萬(wàn) 鵬

（中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

高碳板材是液壓支架中常用的基本型材，直接關(guān)系到相關(guān)產(chǎn)品的功能指標(biāo)和使用安全。由于鋼板本身含碳量高，極易受到加工前和加工后的應(yīng)力影響，因此產(chǎn)生較大變形，影響型材正常使用[1]。在加工過(guò)程中，因?yàn)樗矔r(shí)切削力大、切削熱量高，鋼板型材本身易產(chǎn)生熱變形且缺乏約束力，所以殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致變形。同樣的問(wèn)題在加工后依然可能發(fā)生，例如2塊鋼板進(jìn)行焊裝拼接，當(dāng)焊接瞬時(shí)高溫仍然會(huì)導(dǎo)致鋼板型材內(nèi)殘留大量的殘余應(yīng)力[2]。因此，如何有效地控制切割過(guò)程中的殘余應(yīng)力，最大限度地減少切割加工后變形，是高碳鋼板切割加工中的首要問(wèn)題?；诨鹧娴那懈罴庸し绞绞怯袆e于等離子切割的一種技術(shù)手段。因?yàn)榍懈钤砗?jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，切割加工的成本較低，所以火焰切割是鋼質(zhì)板材切割的重要加工手段。從切割原理上看，當(dāng)火焰燃燒達(dá)到3000℃以上的溫度時(shí)，就可以和純氧氣產(chǎn)生加速氧化現(xiàn)象[3]。切口和切邊處的變形主要產(chǎn)生于加速氧化瞬時(shí)高溫所產(chǎn)生的不均勻受熱。該文從鋼板切割的火焰加工原理出發(fā)，分析切割過(guò)程中的物理和力學(xué)特性，進(jìn)而通過(guò)試驗(yàn)對(duì)可能產(chǎn)生的變形進(jìn)行分析，從而確定影響變形的關(guān)鍵量，以便于加以控制。

1 鋼板切割的火焰加工原理

與一般的切割工藝相比，采用火焰加工完成的鋼板切割不僅具有更高的效率，而且加工成本低、切割精度高，可以實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的生產(chǎn)目標(biāo)?；鹧媲懈畹幕驹硎遣捎帽榈葻o(wú)污染的清潔型可燃?xì)怏w，在切割線路上燃燒并對(duì)鋼板切割部位進(jìn)行加熱；當(dāng)丙烷燃燒時(shí)會(huì)釋放大量的熱，從而導(dǎo)致鋼板局部位置的鋼材達(dá)到燃點(diǎn)；此時(shí)，從側(cè)向噴嘴兒配合噴出高純度氧氣，也可以導(dǎo)致鋼材加速氧化；鋼材燃燒不僅可以改變切割線路上的鐵質(zhì)材料屬性，而且可以釋放巨大的熱量，加速鋼材熔斷；如果鋼板的厚度不大，那么火焰加熱可以在較短時(shí)間內(nèi)完成鋼材切割。根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)純氧噴嘴兒進(jìn)行控制，得到理想的切割口，提高切割后鋼板型材的加工精度。在上述加工過(guò)程中，丙烷燃燒有預(yù)熱作用，當(dāng)其達(dá)到第一波板材燃點(diǎn)時(shí)，剩余的板材燃點(diǎn)達(dá)到所需的熱能，主要利用鋼材和純氧加速氧化自身所產(chǎn)生的熱能。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，助燃的預(yù)熱熱能不超過(guò)火焰切割總能量的30%，剩余70%的切割能量全部由鋼材純氧加速氧化提供。在火焰切割過(guò)程中，鋼鐵和純氧的化學(xué)反應(yīng)是產(chǎn)生熱能并完成切割的關(guān)鍵，這里的反應(yīng)會(huì)出現(xiàn)3種情況。第一種情況，鐵和氧氣反應(yīng)形成一氧化鐵并釋放熱量，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如公式（1）所示。

