一种数控火焰切割钢板零件尺寸的热膨胀量控制方法与流程

本发明属于数控火焰切割技术领域，具体涉及一种控制方法简单、切割零件尺寸偏差小且稳定、切割效率高的数控火焰切割钢板零件尺寸的热膨胀量控制方法。

背景技术：

火焰切割（flamecutting）利用乙炔、丙烷、天然气等可燃性气体燃烧产生的高温来切割钢板的粗加工方法。在钢板火焰切割领域，随着科学技术的发展，高精度、易控制、高效率的半自动火焰切割和数控火焰切割得到了广泛的应用。

但在实际的数控火焰切割过程中，切割燃点温度达1100～1150℃，整张钢板上切割零件有先有后。刚切割时钢板的温度接近室温，但零件的切割速度很快，尤其当零件不是很大时，一个零件切割完成时整块钢板还未来得及升温、热膨胀；或者虽然有局部的升温，但膨胀收到周围室温状态钢板的约束，此时切割的零件尺寸比较精确。随着切割零件的增多，热量的不断输入，钢板温度不断升高，热膨胀量也不断增大。如果不给割缝补偿k增加一定的单侧热膨胀补偿量△t，那么再切割的零件冷却至室温测得的尺寸与第一件切割零件测得的尺寸就会有尺寸偏差，且偏差随着钢板热膨胀量的增大而增大，直至趋于平衡（即切割的热输入与钢板的散热达到一个基本平衡）。这是由于钢板在不同温度下产生的热膨胀量不同，导致了钢板的体积变化，而对割缝补偿k不加以修正（增加热膨胀补偿量△t），则切割轨迹就不会变化，那么切割的零件冷却后体积就会缩小，尺寸当然就会变小。

此外，在切割过程中，由于对钢板不均匀的加热和冷却，材料内部应力的作用将使被切割的零件发生不同程度的弯曲或移位——即热变形，具体表现是形状扭曲和切割尺寸偏差。

目前，对于数控火焰切割过程中的热膨胀量导致的尺寸偏差，一般根据经验在割缝补偿k上增加一定的热膨胀补偿量△t，并没有可行的理论指导。由于各人的经验局限，热膨胀补偿量△t的取值往往导致切割后的零件尺寸偏差较大且不稳定，一般需要多次试切并调整后才能达到预定的精度，不仅切割效率低，而且试切成本较高，对于小批量、高价值板材也不允许多次试切，极大的制约了数控火焰切割的尺寸精度和生产效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种控制方法简单、切割零件尺寸偏差小且稳定、切割效率高的数控火焰切割钢板零件尺寸的热膨胀量控制方法。

本发明目的是这样实现的：包括计算长短径比、计算切割温差、计算热膨胀补偿量步骤，具体包括：

a、计算长短径比：根据预切割成型的零件尺寸，计算零件的长短径比；

b、计算切割温差：根据钢板的厚度及零件的大小、形状，预估切割时零件对应钢板的平均温度t1，然后计算温度差δt=t1-室温；

c、计算热膨胀补偿量：根据零件的长短径比，将长短径比为1.0～1.3的零件割缝补偿k增加单侧热膨胀补偿量△t，将长短径比不小于1.2～1.3的零件短径方向割缝补偿k1增加单侧热膨胀补偿量△t1，而零件长径方向割缝补偿k2增加单侧热膨胀补偿量△t2。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明通过对切割零件的温升预估及长短径比的计算，根据零件的长短径比分类增加因热膨胀对割缝的补偿量，从而减少乃至消除数控火焰切割时热膨胀对切割零件尺寸的不良影响。

2、本发明根据零件的长短径比及切割时的温升，建立了行之有效的火焰切割钢板零件割缝的热膨胀补偿量机制和方法，不仅摆脱了传统依靠操作人员经验进行补偿存在的经验局限，切割后的零件尺寸精度高且稳定可靠；而且能够有效减少乃至取消传统的试切，从而能提高数控火焰切割的效率和减低成本。

3、本发明还在切割时根据切割的零件形状及材料条件，分别采取预留余料、开割切口形状、切割方式及对零件对应板材进行固定等不同方式，从而控制板材在切割时因热膨胀导致的位移和变形，达到提高切割后零件尺寸精度的目的。

因此，本发明具有控制方法简单、切割零件尺寸偏差小且稳定、切割效率高的特点。

附图说明

图1为本发明之实施例钢板配料示意图；

图2为本发明之“z”形曲线入口示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，依据本发明的教导所作的任何变更或替换，均属于本发明的保护范围。

