管材切割工艺详解：从锯切到激光切割

管材切割工艺详解：从锯切到激光切割

管材制造商使用多种方法—锯切、车床切割、旋转切割、支撑剪切、双刀片剪切和激光切割—将长管切割成较短的管段，用于最终加工。对于切割管材行业生产的广泛材料和形状，没有一种方法是最优的。此外，管材相关产品的快速增长要求制造商提高生产效率并自动化切割操作。选择哪种类型的管材切割机械取决于管材要求：需要什么样的生产速率？切割部件需要什么样的端部状态？原材料是如何供应的—随机长度还是卷料？管材是在内部生产还是由外部供应商提供？管状零件是完全在内部加工，还是将被送往其他制造商进行最后加工？

锯切

锯切是最通用和广泛采用的管材切割方法之一。每种锯切应用都是独特的，但通常来说，锯切适用于低产量生产。

锯切中最重要的考虑因素是对要切割的管材使用正确的锯片。在所有锯切应用中，锯片所需的齿数是基于最大切割弧上与管材接触的齿数。与管材接触的齿数太少会限制生产速率并引起振动。与管材接触的齿数太多会导致切屑堵塞在齿间，可能导致齿或锯片断裂。

使用两种类型的锯床—冷锯和带锯。

原则上，冷锯与车削和铣削相同。金属通过正角度剪切被去除。冷锯的基本锯片设计是常见的齿形，但也使用其他形状。对于厚壁管，使用专门的斜角来断屑。切割区域通过在切割区直接使用可溶性油乳液或合成油进行冷却，以最大限度地减少锯齿软化。冲洗系统可用于输送大量冷却液，这在厚壁应用中是必需的。

冷锯切割工艺已被应用于各种机器，具有不同的生产能力。单头冷锯一次切割一根管子，尽管它可以一次切割一捆小直径的管子（见图 1）。多头锯床可以有多达 12 个锯头，可以将管材切割成多段（见图 2）。

图 1
单头冷锯通常一次切割一根管子；但是，它可以一次切割一捆小直径的管子。

冷锯的优点：

• 单头冷锯相对便宜。
• 多头锯能够实现高生产率。
• 可切割方形和矩形形状，以及圆形。
• 可切割厚壁和薄壁材料。
• 可切割从普通钢到不锈钢的材料。
• 特殊的单头锯可进行角度和斜角切割。
• 当锯片锋利时，切割端面状况良好——产生最少的毛刺和变形。
• 可一次性切割一束小直径管。一些冷锯可以同时切割两根 1.25 英寸外径的管。

冷锯切割的缺点：

图 2
多头冷锯机可配备多达 12 个锯头，将管材切割成多段。

• 由于整个切口损失都被铣成碎屑，在包装或二次操作过程中可能会造成划痕和其他问题。
• 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，根据使用的锯头数量，更换零件长度和锯片的时间可能会很长。
• 切割某些材料时需要经常重新磨锐刀片，可能会降低生产效率。
• 当刀片变钝时，切割端会出现大的悬挂毛刺。
• 可能会使非常薄壁的管材变形。

带锯切割适用于将整捆管材切割成较短的长度。它可以将一大捆（最大 40 乘 40 英寸）的大型、厚壁方管和矩形管切割成段。没有其他方法能像这样有效地完成此任务。然而，在捆切过程中，管材有偏移的趋势，导致切割不方正。圆管在切割过程中可能会旋转，因此可能需要将捆的一端点焊以防止管材移位和旋转。这可能会耗时且造成浪费。

带锯切割在切割单根管材方面用途有限，尽管一些特殊的单头带锯可以对单根管材进行斜切。它最适合切割直径大于 5 英寸外径和厚壁截面的管材。

带锯切割的优点：

• 可切割整捆管材。
• 在特殊的单头锯上可进行角度和斜角切割。

带锯切割的缺点：

• 可能需要点焊束的一端，以防止管子移位和旋转。

车床切割

两种类型的车床切割已被改造用于管子切割。标准车床已使用多年。管子通过夹盘式夹紧机构送入，管子旋转，安装在滑动机构上的切割工具（刀具）对管子进行切割。

由于管子旋转，其长度不能超过 20 英尺。这种长度限制可能会降低生产效率。

另一种车床类型（旋转车床）使旋转切割头围绕固定的管子旋转（见图 3）。最多可以在旋转头上安装四个切割工具。这种类型的机器可以切割零件并对其进行内部和外部倒角。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。

