 由于切割氧流在穿透钢板时会在钢板上相应位 置形成一个较大的凹坑 为保证工件的几何尺寸及 切割断面质量 火焰切割一般不在工件轮廓上直接 开始进行 因此从打火点到工件轮廓线间需要经过 一条路径 该路径通常称之为切割引线或引入线 引 人线的长度由被切割材料的厚度和所采用的切割方 法来确定 一般来讲 引线的长度随被切割材料厚度 的增加而加长 在我厂的变压器生产中 所切割钢板 厚度为6 m m 1 0 0 m m 引线长一般取5 m m 2 5 m m 引人线根据其形状不同可分为直引线 图4 圆 弧引线 图5 Z 形引线 图6 等不同形式 或将各种 形式的引线组合应用 口口 卜 卜 月 卜 b c 图 4直引线 在实际生产中 直引线最为常用 编程 操作都 很方便 但在切割起 终点处容易遗留一个凹痕或小 尾巴 一般用于精度要求比较低的工件切割 如果要求质量比较高的切割接点 最好使用圆 引线 d 在切割工件外形时的引线安排 在切割外形时 一般采用直引线 但不同功能的 数控切割机 所采用引线的位置可能有所不同 如图 4 a 对于是否带机器补偿功能的数控切割机均可适 用 而图4 6 4 c 对于有机器补偿功能的数控切割机 则不适用 因为图形接点不易封闭 易留下尾巴 而 且工件与钢板不易脱离 对于变压器一般零件 下料时我们多选用直引 线 但对于绕组用铁压环 法兰内孔等要求较高而且 不进行机加工的工件 下料时多选用圆弧引线 在切割较厚钢板时 因穿孔困难需进行从边缘 起点进行切割 这时可采用Z 形引线来防止热变形 我厂在制造3 7 0 M V A 电力变压器时 对上节油箱厚 度为6 0 m m 的高压侧法兰 使用了该方法下料 效果 良好 6 选择适当的割缝补偿 由于风线近似于圆柱形 在火焰切割过程中 如 果割炬按图纸标注尺寸路线运行 将会出现数值为 风线半径的偏差 为了割出正确尺寸的毛坯件 必须 对割缝加以补偿 如图7 所示 所选割缝补偿值必须 接近实际割缝宽度 否则将会造成较大的工件尺寸 误差 该参数的选取与工件的切割精度密切相关 其 数值大小主 要取决于操作人员的实际工作经验与技 术水平 在我厂的下料任务中 对于6 m m 1 0 0 m m 钢 板 一般选取割缝半径补偿值为1 m m 3 m m 图 5圆弧引线 r 一 一 一 一 一 门 圈7 创缝补偿 一工件实际尺寸 一补偿后割嘴运行尺寸 一不加补偿时切割工件尺寸R 创缝补偿半径 图B 2形引线 切割引线形式与位置的选择 a 在不影响穿孔和切割的情况下 引线应尽可 能地短 其引入方向应与切割机运行方向一致 b 若选择圆形引人线 在穿孔时 熔渣容易向 割嘴飞溅 造成割嘴堵塞 所以一般在进人圆引人线 之前加一段直引线 C 切割工件内腔时的引线安排 3 热变形控制措施 在切割过程中 钢板沿切割轨迹被加热和冷却 由于材料受热不均匀 造成内部应力不平衡 将使被 切割的工件发生不同程度的弯曲或位移 即热变形 具体表现为形状扭曲和切割工件尺寸偏差 如图8 所 示 由于材料内部应力不可能完全平衡或消除 所以 只能采取一些措施来设法减少热变形 以提高工件 万方数据 M 第 4 0卷 应 力 矛 应 飞 厂 不二 二 二二 二二二 一蔽 广 一 司热变形 切扭曲变形 图8 切创变形 一丁 件理论尺寸一割嘴运行轨迹 一 一切割后工件实际尺寸 尺寸精度 1 制定合理的切割顺序 切割工件内腔时应遵循先内后外 先小后大 先圆后方 先繁后简 交叉跳跃的原则 从而改善工 件与钢板的受热及散热情况 使切割产生的热量有 规律地从里向外传递 散发 减少应力对工件的作 用 外形的切割顺序与穿孔位置有直接关系 一般 情况下必须要进行封闭切割 除非工件尺寸与板材 尺寸接近 否则必须将工件与板材主体相连的一道 割缝放在本工件切割过程的最后进行切割 同理 前边讲述的内腔切割规则同样适用于排料 套裁 与外形切割 图9 为我厂1 1 0 k V 电力变压器上节油箱 箱盖的排料图 既较好地遵守了以上介绍有关切割 顺序的原则 而且综合考虑了防变形措施及设备的 