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平衡阀过流曲线

浏览次数:1570发布日期:2013-11-02

                    自动流量平衡阀过流曲线激光切割工艺

1引言自动流量平衡阀属于自力式流量控制阀,利用管路内的自身压力控制内部高精度弹簧的变形量,带动端帽运动来改变总体通流面积,使通过阀门的流量保持动态恒定,能有效地解决复杂管网的流量失调,自动保证管网的安
        1 引言
        自动流量平衡阀属于自力式流量控制阀,利用管路内的自身压力控制内部高精度弹簧的变形量,带动端帽运动来改变总体通流面积,使通过阀门的流量保持动态恒定,能有效地解决复杂管网的流量失调,自动保证管网的安全运行,广泛应用于建筑、消防、供暖、石油和化工等系统管网。为了保证自动流量平衡阀的控制精度,需尽量提高过流曲线的加工。激光切割技术具有加工精度高、切缝不变形、切口无毛刺、切割速度快且不受加工形状限制等优点,可以很好地完成对过流曲线的切割。
        影响激光切割质量的因素较为复杂,激光功率、切割速度、焦点位置、光束模式、工件本身特性、辅助气体种类和压力是其中7个zui重要的因素。自动流量平衡阀过流曲线激光切割属于薄壁管材上的空间曲线切割,虽然针对激光平面切割的工艺研究已经较为完善,但使用激光切割空间曲线与切割平面曲线不同,空间曲线切割时除了要保证正确的切割轨迹,还要注意选择合理的加工参数,尤其是切割薄壁管材时,管材在厚度方向上是一个封闭结构,使得管材的散热条件较为复杂,而且壁厚较薄,切割所得的空间曲线易产生热变形。如何选择合理的加工参数以提高其切割质量就成为加工时的主要问题。本文以切缝宽度、切口表面粗糙度和熔渣量作为衡量指标,利用Nd:YAG激光器研究输出电流、扫描速度、焦点位置、辅助气体种类和压力对自动流量平衡阀过流曲线切割质量的影响,以切割出高质量的过流曲线。
        2 实验方法与设备
        实验采用壁厚为1mm,直径为20mm,材质为1Cr18Ni9Ti的不锈钢圆管,切割系统如图1所示。其中工作台由水平移动轴x轴、y轴和转动轴z轴组成,当进行过流曲线的切割时,由x轴的平移和z轴的转动完成工件相对激光束的移动,按照要求在圆管上切割出过流曲线。实验设备采用JHM-1GY-500型多功能激光加工机,波长为1.06Lm,脉冲频率为1~200Hz连续可调,脉冲宽度为0.1~20.0ms连续可调,脉冲工作电流为100~450A,激光器输出的zui大单脉冲能量为90J,切割聚焦镜焦距为75mm,聚焦后光斑直径为0.15mm。

图1 激光切割系统示意图

        3 实验结果与分析
        3.1 辅助气体种类及压力对切割质量的影响
        激光切割时辅助气体与激光束同轴由喷嘴喷出,保护透镜免受污染并吹走激光切割区域的熔渣,使切割过程持续顺利进行,并有利于提高工件对激光的吸收率。激光切割不锈钢圆管时若采用氮气作辅助气体,切缝窄,切口表面粗糙度小,切口白亮,无烧边现象,但所需激光功率较高,切割速度明显降低。若采用氧气作为辅助气体,切割时切口区在高温下发生氧化放热反应,使切割过程加速,从而提高了切割能力。另一方面,奥氏体不锈钢中铬、镍等元素使得熔化层氧化不完全,与工件之间有较大的黏附力,易在切口的下沿留有熔化残渣。
        为获得氧气压力对过流曲线切割质量的影响,选择输出电流为17,脉冲宽度为0.3ms,脉冲频率为70Hz,扫描速度为40mm/s,焦点位于圆管表面,调整氧气压力进行切割实验,测量结果见表1,氧气压力对切缝宽度和切口表面粗糙度的影响如图2所示。另外,实验中为了更好地反映各因素对切口表面粗糙度的影响,取切割后工件下表面约1/3处的粗糙度值作为评价标准。

表1 氧气压力对切割质量的影响


图2 切缝宽度和切口表面粗糙随氧气压力的变化

        从图2可以看出,切缝宽度随氧气压力的增大而增大,并趋于稳定,切口表面粗糙度先减小后增大。这是因为氧气压力较低时,熔融材料氧化不完全,与工件之间有较大的黏附力,不易完全从切口吹除,切口表面粗糙度较大。随着氧气压力的增大,材料氧化放热反应越剧烈,熔融的材料越多,切缝宽度变大,同时熔融材料氧化程度提高,氧气流速度提高,熔渣排出越彻底,切口表面粗糙度逐渐降低。随着氧气压力继续增大,高的气流速度对激光作用区冷却效应增强,使切口区吸收的有效热量渐渐恒定,切缝宽度趋于稳定,当氧气压力超过一定值时,容易在工件表面形成涡流,削弱了气流去除熔融材料的作用,切口表面粗糙度逐渐增大。
        另外,当输出电流和扫描速度一定时,适当增加氧气压力,可使得切割速度增加,但达到一定数值后,继续增加氧气压力除增强气流对加工区的冷却效应外,还可能对激光作用区产生干扰,造成切割前沿扰动层不稳定,导致切割速度下降。而且氧气中的杂质也会对切割质量造成不良影响,为了获得良好的切口质量,激光切割过程中宜使用适当压力的高纯度氧气。
        3.2 输出电流对切割质量的影响
        实验中脉冲宽度为0.3ms,脉冲频率为70Hz,扫描速度为40mm/s,氧气压力为1.0MPa,焦点位于圆管表面,调整输出电流进行切割实验,测量结果见表2,输出电流对切缝宽度和切口表面粗糙度的影响如图3所示。
表2 输出电流对切割质量的影响