图 3
这种车床切割机使旋转切割头围绕固定的管子旋转。它可以切割零件，然后对其进行内部和外部倒角

车床切割仅适用于圆管。通常，它用于切割高强度、厚壁管，如轴承衬套（52100 钢）和安全气囊罐，以及用于汽车车轴等部件的钛和 INCOLOY®合金等特殊材料。

车床切割的优点：

• 可切割所有材料类型——普通钢和不锈钢；铝；铜；青铜；以及高强度低合金（HSLA）钢。
• 可切割的直径范围为 0.375 至 8.00 英寸，壁厚为 0.020 至 0.500 英寸。
• 可在一次操作中生产出成品精密零件。
• 可使用数控技术。
• 硬质合金插入式刀具便于快速更换。
• 切割过程使用干式或细雾冷却剂，因此不需要冷却剂过滤系统。

车床切割的缺点：

• 全自动系统相对昂贵。
• 循环时间相对较慢。
• 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内径变形。
• 切削刀具插入件会产生大量切屑。

旋转切割

旋转管切割在行业中已使用超过 50 年。最初它被用于铝管行业切割空调管。随着技术的进步，它的使用已扩展到各种材料和产品。

旋转管切割涉及使用围绕管径旋转的切割刀片切断圆形管材（见图 4）。管材由备用滚轮固定，同时旋转切割刀片（轮）在切割管材时旋转。

图 4
管材由备用滚轮固定，同时旋转切割刀片（轮）在切割管材时旋转。

由于这种方法不产生切口或切屑，因此没有材料损失。相反，管材被挤压——朝着切割刀片两侧的表面推动。这就是为什么管材切割端会产生轻微角度的原因。一些材料被推向管材的内径，少量被推向外径，在管材切割端形成轻微凸起。

这种方法适用于切割 20 至 25 英尺长的直管段，或切割可在切割过程中展开和拉直的盘管。

旋转切割法的主要应用包括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，以及在一定程度上用于一般碳钢部件。

传统的旋转切割机往往会使管材内径变形。已经开发出技术改进来试图提高切割质量并减少内径变形。

旋转切割的优点：

• 切割间无材料损失。
• 无明显毛刺。
• 不产生切口或切屑。
• 可与开槽和倒角等二次操作集成。
• 可在短部件长度上实现高生产率。
• 可切割铝和铜等软材料。
• 可切割盘管材料或直管。

旋转切割的缺点：

• 可能在切割端产生金属疲劳，这对二次操作可能有害。
• 可切割的型材仅限于圆管。
• 管端切割不成直角。会产生轻微的外径倒角，并可能导致内部毛刺和变形。
• 切割硬质材料会缩短工具寿命。

支撑剪切切割

支撑剪切切割方法是 50 多年前在美国开发的。支撑剪切切割机配备两个工具部分——一个固定的和一个可移动的。每个工具部分包含一个内部冲头和一个外部模具。固定工具部分用内部冲头支撑管子的空心内部，用紧密贴合的外部模具支撑外部（见图 5）。

图 5
材料在固定工具部分和可移动工具部分之间被剪切，类似于剪刀的切割动作。

剪切序列开始时，一段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装入机器。推进器将管子推进到位于可移动工具后面的可调节止动器。止动器调整到切割长度。当管子碰到止动装置或预编程的长度时，剪切循环开始。材料在固定工具部分和可移动工具部分之间被剪切，类似于剪刀的切割动作。

在某些设备上，可移动部分先垂直移动，然后水平移动。在其他设备上，可移动部分执行椭圆形循环以完成切割。

在切割循环结束时，可移动部分返回到与固定部分同心的固定位置，然后推进下一根要切割的管子。这会弹出切割的段，然后重复该过程。

支撑剪切切割的优点：

• 切割之间无材料损失。
• 高质量切割，无毛刺。
• 可切割所有类型的材料。
• 对于短于 24 英寸的零件，具有高循环率。
• 需要重新磨锐之前工具寿命长。
• 可切割方形和矩形形状，以及圆形。
• 可切割薄壁和厚壁管。