本发明包括计算长短径比、计算切割温差、计算热膨胀补偿量步骤，具体包括：

a、计算长短径比：根据预切割成型的零件尺寸，计算零件的长短径比；

b、计算切割温差：根据钢板的厚度及零件的大小、形状，预估切割时零件对应钢板的平均温度t1，然后计算温度差δt=t1-室温；

c、计算热膨胀补偿量：根据零件的长短径比，将长短径比为1.0～1.3的零件割缝补偿k增加单侧热膨胀补偿量△t，将长短径比不小于1.2～1.3的零件短径方向割缝补偿k1增加单侧热膨胀补偿量△t1，而零件长径方向割缝补偿k2增加单侧热膨胀补偿量△t2。

所述c步骤中单侧热膨胀补偿量△t、△t1和△t2为：

单侧热膨胀补偿量=温度差δt×材料热膨胀系数α×零件对应的长度l。

所述c步骤中长短径比不小于1.2～1.3的零件短径方向割缝补偿k1增加单侧热膨胀补偿量△t1，同时长径方向的热膨胀补偿量△t2与短径方向的热膨胀补偿量△t1的总差值2×（△t2-△t1）直接在数控切割程序上增加。

如图2所示，所述数控火焰切割钢板零件时自钢板的余料部分开始起割，或不能在余料起割时，则从钢板边缘切割并在边缘切割一个“z”形曲线入口。

所述数控火焰切割长短径比大于2～3的长条形钢板零件时，钢板排料在长度方向一端预留2～20mm的余料5～10mm宽的割缝。

本发明中钢板厚度不大于100mm时排料在长度方向单边预留余料宽度为2～10mm，钢板厚度在100～150mm时排料在长度方向单边预留余料宽度为10～20mm。

本发明中钢板厚度不大于100mm时从预留的余料处开起穿孔进行切割。

本发明中钢板厚度在100～150mm时直接在预留的余料端开起穿孔或在预留的余料上钻孔，从钻孔位置起割沿宽度方向切割到钢板另一端预留的余料处后停止切割并冷却10～30min后再切割宽度方向。

本发明中数控火焰切割钢板上零件的长度方向时，沿零件长度方向的割缝至少设置有一段以连接两侧零件的“桥连”。

所述数控火焰切割钢板零件前在预切割的零件对应钢板位置上用压铁或压杆压紧固定。

实施例

制作4台85吨钢包的钢板以常规数控火焰切割进行下料，如图1所示的钢板零件排料，在未将热膨胀量△t加入割缝补偿k时，由于零部件尺寸较小、数量较大、排料密集，切割时热量大量输入钢板，图中虚线部分由于热膨胀导致零部件冷却后出现尺寸偏差。具体参数如下：

下料部分重量为：139.31吨，下料合格率按：95%，板材平均价格：5000元/吨，人工工资：332元/天/人，日常消耗：120元/吨，废钢价：2500元/吨。

造成的损失计算如下：

尺寸不符重量：139.31吨×5%=6.96吨，

人工工资：332×6.96×2=2312元，

日常消耗：120×6.96×2=1670.4元，

钢板价格：6.96×5000=34800元，

废钢价值：6.96×2500=17400元，

合计费用：2312+1670.4+34800-17400=21382.4元，

综上述计算：4台85吨钢包板材下料合格率95%，如不实施有效控制热膨胀量措施，可能造成损失：21382.4元。

对图1所示的零件割缝补偿k考虑热膨胀量的影响，分别增加单侧热膨胀补偿量，具体过程如下：

s100：根据不同预切割成型的零件尺寸，计算零件的长短径比；

s200：根据钢板的厚度及零件的大小、形状、配料密度，分别预估不同零件在切割时的平均温度t1，然后计算零件的温度差δt=t1-20；

s300：根据零件的长短径比，将长短径比为1.0～1.3的零件割缝补偿k增加单侧热膨胀补偿量△t，将长短径比不小于1.2～1.3的零件短径方向割缝补偿k1增加单侧热膨胀补偿量△t1，同时长径方向的热膨胀补偿量△t2与短径方向的热膨胀补偿量△t1的总差值2×（△t2-△t1）直接在切割程序上增加。

通过上述计算并增加不同零件割缝补偿k的单侧热膨胀补偿量，切割后的各零件冷却后尺寸偏差均在允许范围内，没有出现超差废品，相应可节约成本21382.4元。