式中：Fe為火焰切割加速氧化過(guò)程中的鐵元素；O2為火焰切割加速氧化過(guò)程中的氧元素；FeO為火焰切割后形成的反應(yīng)物一氧化鐵。

根據(jù)公式（1）可知，在火焰切割過(guò)程中可能出現(xiàn)的第一種情況，就是1份的鐵和半份的氧氣反應(yīng)生成1份的一氧化鐵，并釋放280.9kJ的熱量。第二種情況，鐵和氧氣反應(yīng)形成三氧化二鐵并釋放熱量，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如公式（2）所示。

式中：Fe為火焰切割加速氧化過(guò)程中的鐵元素；O2為火焰切割加速氧化過(guò)程中的氧元素；Fe2O3為火焰切割后形成的反應(yīng)物三氧化二鐵。

根據(jù)公式（2）可知，在火焰切割過(guò)程中可能出現(xiàn)的第二種情況，就是2份的鐵和1.5份的氧氣反應(yīng)生成1份的三氧化二鐵，并釋放831.3kJ的熱量。第三種情況，鐵和氧氣反應(yīng)形成四氧化三鐵并釋放熱量，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如公式（3）所示。

式中：Fe為火焰切割加速氧化過(guò)程中的鐵元素；O2為火焰切割加速氧化過(guò)程中的氧元素；Fe3O4為火焰切割后形成的反應(yīng)物四氧化三鐵。

根據(jù)公式（3）可知，在火焰切割過(guò)程中可能出現(xiàn)的第一種情況，就是3份的鐵和2份的氧氣反應(yīng)生成1份的四氧化三鐵，并釋放1130.1kJ的熱量。

分析上述3種情況可知，在火焰切割過(guò)程中，鐵元素和純氧發(fā)生反應(yīng)，會(huì)生成3種不同的氧化物，但是每種氧化物的生成過(guò)程都會(huì)釋放熱量，滿足切割過(guò)程中的熱量需求。其中，四氧化三鐵的生成過(guò)程所產(chǎn)生的熱量最大，其次是三氧化二鐵生成所產(chǎn)生的熱量，最后是一氧化鐵。

2 鋼板切割的信息化建模和溫度場(chǎng)分析

在明確火焰切割完成鋼板型材加工的基本原理和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程后，就需要觀察這種加工方式的實(shí)際效果。如果完全進(jìn)行實(shí)體切割試驗(yàn)，就會(huì)增加更多的成本。因此，采用仿真加工的手段進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。選擇Patran有限元分析軟件，對(duì)鋼板型材、熱源、切割過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。將鋼板型材厚度設(shè)定為8mm，以滿足高碳中厚板材的特征。鋼板型材的長(zhǎng)度設(shè)定為500mm，寬度設(shè)定為300mm。通過(guò)Patran有限元分析軟件，仿真設(shè)定后的三維效果，如圖1所示。

圖1 Patran有限元分析軟件下仿真設(shè)定的鋼板型材

如圖1所示，8mm厚的鋼板型材在仿真軟件中立體化呈現(xiàn)，在仿真設(shè)定過(guò)程中一共包括10000個(gè)節(jié)點(diǎn)和8000個(gè)基本單元，這些微小的基本單元也為火焰切割過(guò)程中的仿真模擬奠定了微觀基礎(chǔ)。采用Patran有限元分析軟件模擬火焰切割的加工過(guò)程，割縫位置設(shè)定在250mm處，觀察鋼板左側(cè)邊緣（0位置）到割縫處的溫度變化，如圖2所示。

圖2 火焰切割過(guò)程中各點(diǎn)的溫度變化曲線

從圖2中的曲線變化情況可以看出，割縫位置處的溫度最高，達(dá)到2000℃。距離割縫較近的位置，溫度也很高。隨著到割縫位置的距離增加，溫度逐漸降低，在220mm位置的溫度降為0℃。從溫度的變化情況來(lái)看，從250mm的最高溫度2000℃，距離割縫位置每增加2.5mm，就會(huì)明顯下降，依次降至1800℃、1590℃、1100℃、790℃和500℃，然后下降速度更密集，在220mm處與周邊板材溫度相同。從這條曲線的變化形式中可以看出，在鋼板材料的切割過(guò)程中，火焰加工所產(chǎn)生的影響只在割縫位置及其較近的范圍內(nèi)產(chǎn)生，對(duì)于割縫位置較遠(yuǎn)處以及鋼板型材的整體影響不大。

