等离子体弧变厚度切割工艺参数控制研究

摘要

等离子体弧切割因具备切割速度快、切割面光滑、容易设定切割条件、适合自动化、无人化作业等优点,正逐步在板材切割中占据主导地位.在实际生产中存在大量变厚度工件的切割,如果在此类工件的等离子体弧切割仍然沿用切割等厚度板的方式设定工艺参数,将造成切割质量的不稳定,增加了后续处理工作的难度.等离子体弧切割是通过高温等离子体弧将工件弧柱部分的材料熔化并利用高速离子流将切渣吹除的物理过程,弧柱的功率和作用力将直接影响到切口质量.当工件的几何尺寸发生改变时,弧柱的功率和作用力应该随之而改变.弧柱功率的大小和作用力又与等离子体弧的切割电压、切割电流、压缩空气的压力和流量、电极与喷嘴的同心度、电极与喷嘴的距离、喷嘴直径的大小以及等离子体弧切割速度有关.分析和掌握上述工艺参数对等离子体弧切割质量的影响规律是合理调整等离子体弧切割工艺参数的前提和基础.该文将从两方面来讨论对等离子体弧切割工艺参数的切割质量影响规律以及调整方法.一是根据工件厚度的变化来调整等离子体弧切割速度,即改变单位体积上工件所吸收的功率.二是调整等离子体弧的切割电压或者切割电流,即改变等离子体弧的输入功率.重点研究对切割速度的调整以及实现方法.基于弧柱双区域理论,该文通过建立数学模型对等离子体弧柱特性进行了研究,讨论了在一定条件下喷嘴出口处压力、弧半径、切割电压、弧柱功率、作用力与切割电流之间的关系,为合理的调整等离子体弧工艺参数从而调整等离子体弧柱的功率提供理论依据.根据热传导的平衡方程,该文建立了等离子体弧切割热传导损失的数学模型,推导了等离子体弧切割过程中温度场分布的数学公式.将温度场公式进行变换,就可以根据工件材料的熔点求得将工件切透所需输入的功率.根据切割材料的相变,结合热传导平衡方程可以用来估算等离子体弧的最佳切割速度.现代制造系统应该能在指定的时间内满足消费者对新产品的不同要求,同时也要适应迅速发展的计算机技术.在该文中,我们研究了一种针对基于个人计算机的开放式等离子体弧切割控制系统的模块化实现方法.针对等离子体弧切割的特殊性,讨论了等离子体弧切割系统的抗干扰措施.该文的最后部分对等离子体弧切割变厚度板材进行实验研究.根据前面讨论的数控等离子体弧切割系统的技术方案组装了一套开环控制的简易切割装置.选择了几种不同厚度试件进行了大量的切割实验,分析了切割速度对各种厚度板材的切口宽度、挂渣情况、切割面割纹深度等切割质量的影响规律.实验验证,通过改变切割速度提高变厚度工件的切割质量是可行的.上述研究工作为发展变厚度板材等离子体弧切割技术,扩展等离子体弧切割技术的应用范围,为最终形成三维零件的等离子体弧加工技术提供了参考依据.

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1工程背景与课题提出

1.1.1工程背景

1.1.2课题的提出及研究意义

1.2等离子体弧切割技术概述

1.2.1等离子体弧的产生及加工机理

1.2.2等离子体弧的类型

1.2.3等离子体弧切割基本原理

1.2.4等离子体弧切割工艺参数

1.3国内外等离子体弧切割技术的研究现状

1.3.1高精度等离子体弧切割的发展

1.3.2电极和喷嘴寿命的提高

1.3.3等离子体弧切割设备的自动化、数控化

1.3.4等离子切割电源的发展

1.4本文的主要思想和主要内容

1.4.1主要思想

1.4.2主要内容

2切割等离子体弧特性研究

2.1等离子体弧柱的数学模型

2.1.1电弧相似理论

2.1.2等离子体弧柱通道的数学模型

2.1.3基本方程

2.1.4计算模型

2.2计算结果与讨论

2.2.1喷嘴直径对等离子体弧柱特性的影响

2.2.2空气流速对等离子体弧柱特性的影响

2.3本章小结

3等离子体弧切割过程温度场的分析计算

3.1等离子体弧切割数学模型

3.1.1等离子体弧切割热过程的特点

3.1.2热平衡方程的建立

3.2等离子体弧切割热过程温度场的解析计算

3.2.1工件吸收的功率

3.2.2热传导损失Qc的数值计算

3.2.3加工所需热量的计算

3.3温度场的分析

3.3.1温度场数据的可视化

3.3.2板材热物理参数对温度场的影响

3.3.3切割速度对温度场的影响

3.3.4弧柱功率对温度场的影响

3.3.5不同板材倾斜角度温度场分布的影响

3.3.6切割参数控制措施

3.4切割速度估算

3.4.1单位时间内工件的相变

3.4.2计算结果

3.5本章小结

4变厚度等离子体弧数控切割系统研究

4.1数控系统方案确定

4.2运动控制模块设计

4.2.1 6020运动控制卡工作原理

4.2.2运动控制模块的电路设计

4.2.3数控机床进给系统的计算

4.2.4步进电机速度控制的实现

4.2.5软件设计关键问题

4.3引弧控制

4.4割炬姿态角的调整

4.4.1工件厚度的检测输入

4.4.2等离子体割炬高度的控制

4.5等离子体弧切割系统的抗干扰措施

4.5.1硬件抗干扰措施

4.5.2软件抗干扰措施

4.6本章小结

5变厚度等离子体弧切割的试验研究

5.1实验总体设计

5.1.1实验装置

5.1.2实验方案

5.2实验数据及分析

5.2.1等离子体弧切割面质量评定标准

5.2.2等厚度板等速切割

5.2.3阶梯板等速切割

5.2.4斜板等速切割

5.2.5阶梯板变速切割

5.2.6倾斜板变速切割

5.3本章小结

6结论与展望

参考文献

附录硕士期间发表的学术论文

致谢

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