支撑剪切切割的缺点：

• 原长管必须非常直。
• 原长管内径焊缝飞边应最小化。
• 切割质量取决于内径和外径的精确匹配。

双刀片剪切切割

管材的刀片剪切已使用超过 75 年。双刀片剪切切割取代了单刀片剪切技术。开发双刀片技术是为了消除单刀片剪切切割时通常在管端产生的凹痕。

使用这种方法，管材被固定在夹持模具中。水平刀片首先对管壁的一部分进行初步切割，这样垂直刀片遇到的阻力较小，可以穿透管壁而不产生凹痕（参见介绍性照片）。

它最适合用于碳钢和合金钢，包括铁素体不锈钢。

每种管径都需要其专用的夹持模具。夹持模具经过硬化和精密研磨。它们相对便宜，可以重新磨利后使用，最多可进行 300 万次切割。四个夹持模具部分组装成两个部分，允许它们开合以进给和夹紧管材，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，但这对于为垂直刀片创造切口区域是必要的。垂直刀片的初始穿透将切屑引向管内。这个切屑在刀片下方折叠，并被推出管底。

根据壁厚和直径的不同，切割端可能会有一些毛刺和锋利边缘。

双刀片剪切切割的优点：

• 可切割方形和矩形形状，以及圆形。
• 可切割直管或盘管。
• 可与二次操作集成。
• 切口方正且无变形。
• 可达到 0.010 英寸的总长度公差。
• 具有快速更换刀具功能。
• 可与捆扎装载机集成，实现高产量切割。
• 可能达到每小时 7,000 次切割的生产速率。

双刀片剪切切割的缺点：

• 可切割材料的范围限于直径 0.125 至 6.50 英寸，壁厚从 0.020 至 0.250 英寸。
• 每次切割都会造成材料损失。
• 无法切割奥氏体不锈钢、特种合金、软铜或铝。
• 在某些尺寸上，存在毛刺和锋利边缘。

激光切割

第一台工作激光器于 1960 年研发成功。到 1969 年，工业激光器已被应用于各种焊接和切割操作。激光切割技术使用一种能产生电磁（EM）辐射束的电源。该光束具有特定的波长，这些波长是均匀的、平行的，并且相互之间保持同相（见图 6）。

图 6
材料在固定工具部分和可移动工具部分之间被剪切，类似于剪刀的切割动作。

最广泛使用的两种激光系统是二氧化碳（CO2）激光器和钕掺杂钇铝石榴石晶体（Nd:YAG）激光器。

激光切割最常用于切割需要多道连续工序（如钻孔、冲孔、铣削、锯切和去毛刺）的复杂管件。激光切割能够在一台机器上，使用一种工具，在一次操作中完成零件的全部加工。可以消除连续的二次操作。激光切割不是生产单一类型轮廓（如仅方管）的高效方法。

此外，激光切割非常适合按需生产和小批量生产，以及需要多次修改的情况。

激光切割的优点：

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

激光切割的缺点：

• 与其他切割方法相比，大多数系统相对昂贵。• 应该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、处理和二次操作成本可能带来的潜在节省，以确保可接受的投资回报率（ROI）。
• 不是生产单一轮廓或简单操作的高效方法。

切割技术的进步

刀片。锯片技术的持续发展正在扩大锯切的应用范围。许多锯、剪和旋转刀片都是用高强度钢制造的。有些刀片涂有涂层，以延长刀片寿命，保持硬度，并抵抗锯切过程中产生的热量导致的软化。在某些应用中，刀片采用硬质合金刀尖以提高性能。

自动化。当今高产量的需求和对更高质量零件的需求导致了更多自动化的趋势。在一台机器上切割零件然后手动转移到二次操作可能不再具有成本效益。自动化物料处理设备以高速处理管材，自动将管材装入切割或二次操作设备，并将管材堆叠到箱中或捆扎。

伺服电机。 新型支撑剪切切割机使用带夹持装置的伺服电机将管材装入切断机。

集成。 已经开发了内联自动化技术，将切割机与二次操作（如钢丝刷去毛刺和端部精加工）集成在一起。通过集成系统，每小时可生产超过 5,000 个成品管状零件。