图3 切缝宽度和切口表面粗糙度随输出电流的变化

        从图3可以看出,随着输出电流的提高,切缝宽度明显增大,切口表面粗糙度逐渐减小,并趋于稳定。这是因为输出电流较小时,激光束提供的能量不足以使材料快速熔化,切缝宽度较小,材料无法完全熔化,熔融材料没有被高速的氧气完全排出,造成部分熔融金属黏附在切口表面,切口表面粗糙度较大。随着输出电流的提高,单位时间内熔融的材料更多,切缝宽度增大,材料熔融程度提高,产生的熔渣被高速的氧气流排出越彻底,切口表面粗糙度逐渐减小,当输出电流增大到一定值时,熔渣被彻底排出,切口表面粗糙度趋于稳定。
        输出电流与扫描速度在很大程度上决定了输入到工件上的能量,输出电流即输出功率一定时,脉冲激光切割存在一个极限速度,当扫描速度大于这个极限值时,将出现无法连续切断的现象,切割就变成打孔。在其他条件不变时,增大输出电流,切割速度范围也随之扩大,提高了切割质量的稳定性和加工效率。
        3.3 扫描速度对切割质量的影响
        输出电流为17,脉冲宽度为0.3ms,脉冲频率为70Hz,氧气压力为1.0MPa,焦点位于圆管表面,调整扫描速度进行切割实验,测量结果见表3,扫描速度对切缝宽度和切口表面粗糙度的影响如图4所示。

表3 扫描速度对切割质量的影响


图4 切缝宽度和切口表面粗糙度随扫描速度的变化

        从图4可以看出,随着激光扫描速度的增加,切缝宽度随之减小,但变化不大,切口表面粗糙度先减小后增大。这是因为扫描速度过低时,氧化反应放出的热在切口前沿的作用时间长,切缝宽度大,切口波浪形比较严重,切割面比较粗糙。随着扫描速度的提高,激光束与材料的交互作用时间变短,热传导和扩散效应变小,切缝宽度减小,切口表面粗糙度减小,随着扫描速度的持续增大,切口前沿的熔化速度逐渐跟不上激光束的移动速度,切口出现拖线,切口表面粗糙度增加。
        扫描速度取决于激光功率密度及工件的性质等因素,在氧气压力和输出电流等工艺参数一定的情况下,有zui佳的切割速度范围。扫描速度过高,切口熔渣量大,切口表面粗糙;扫描速度过低,则工件过烧,切口宽度和材料热影响区过大。适当增加输出电流和氧气压力,可以使切割速度范围扩大。
        3.4 离焦量对切割质量的影响
        输出电流为17,脉冲宽度为0.3ms,脉冲频率为70Hz,切割速度为40mm/s,氧气压力为1.0MPa,调整焦点位置进行切割实验,测量结果见表4,离焦量对切缝宽度和切口表面粗糙度的影响如图5所示。

表4 离焦量对切割质量的影响


图5 切缝宽度和切口表面粗糙度随离焦量的变化

        从图5可以看出,随着离焦量的增大,切缝宽度先减小后增大,离焦量为-0.3mm时,切缝宽度zui小;切口表面粗糙度同样先减小后增大,离焦量为零时,切口表面粗糙度zui小。经过大量的实验,切割出图6所示的高质量过流曲线,切缝整齐、光滑,表面粗糙度低,几乎无熔渣,经测试得到切缝宽度为0.19mm,切口表面粗糙度为1.0710Lm。切割工艺参数:输出电流为17,脉冲宽度为0.3ms,脉冲频率为70Hz,扫描速度为40mm/s,氧气压力为1.0MPa,离焦量为0。

图6 采用zui佳工艺参数切割的过流曲线

        4 结论
        随着激光理论和切割工艺研究的逐步深入,机器人和自动控制技术的发展,三维激光切割技术具有十分广阔的应用前景。实验结果表明,采用Nd:YAG激光器切割自动流量时,输出电流、扫描速度、氧气压力和焦点位置直接影响着切割质量,通过分析各因素对切割质量的影响规律,选择合理的工艺参数可以切割出高质量的自动流量。经过大量的实验,得出较为理想的切割工艺参数:输出电流为17,脉冲宽度为0.3ms,脉冲频率为70Hz,扫描速度为40mm/s,氧气压力为1.0MPa,离焦量为0。

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