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金属切割的方法选择需要考虑哪些因素?

作者: 郑州百维 时间:2017-08-24 来源:百维激光
摘要:切割方法的选择取决于所需切割金属的类型、厚度和数量,以及你需要的切割质量。本文讨论的是火焰切割、等离子切割、激光切割这三种常见切割方法的优点和缺点,然后解释如何选...

切割方法的选择取决于所需切割金属的类型、厚度和数量,以及你需要的切割质量。本文讨论的是火焰切割、等离子切割、激光切割这三种常见切割方法的优点和缺点,然后解释如何选择最符合你需要的那一种。

火焰切割

首先是火焰切割。大约从20世纪初开始,人们使用燃料气体和氧气来切割金属,它的原理是通过氧气和钢铁产生的化学反应来加热金属,并使其变软最后融化。最棒的是,设备本身的成本并不高。此外,你不需要压缩空气或使用电力。它的缺点在于这种方法只适合切割碳钢,火焰切割对其他类型的金属并不适用,比如不锈钢和铝。另外,火焰切割对操作者的学习能力要求很高,需要大量的练习、技巧和经验才能产生良好的切割效果。此外,火焰切割的割炬需要预先加热。像烤箱一样,割炬也需要时间才能达到合适的温度。

等离子切割

这是在20世纪50年代发明的一种高速的通过精确控制电弧来切割大多数常见金属的方法。小小的喷口和高速气体流可以产生极热的高能量密度的电弧。等离子切割和气刨需要工艺气体(比如空气或氮气),电源和耗材(包括电极和喷嘴)。在人们需要切割一系列不同种类的金属时,等离子切割是一个不错的选择。事实上,这是等离子切割的主要卖点:多功能。它可以切割大多数种类的金属(低碳钢、不锈钢、铝、铜、黄铜等),甚至是生锈的、带漆的或脏的金属。等离子还可以切割网孔状的金属。另外,在切割厚的和薄的金属时它都同样擅长。等离子切割的缺点是,它的设备成本比火焰切割更高,虽然切割质量很好而且始终稳定,但它在切割更纤薄的材料时不如激光切割。

激光切割

使用高能量的光束来加热、局部熔化、汽化金属。激光切割以切割纤薄金属质量优良著称。激光器有两种主要类型:气体(CO2)和固态(YAG、DISC和光纤)。气体激光器可以切割大多数种类的金属,但是高反光材料除外。为此,你需要使用固态激光器,它的传送方法不同,因此可以切割更多种类的材料。激光通常用于精密切割或对非常薄的钢板(规格到1/4英寸)进行高效切割。激光可以切割厚度超过一英寸的金属,不过需要一个功率更大的激光器。激光切割的缺点是最初的设备购买价格很高。如果拿激光系统与高质量的等离子系统来比较,激光系统的总成本是非常昂贵的。一个传统的CO2激光系统需要花费数十万美元。光纤激光比CO2激光便宜,但仍比等离子贵。
虽然前面的解释帮助你缩小了选择范围(例如,如果您需要切割薄的金属或任何类型的不锈钢,你可以将火焰切割从你的清单中划掉),但它们无法帮助你从商业的角度来确定哪些方法更有效。为此,你需要对每种方法能够达到的切割质量和生产率有一个更全面的了解。了解哪种方法将花费最少的钱(不仅是购买成本,还要加上操作成本),以及哪种方法将使你每小时能加工最多的工件,对保持竞争力来说是非常关键的。
让我们首先来定义切割质量。一般而言,切割质量(或它的不足)主要是基于以下属性:
·斜度,或角度。笔直的切割,没有歪斜,被认为是最好的。
·切口,或宽度。切口越窄越好。
·热影响区(HAZ)。一个较小的热影响区保护金属的完整性更好。
·切屑,产生切屑的数量。
·公差。公差要求越严格,则切割要求越精确。一般来说,激光切割每英寸产生±0.006~0.015的公差。等离子切割的公差范围为±0.015~0.030,火焰切割的公差范围为±0.020~0.030英寸。
如果你从切割产生的斜度、切口、热影响区、切屑和公差来对比三种切割方法,激光切割往往是最出色的。激光切割几乎没有斜度,切口细薄,热影响区小。此外,激光切割产生的切屑很少,并提供严格的公差。切割质量紧随激光切割其后的是等离子切割,最后是火焰切割。

生产率

切割质量是一个重要的考虑因素,生产能力同样如此。毕竟,如果你不能够达到足够的产量来满足需求,仅有好的切割质量并没有多大的意义。当人们提到生产率的时候,他们通常会想到切割速度;不过,还有其他的因素需要考虑。这些因素包括系统完成切割准备,穿透金属和完成二次操作的时间。让我们首先从考核切割速度开始。三种方法能达到的速度取决于被切割金属的厚度。通常来说,火焰切割的速度最慢,等离子切割最快,激光切割则处于中间的某个位置。
知道了每种方法的切割速度,对于计算每小时的工件产量便有了一半的信息。另外一半是每个工件需要切割的线性长度。例如,一个12×12英寸的正方形,线性长度为48英寸(12×4个边),等于4英尺。一旦有了这两个数据,你就可以很容易计算出能够切割工件的数量。
你首先要做的就是获得每分钟可以切割的英寸数量,并乘以60以确定每小时可以切割的英寸数量。在接下来的例子中,我们假设火焰切割的速度为20英寸/分钟或1200英寸/小时(20×60)。步骤2中还包括将以英寸/小时为单位的数字除以12,以确定以英尺/小时为单位的切割速度。最后,你只需简单地把英尺/小时为单位的切割速率(本实例中为100),除以工件的尺寸(4英尺)就可以了。
三种方法当中,火焰切割因为需要预热,所以需要的时间最多。