3 鋼板切割變形試驗(yàn)與分析

在前面的研究工作中分析了火焰切割加工中的基本原理和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并通過(guò)Patran有限元分析軟件構(gòu)建了仿真系統(tǒng)。在接下來(lái)的工作中將進(jìn)一步分析經(jīng)過(guò)火焰切割后，鋼板型材產(chǎn)生的變形。主要分析面外變形、面內(nèi)旋轉(zhuǎn)變形、縱向殘余應(yīng)變3種變形特征。觀察火焰切割加工后高碳中厚鋼板型材的面外變形情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 火焰切割加工后高碳鋼板型材的面外變形

從圖3中的2組曲線的變化情況可知，在250mm的割縫位置處，高碳中厚鋼板型材會(huì)產(chǎn)生最大的面外變形，然后沿著割縫位置兩側(cè)，距離越遠(yuǎn)，面外變形越小，距離越近，面外變形越大。從2條曲線所展現(xiàn)的面外變形情況可以看出，在火焰切割的加工過(guò)程中，鋼板材料整體的外面變形呈現(xiàn)開口向上的拋物線的形狀，其中測(cè)量值變化曲線位于上方、最大變形曲線位于下方，2條曲線的形狀基本一致，并且在極值點(diǎn)的右側(cè)出現(xiàn)重疊。綜上所述，在火焰切割加工的過(guò)程中，鋼板材料整體的面外變形發(fā)生在割縫位置，割縫仍然是對(duì)鋼板材料影響最大的。其次，觀察火焰切割加工后，高碳鋼板型材的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)變形情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 火焰切割加工后高碳鋼板型材的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)變形

從圖4中曲線的變化情況可知，在300mm的位置處，高碳鋼板型材的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)變形最大，這與割縫位置是存在一定偏離的。需要指出的是，距離割縫較遠(yuǎn)的左側(cè)位置，出現(xiàn)了正向面內(nèi)旋轉(zhuǎn)變形，這與大部分是負(fù)向變形的情況有明顯區(qū)別。最后，觀察火焰切割加工后，高碳鋼板型材的縱向殘余應(yīng)變情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 火焰切割加工后高碳鋼板型材的縱向殘余應(yīng)變

從圖5中曲線的變化情況可知，火焰切割加工后的縱向殘余應(yīng)變不大，最大殘余應(yīng)變出現(xiàn)在割縫位置處，隨著距離割縫位置不斷增加，縱向殘余應(yīng)變逐漸變小，在220mm位置處的殘余應(yīng)變就基本不存在了。從縱向殘余應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)來(lái)看，因割縫在250mm處，220mm處就不存在殘余應(yīng)變，220mm～230mm的殘余應(yīng)變發(fā)生較為迅速，230mm～250mm的殘余應(yīng)變變化明顯趨緩?？傮w來(lái)看，火焰切割加工中的最大縱向殘余應(yīng)變也只有-0.004，完全處在合理的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

高碳鋼板切割加工是一項(xiàng)非常重要的機(jī)械加工技術(shù)，為液壓支架、鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域提供基本的型材需求。該文對(duì)火焰切割加工方法進(jìn)行研究，分析了火焰切割的基本原理和加工過(guò)程，證實(shí)火焰切割加工會(huì)產(chǎn)生一氧化鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵三種物質(zhì)，每種物質(zhì)的生成過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，從而輔助火焰切割過(guò)程完成。在Patran有限元分析軟件平臺(tái)中，構(gòu)建火焰切割加工的仿真環(huán)境，并對(duì)薄型鋼板切割加工后的面外變形、面內(nèi)旋轉(zhuǎn)變形、縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果顯示，割縫位置處上述3種變形都比較明顯，隨著距離割縫的位置越遠(yuǎn)，3種變形逐漸減少直至消失。