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管材切割工艺的方法和应用及优缺点

发布时间:  2021-10-12 15:02:59

金属管材加工的方法有很多,如:锯切、车床切割、旋转切割、剪切切割、双刀片剪切切割和管材激光切割。对于管材切割加工,没有一种方法是最好的,只有最合适的,因为行业的不同,管材加工要求也不同,不同种类的加工用不同的切割方式的同时,加工设备也不一样。


此外,管材相关产品加工的快速增长要求制造商提高产量和自动化切割操作。

使用哪种类型的切管机进行加工取决于管材加工要求:

  • 需要什么生产率?
  • 切割部分需要什么结束条件?
  • 库存材料是如何供应的——随机长度还是卷材?
  • 管材是内部生产还是由外部生产商提供?
  • 管状零件是完全在内部制造,还是会被送到另一家制造商进行精加工?

锯切

锯切是切割管材的最通用和最广泛适用的方法之一。每种锯切应用都是独一无二的,但通常锯切适用于小批量生产。

锯切时最重要的考虑因素是将正确的刀片应用于要切割的管子。在所有锯切应用中,刀片上所需的齿数取决于在切割的最大弧度上与管子接触的齿数。接触管子的齿太少会限制生产率并导致振动。过多的齿接触管会导致切屑堵塞在齿中,可能导致齿或刀片断裂。


两种类型的锯床——冷锯和带锯。

原则上,冷锯与车削和铣削相同。金属通过正斜角剪切去除。冷锯的基本刀片设计是常见的齿形,但也使用其他齿形。在厚壁管上,使用专门的斜面来破坏切屑。切削区被冷却,通过直接在切削区使用可溶性油乳液或合成油润滑,最大限度地减少锯齿软化。溢流系统可用于输送厚壁应用所需的大量冷却剂。

冷锯工艺适用于具有不同生产能力水平的各种机器。单头冷锯一次切割一根管子,尽管它可以一次切割一束小直径管子(见图 1)。多头锯床最多可以有 12 个锯头,并将管材切割成多段(见图 2)。

冷锯优点:

  • 单头冷锯相对便宜。
  • 多头锯能够实现高生产率。
  • 切割方形和矩形以及圆形。
  • 切割厚壁和轻壁材料。
  • 切割材料从低碳钢到不锈钢。
  • 特殊的单头锯可进行角度和斜切。
  • 当刀片锋利时,切割端状况良好——毛刺和变形结果最少。
  • 一些冷锯可以一次切割两个管。

冷锯缺点:

  • 可能需要进行管道清洁操作。
  • 在多头锯上,长度公差可能难以保持。
  • 在多头锯上,零件长度和锯片的转换时间可能很长,具体取决于所使用的锯头数量。
  • 在切割某些材料时需要经常重新磨锐刀片可能会降低生产率。
  • 当刀片变钝时,切割端会出现大的悬垂毛刺。
  • 只能扭曲薄壁的管材。

    图 2
    多头冷锯机最多可以有 12 个锯头并将管材切割成多块。


带锯适用于将整束管材切割成较短的长度。它可以将大管束(最大 40 x 40 英寸)大而厚的方形和矩形管切成段。没有其他方法能够如此有效地做到这一点。然而,管子在束切割过程中容易漂移,导致切割不平。圆管在切割周期中可能会旋转,因此可能需要对管束的一端进行点焊以防止圆管移动和旋转。这可能既费时又浪费。

尽管一些特殊的单头带锯可以斜切单管,但带锯在切割单管方面的用处有限。它最适合切割直径大于 5 英寸的外径和厚壁截面。

带锯优点:

  • 切割一整束管子。
  • 在特殊的单头锯上进行角度和斜切。

带锯缺点:

  • 束的一端可能需要点焊,以防止管子移动和旋转。



车床切削

车床切削适用于管材切削。标准车床已经使用了几十年。管子通过卡盘式夹紧机构进给,管子旋转,安装在滑动机构上的切割工具(刀片)将管子分开。

由于管子旋转,其长度不能超过6米。这种长度限制会降低生产速度。

另一种车床类型(旋转车床)围绕固定管旋转旋转切割头(见图 3)。最多可在旋转头上安装四把刀具。这种类型的机器可以切割零件并对其进行内外倒角。可选的适配器允许在每个零件的背面进行内部和外部倒角。