运行成本

除了切割质量和生产率,你还需要考虑每种方法的运行成本。换句话说,你选择的系统运行起来要花费多少钱?许多因素(耗材、电力、煤气和替换维修零件的成本)影响总体的运行成本。
使用等离子切割的时候,耗材在运行成本中占的比例最大。不过,更加耐用的耗材出现改变了这一状况。
对于火焰切割来说,电力成本可以忽略不计,等离子切割要高一些,光纤激光切割更高,CO2激光切割则还要高得更多。
由于需要高速流动的气流,气体费用是CO2激光切割最大的成本。
CO2激光切割主要需要考虑零件替换。虽然像透镜和反射镜这样的部件不经常改变,但当他们损坏时维修的代价是很高的,包括购买成本和停机更换它们的时间成本。因此,在你计算日常运行费用时应该包含这一部分成本的计算。
虽然火焰切割的运行成本显示低至6.26美元/小时,但它不一定是运行最经济的系统。这是因为表中所说的是每小时的运行成本(成本/小时),而不是每个工件的运行成本(成本/工件)。一个系统,每小时运行花费20美元,但只生产很少数量的工件,则没有成本为20美元/小时但生产100个工件的系统有效。
将每小时运行成本除以每小时生产工件的数量,便可以确定每个工件的运行成本。
火焰切割:生产25个工件/小时,运行成本为25美分/工件。
单一气体等离子切割:生产100个工件/小时,运行成本为11美分/工件。
高精细等离子切割:生产144个工件/小时,运行成本为10美分/工件。
光纤激光切割:生产125个工件/小时,运行成本为0.5美分/部分。
CO2激光切割:生产125个工件,运行成本为18美分/工件。
所有类型的等离子切割的单个工件运行成本是差不多的;然而,值得注意的是,高精细等离子切割可以产生更好的切割质量。

计算投资价值

什么可以帮助你发现使用哪一种不同的切割方法更有意义?你是否只要出门购买一个新的切割系统就可以了?不一定。您首先需要查证的是你正在考虑的这个特别的系统是否值得投资。要做到这一点,你需要确定每天期望生产的工件数量,并将这个数字乘以单个工件预期利润(这将取决于你使用的方法)。为了计算简单,让我们假定你生产的工件零售价格是1美元。使用光纤激光,你可以预期做一个工件将花费半美分,利润为0.995美元(1美元利润/工件-0.005美元成本/工件)。同一工件,如果使用火焰切割,你的利润约为0.75美元(1美元利润/工件-0.25美元成本/工件)。
现在,获取你正在考虑的系统的成本,并把它除以你预期的每日利润。这些系统的资产成本大约是:火焰切割50000美元,单一气体等离子切割35000美元,高精细等离子130000美元,光纤激光400000美元,CO2激光600000美元。这些资产成本是基于以下规格的设备估算的:
火焰,5×10切割机,单个割炬,计算机控制,火焰高度控制,内嵌软件。
单一气体等离子,5×10切割机,单面驱动,球形滚轴,单一气体等离子系统。
高精细等离子,5×10精密切割机,计算机控制,弧电压割炬高度控制,内嵌软件,130-A高精细等级。
光纤激光,2千瓦系统,5×10精密切割机,计算机数控,内嵌软件。
CO2激光,4千瓦系统,5×10精密切割机,计算机数控,内嵌软件。
基于此案例,您将需要生产67000个工件来抵偿用来购买一套火焰切割系统的50000美元,生产超过400000个工件以抵偿用来购买一套光纤激光系统的400000美元。请记住,我们已经设置了每个工件的零售成本为1美元,从而限制了潜在的单个工件利润,也没有包括每笔业务中的劳动成本和其他固有成本。出于这个原因,真实世界的场景一定会有很大不同。

柔性

最后需要考虑的因素是你的特别操作对柔性的需求。正如前面提到的,等离子切割被认为是三种方法当中最通用的一种,因为它能够切割各种类型和厚度的金属,除此之外还能用来标记和凿刨。企业要求更多的柔性可能是出于在一个台上使用多种技术的考虑。共同工作,火焰和等离子或等离子和光纤激光,可以提供几乎无限的组合选择。

结束语

火焰、激光、等离子切割都是不错的热加工方法,不过每种都有其优点和缺点,在选择切割方法时,应该仔细加以考虑。
如果你没有很多工件需要切割,火焰切割是一个不错的选择,而且投资最少。如果需要切割大量的工件,最好使用另外一种方法。
等离子切割在投资费用和质量、生产效率、操作成本的最优组合这两个方面,能达到一个良好的平衡。它可切割的厚度范围很大,材料种类多,而且切割速度最快。
激光切割提供了优秀的切割质量、高效生产率,如果使用光纤激光,在切割纤薄的材料时运营成本很低。虽然能够切割厚的金属(可到1174英寸),但需要切割工件的数量,金属的类型和厚度,要达到的切割质量,这些因素都需要被仔细考虑进去。

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