过桥 图1 0 过桥 切川法 隔为3 0 0 m m 7 0 0 m m 工件越窄 厚度越薄 间隔越 小 相反 间隔越大 在我厂的生产过程中 拉板外形 夹件腹板 肢 板 油箱的异形长加强筋等零件下料时均使用该切 割方法 对于尺寸与形状精度要求较高的工件 一般采 用 打塞定位 t 法切割 即在切割过程中 随切割的进 行在割缝上选择合适的位置不断地打人 塞子 使 工件强制定位 以此减少热变形 打塞定位 法如图 圈 1 1 打塞定位 法 一工件理论尺寸 一割嘴运行轨迹 t 一 点一打 塞子 处 钢板 全 办 工 件 于 a 二 票一 0一必 一 之 一 一 气 户 雄 产r产 leeeees卜卜厂卜卜入 图9 箱盖下料图 一切剖软迹 一空行程 空行程问题 2 采取适当的防变形措施 较窄的板条可采取双割炬或多割炬切割法 使 工件双边同时受热 彼此平衡 能够很好地防止热 变形 在电力变压器的生产中 油箱箱沿 铁心装配 中的直拉板等零件的切割下料时经常用到该切割 法 使用效果良好 对于很长的异形件可采用 过桥 切割法 如图 1 0 所示编程时根据不同情况预留不同数量的 过 桥 这样在切割过程中 由于工件与钢板母体相 连 使工件变形程度降到最低 待工件冷却后再割 断 过桥 一般取 过桥 的宽度为1 0 m m 3 0 m m 间 1 1 所示 当切割工件尺寸与钢板尺寸接近 包括整张钢 板或使用边角料等 或切割大型工件时 随着料边与 工件的分离 由于热变形的原因 料边会迅速弯曲 当料边受到工作台反作用力的作用后 工件在切割 料台上发生位移或转动 而割炬的切割轨迹不变 因 此会使工件的尺寸误差加大口 如果在切割过程中 在 料边对工件发生作用之前及时地用手动割炬将其割 掉 就会有效地防止因料边变形而造成的尺寸误差 在我厂的电力变压器制造中 对夹件腹板 油箱 箱盖 箱底等零件的切割经常用到该切割方法 图1 2 即为我厂1 1 0 k V 电 力变压器下节油箱箱底下料图 矛一一一 户户州 甲竺一 行一 工件 钥板 b1817 f1 圈 1 2 箱底下料圈 一一排料图形 一实际切创料边 万方数据 第 日 期 高P武 数控火焰与等离子切割技术在电力变压器制造领域的应用 4 工件的特殊切割法 切割工件一般为封闭图形 但在实际生产中 也 会经常采用一些特殊的切割方法来大幅度提高工作 效率 像加强筋 支板等三角形工件的切割可采用旋 转对称切割法 如图1 3 所示 方形件可采用借用公共 边切割法 如图1 4 所示 其它一些形状的工件可采用 镜像对称切割法 如图1 5 所示 刃刃棘 一 一 图 3 旋转对称切侧法 板材 十 t 1 件 ca 14借用公共边切创法 图 1 5 镇像对称切创法 以上切割方法的优点是 穿孔次数少 有利于延长割嘴寿命 切割长度缩短 空行程缩短 可以大幅度提高 生产效率 降低人工费用 实现了公共边借用 钢板利用率高 零件制造 成本降低 缺点是工件尺寸误差较大 一般误差在l m m 2 mm 由于低磁钢板为高锰高铝合金材料 燃烧后产 生的熔渣熔化温度高 流动性差 母材的散热速度远 远低于低碳钢的散热速度 处于火焰切割下料的边 缘 所以采用数控火焰切割时工件与板材的变形很 大 而且切割表面硬化严重 在低磁钢工件的机械切 削加工中 由于该材料硬而粘的物理特性 使刀具磨 损很快 而且极易出现扎刀 粘刀等现象而造成刀具 的损坏 致使机械加工费时费力 不容易保证加工质 量 我厂在引进数控火焰切割系统的同时引进了美 国海宝公司P O WE R 1 1 0 0 等离子切割系统 并应用 于低磁钢板的切割 由于等离子切割是由压缩空气 将离子束压缩后来切割材料的 能量非常集中 对所 切割材料的热影响区域较小 切割速度快 相对于火 焰切割来讲 工件与板材的受热小 散热快 因此工 件与板材变形很小 经试验后加工件可以达到零件 精度要求 降低了切割下料与机加工难度 减少了机 加工切削量 该切割系统使用效果良 好 尤其是在 1 I O k V 电力变压器拉板的加工中效果最为明显 