车床切削的唯一应用是圆管。通常,它用于切割轴承内衬(52100 钢)和气囊罐等部件的高强度厚壁管,以及用于汽车车轴等部件的钛和 INCOLOY® 合金等特殊材料。


车床切削优点:

  • 切割所有类型的材料 - 低碳钢和不锈钢;铝; 铜; 青铜; 和高强度低合金 (HSLA) 钢。
  • 切割一系列直径 - 0.375 到 8.00 英寸 - 和壁厚 - 0.020 到 0.500 英寸。
  • 可在一次操作中生产成品精密零件。
  • 数控机床可用。
  • 硬质合金刀具便于快速转换。
  • 切割过程使用干燥或细雾冷却剂,因此冷却剂不需要过滤系统。

车床切削缺点:

  • 全自动系统相对昂贵。
  • 周期时间相对较慢。
  • 可切割的型材仅限于圆管。
  • 使用标准车床切割方法时,管子长度需要较短。
  • 零件需要倒角以避免 ID 失真。
  • 切削刀具刀片会产生大量切屑。

旋转切割

旋转管切割在工业中已经使用了 50 多年。最初它用于铝管行业以切割空调管。随着技术的进步,其用途已扩展到所有类型的材料和产品。

旋转管切割涉及使用围绕管直径旋转的切割刀片切断圆形管(见图 4)。管子固定在支撑辊上,而旋转切割刀片(轮)在切入管子时旋转。

由于这种方法不会产生切口或碎屑,因此没有材料损失。取而代之的是,如果管材发生位移——被推向切割刀片每一侧的面。就会在管材的切割端产生一个小角度,在管材的切割端产生轻微的凸起。

这种加工的方式只适用于切割6米到7.62米的直线管。

旋转法的主要应用是制造铝制汽车空调管路、钢制汽车流体传输管路、铜制暖通空调部件,以及在一定程度上制造普通碳钢部件。

传统的旋转切割机容易扭曲管内径。已经开发了技术改进以尝试提高切割质量并减少 ID 失真。

旋切优势:

  • 切割之间没有材料损失。
  • 无明显毛刺。
  • 不产生切口或碎屑。
  • 可与开槽和倒角等二次加工集成。
  • 可以在较短的零件长度上实现高生产率。
  • 切割软材料,如铝和铜。
  • 切割卷材或直线长度。

旋切缺点:

  • 会在切割端产生金属疲劳,这可能不利于二次加工。
  • 可切割的型材仅限于圆管。
  • 管端不要切割成方形。产生轻微的外径倒角,也可能导致内部毛刺和变形
  • 切削硬质材料时,刀具寿命会缩短。

剪切切割

剪切切割方法是在 50 多年前在美国发展起来的。支撑式剪切切割机配备两部分工具——一个是固定的,一个是可移动的。每个工具部分包含一个内部冲头和一个外部模具。固定工具部分使用内部冲头支撑管材的中空内部,并使用紧密配合的外部模具支撑外部(参见图 5)。

当一段轧机长度的管材通过两个工具部分的外部模具和两个内部冲头加载到机器上时,剪切序列开始。推动器将管道推进到位于可移动工具后面的可调节止动指。停止指调整到切割长度。当管子碰到停止机构或预先设定的长度时,剪切循环开始。材料在固定工装部分和活动工装部分之间进行剪切,类似于剪刀的切割动作。

在某些设备上,活动部分先垂直移动,然后再水平移动。在其他情况下,可移动部分执行椭圆循环以完成切割。

在切割周期结束时,可移动部分返回到固定位置,与静止部分同心,下一个要切割的管子被推进。这将弹出切割段并重复该过程。

支持剪切切割优点:

  • 切割之间没有材料损失。
  • 高品质切割,无毛刺。
  • 切割所有类型的材料。
  • 短于7米的零件具有高循环率。
  • 需要重新磨锐前的长刀具寿命。
  • 切割方形和矩形以及圆形。
  • 切割轻壁和重壁管。

支持剪切的缺点:

  • 轧机长度的管子必须非常直。
  • 铣削长度管应具有最小的内径焊缝。
  • 切割质量取决于 ID 和 OD 的精确配合。

双刀片剪切切割

油管的刀片剪切已使用超过 75 年。双刀片剪切切割成功了单刀片剪切技术。双刀片的开发是为了消除在单刀片剪切切割过程中通常在管端产生的凹痕。

用这种方法,管子被夹持在夹模中。水平刀片在管壁的一部分上进行初始斜切,使垂直刀片遇到较小的阻力并刺穿管壁而不会产生凹痕(见介绍照片)。

它最适用于碳钢和合金钢,包括铁素体不锈钢。

每个管径都需要自己的一套夹紧模具。夹紧模具经过硬化和研磨以达到精确的公差。它们相对便宜,可以重新磨锐,最多可切割 300 万次。四个夹紧模具部分组装成两个部分,允许它们打开和关闭以进给和夹紧油管,并为水平和垂直刀片提供间隙。

在切割过程中,水平刀片仅去除少量材料,但这对于创建垂直刀片进入的切口区域是必要的。垂直刀片的初始穿透将段塞引导到管子内部。该弹头在刀片下方折叠并被推入管子底部。

根据壁厚和直径,端部切口可能会有一些毛刺和锋利的边缘。

双刀片剪切切割优点:

  • 切割方形和矩形以及圆形。
  • 从直管段或从卷材切割管材。
  • 可与二次操作相结合。
  • 切口呈方形且无失真。
  • 可达到 0.010 英寸的总长度公差。
  • 有快换工具。
  • 可与捆绑式装载机集成以进行大批量切割。
  • 生产速度可达每小时 7,000 次切割。

双刀片剪切切割缺点:

  • 它可以切割的材料范围限制在 0.125 到 6.50 英寸直径。和壁厚从 0.020 到 0.250 英寸。
  • 每次切割都会发生材料损失。
  • 不能切割奥氏体不锈钢、特殊合金、软铜或铝。
  • 在某些尺寸上,存在毛刺和锋利边缘。

管材激光切割

图6
材料在固定工装段和可动工装段之间进行激光剪切,类似于剪刀的剪切动作。

第一台工作激光器于 1960 年开发。到 1969 年,工业激光器已应用于各种焊接和切割操作。激光切割技术使用可产生电磁 (EM) 辐射束的电源。光束具有特定的波长,这些波长是均匀的、平行的并且彼此同相(见图 6)。

两种最广泛使用的激光系统是二氧化碳 (CO 2 ) 和悬浮在钇铝石榴石晶体 (Nd:YAG) 中的钕。

激光最常用于切割需要多个连续程序(例如钻孔、冲压、铣削、锯切和去毛刺)的复杂管材零件。激光切割可以在一台机器上使用单一工具在一次操作中完成零件的加工。可以消除连续的二次操作。激光切割不是生产一种类型的型材(例如方管)的有效方法。

此外,激光切割非常适合按需和小批量生产以及需要进行多次修改的情况。

激光切割优势:

  • 几乎可用于所有管形。
  • 适用于复杂零件。
  • 适合小批量生产。
  • 可以消除一些二次操作。
  • 切割质量很好。

激光切割缺点:

  • 与其他切割方法相比,大多数系统都相对昂贵。

  • 应认真考虑整个生产过程,包括维护和运营成本,以及减少劳动力、搬运和二次运营成本的潜在节省,以确保获得可接受的投资回报 (ROI)。

  • 不是生成一个配置文件或简单操作的有效方法。

切割技术的进步

刀片。锯片技术的不断发展正在扩大锯切应用。许多锯、剪和旋转刀片都由高强度钢制成。有些涂层是为了延长刀片寿命,保持硬度,并防止锯切过程中产生的热量软化。在某些应用中,刀片采用硬质合金刀尖以提高性能。

自动化。当今的高生产需求和对更高质量零件的需求导致了更加自动化的趋势。在一台机器上切割零件并手动将它们转移到二次加工可能不再具有成本效益。自动化材料处理设备以高速处理管材,自动将管材装载到切割或二次操作中,并将管材堆叠成箱或束。

伺服器。新支持的剪切切割机将管材装入切割机,其中伺服电机位于夹持器组件中。

一体化。在线自动化已开发用于将切割机与二次操作(如钢丝刷去毛刺和末端精加工)相结合。借助集成系统,每小时可生产超过 5,000 个成品管状零件。


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