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金属切割的热力学原理及影响因素

时间:2023-06-15 理论教育 版权反馈
【摘要】:3)金属燃烧时放出的热量应足以维持切割过程的连续进行。表8-2 金属的氧气切割性能3.等离子切割等离子切割原理等离子是物质的一种状态,物质被全部电离成正、负离子。对于维持等离子体稳定性来说此法较好,但它不能通过较大的电流,切割功率受到影响。

金属切割的热力学原理及影响因素

切割也称下料,是指在划过线的原材料上把需要的坯料分离下来的工序。切割方法有机械切割和热切割两种。

1.机械切割

机械切割主要包括剪切、锯切、铣切和冲切等,其特点是在切割过程中机械力起主要作用。

(1)剪切

剪切是将剪刀压入工件中,使剪切应力超过材料的抗剪强度而达到剪断的目的。这种方法效率高、切口精度高,只要材料硬度和尺寸合适均可采用,但距切口附近2~3mm的金属有明显硬化现象。按被剪切的平面形状,可分为直线剪切和曲线剪切。

1)直线剪切。利用直线形长剪刃进行剪切的剪床有两种,分别为平口剪床和斜口剪床。

平口剪中,两直线切削刃平行,剪切过程沿切削刃长度同时进行,故剪切力大且冲击性强,适用于剪切厚而窄的条料。

斜口剪中,两直线切削刃斜交成一定角度,剪切过程沿切削刃长度逐步进行,故剪切力比平口剪在剪相同厚度的工件时要小,冲击性降低,适用于剪切薄而宽的板料。

在设备制造中,剪切直线形工件多采用龙门剪床。该剪床使用方便、送料简单、剪切速度快、精度高。

2)曲线剪切。剪切曲线的剪切机有两种,即滚剪机和振动剪床。

滚剪机由一对倾斜安装的上、下圆盘形滚刀片组成,它既能剪切曲线外形,又能剪切圆形内孔。但其缺点是剪切精度较低、剪切面质量较差,一般用于剪切质量不高的工件。

振动剪床是由一对只有数毫米长,上、下布置的短刀片组成,剪切时上刀片紧靠着固定的下刀片作往复频率较快的上、下振动,板料是依靠上刀片对下刀片的相对振动而切断的。振动剪一般用于剪切板厚小于2mm的内外曲线轮廓及成形件的切边工作,其剪切面较粗糙,剪切后需作边缘磨光处理。

(2)锯切

锯切属于切削加工,所用的设备有砂轮锯、圆盘锯等。锯切一般多用于管件和型材的切割。

2.氧气切割

氧气切割简称气割,也称火焰切割。氧气切割属于热切割,切割时需要一个预热火焰,但只有火焰并不能实现切割,关键在于还要有高速纯氧气流。氧气切割所用的工具———气割枪的结构如图8-3所示。

(1)氧气切割原理

氧气切割的整个过程分为以下四步,气割过程如图8-4所示。

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图8-3 气割枪的结构

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图8-4 气割过程

1—切口 2—割嘴 3—氧气流 4—工件 5—氧化物 6—预热火焰

1)预热。混合可燃气体(一般为乙炔与氧气)从喷嘴外围喷出,燃烧产生预热火焰,将切口处金属表层加热至燃点。

2)氧化。高纯度的高速氧气流从喷嘴中心喷射到已预热的金属上,这部分已达到燃点的金属氧化燃烧成氧化物,并放出大量的反应热。我们将氧化物也称为渣。

3)吹渣。氧化物在高温下呈液态,被高速氧气流吹走,将未氧化的金属暴露在氧气流下。(www.xing528.com)

4)前进。新暴露出来的金属主要受上面金属放出的氧化热作用而升温至燃点,继续被氧气流氧化燃烧,成渣并被吹走,直至形成切口。

(2)氧气切割条件

使氧气切割能够顺利进行的条件为:

1)金属在氧气中的燃点必须低于其熔点,这样才能保证在固态下切割,切口才能被氧气流所精确控制,达到较高的精度。

2)金属氧化物的熔点必须低于金属本身的熔点,这样才能使氧化过程不断进行。氧化物熔点相对越低,流动性越好,越有利于切割顺利进行。

3)金属燃烧时放出的热量应足以维持切割过程的连续进行。

能满足上述条件的金属主要是w(C)小于0.7%的碳素钢和绝大部分的低合金钢。高碳钢和铸铁由于金属熔点低于燃点,因此不适用于气割。各种金属的氧气切割性能见表8-2。

8-2 金属的氧气切割性能

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3.等离子切割

(1)等离子切割原理

等离子是物质的一种状态,物质被全部电离成正、负离子。等离子切割是利用高温、高速等离子焰流来熔断材料以形成切口,它属于热切割中的高温熔化切断。它不受物性限制,可切割金属也可切割非金属,但主要用于切割不锈钢、铝、铜、镍及其合金。

(2)等离子体产生方法及类型

等离子体是一种高温(18000~30000K)物质状态。等离子体产生的方法是在一个高温物体——电弧(6000~8000K)的基础上,将电弧进行三种压缩作用,使电弧变细到一定程度,就会达到全部电离的高温,从而形成所需的等离子体。这三种压缩作用分别为:

1)机械压缩。自由电弧通过缩小的喷口受到“机械压缩”作用。

2)热压缩。喷嘴中通过高速流动的冷却气体,使外层弧柱受到强烈冷却而电离度降低,甚至不能电离,故电流只能从中心通过,使电流密度增加,起到“热压缩”作用。

3)磁压缩。自由电弧可被认为是由许多条电流线组成,当电弧电流导通时,在其周围产生的磁力线使电弧直径缩小,起到“磁压缩”作用。

按照等离子喷嘴上电源接法的不同,可将等离子体分成三种,如图8-5所示。

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图8-5 三种等离子体的接线法

①非转移型。电源的两极一极接钨棒(钍钨棒或铈钨棒),另一极接喷嘴。此接法电流在等离子腔内流过而与被切工件无关,等离子体可在喷嘴外独立存在。对于维持等离子体稳定性来说此法较好,但它不能通过较大的电流,切割功率受到影响。

②转移型。电源的两极一极接钨棒,另一极接工件。此接法建立的等离子体不能离开工件独立存在,但它可以通过较大的电流以提高切割功率。从加长等离子体的长度来说转移型有利。

③混合型。电源的两极一极接钨棒,另一极分流于喷嘴和工件间,电流主要通过工件。此方法综合了上述两种方法的优点。

等离子切割所用的气体为氮或氮氢混合气体,后一种气体等离子弧功率更大,具有更高的切割厚度和速度。

为了有利于热发射,使等离子弧稳定燃烧,并减少电极烧损,电极通常采用正接法,即钨极接电源负极,被切工件接电源正极。

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