拉 板的材料一般选择低磁钢板2 0 M n 2 3 A 1 部分厂家选 用不锈钢l C r l 8 N i 9 T i 火焰无法切割 板厚l O m m 1 2 m m 结构为长矩形件中间开长通槽 槽宽1 2 m m 一般拉板槽的加工采用机械加工 加工周期长 费用 高 若采用手工断续切割 切割断面参差不齐 尖角 多 极易产生放电等不良现象 不能满足质量要求 用数控火焰切割变形大 校正困难 改用数控等离子 切割后 工件与板材变形很小 下料时基本不需要采 用防变形措施 下料后勿需校正便可达到要求 排料 图如图1 6 所示 薯000 00 0 0 一 0 一a 0 一0 0 一0 0 一0 O 一0 5 数控等离子切割在变压器制造中的应用 随着变压器电压等级的提高 单台容量的增大 铁心漏磁与涡流损耗也会增大 使铁心 拉板 夹件 和油箱等因涡流损耗而引起的损耗与发热量增大 这将会严重影响变压器的正常运行 为了减小它们 的不利影响 在变压器制造中采用了低磁钢板 该材 料以其低导磁性而使变压器的性能大为改善 图1 6 拉板的等离子切创 对于尚无条件引进数控等离子切割技术及设 备的生产厂家 可以借鉴文献 1 完成对拉板槽的加 工 以减少机械加工费用 6 数控火焰与等离子切割中应注意的问题 1 各种气体纯度与工作压力必须符合要求 2 排料时必须注意图形切割顺序 能够采用 合理切割顺序等工作技巧而控制变形的 就尽量不 万方数据 司理 第 4 0 卷 用 切割过桥 与 楔子定位 等方法强制性防变形 这样不仅会提高工作效率 更重要的是减小工件内 部应力 改善后序加工与焊接性能 3 当穿孔切割时 必须根据预热火焰 切割材 料的材质与 厚度等合理选择预热时间 防止飞溅堵 塞割嘴而造成回火或使风线质量变坏影响切割质 卜 弓 里 4 切割前最好将钢板进行预处理 以改善切割 条件 提高切割速度与切割质量 5 切割过程中必须密切观察切割状态 如有异 常 立即进行调整 防止回火 割嘴堵塞 工件及料边 变形等因素影响切割过程的正常进行 保证设备与 工件安全 6 有时为了 选择合理的切割顺序 会造成设备 空行程较长 此时必须把保证切割质量放在首位 不 能因追求切割速度而忽视切割路径的选择 7 对于空程中预热火焰不熄灭的切割机 在空 程中必须将割炬抬起 以减小预热火焰对钢板的烘 烤 减小钢板变形 g 应用数控等离子切割时 由于其运行速度 决 所切割材料一般较贵 切割前最好先在相同材 质 规格的废料或料边上试割一下 以免造成工件的 报废 中正在得到广泛应用 合理制订数控切割工艺可以 大幅度提高生产效率 包括下料 机加工 组装 焊接 等 降低钢结构件的制造成本 大幅度提高电力变 压器的外观质量 在我厂变压器钢结构件的数控火焰与等离子切 割下 料任务中 材料多为普通钢板Q 2 3 5 A 部分为 低磁钢板 2 0 M n 2 3 A l 所切割零件 一部分 如箱 沿 盖板 法兰 长加强筋等 暴露于变压器油箱外 部 其质量直接影响产品外观质量 一部分 如拉板 夹件等 位于变压器油箱内部 其形状与端面质量直 接影响磁力线分布 对变压器运行有较大影响 我厂 在未引进数控切割设备之前 对于一般零部件采用 手工下料 切割精度及断面质量较差 对于影响产品 外观质量和变压器油箱内部的重要零部件均进行机 加工 造成钢结构件制造周期长 产品制造成本较 高 自 我厂引进了数控切割机以来 逐步摸索出了如 上所述的一套较为完整而且行之有效的切割工艺及 防变形方法 并应用于生产过程之中 切割断面表面 粗糙度可达R a 2 5 以上 对于非配合表面的零件均不 必进行机械加工 从而改善了焊接条件 缩短了变压 器夹件 铁心 油箱的生产周期 从而缩短了整个变 压器制造周期 参考文献 7 结束语 数控火焰和等离子切割技术在变压器制造行业 1 高宏武 拉板槽加工工艺的改进明 变压器 2 0 0 2 3 9 6 4 5 4 6 A p p l i c a t i o n o f D i g i t a l C o