激光切割及編程工藝

1、激光切割及編程工藝摘 要： 激光切割技術(shù)已在薄板下料中得到廣泛應(yīng)用 ，如何更好地提高材料的利用率 ，降低使用成本 ，是各企業(yè)面臨的普遍問題。本文詳細(xì)分析了激光切割特點(diǎn)和原則，提出利用工件的公用邊、零搭邊排樣技術(shù)優(yōu)化切割路徑來減少?gòu)U料 ，提高材料利用率的工藝方法。文章結(jié)合天津電力機(jī)車調(diào)車機(jī)項(xiàng)目下料中激光切割的應(yīng)用，進(jìn)行了激光板材切割技術(shù)的工藝研究 ，結(jié)果表明 ，通過優(yōu)化激光切割工藝，材料利用率可提高 3% 25%，切割長(zhǎng)度可減少 10% 左右。關(guān)鍵詞：激光切割 ；公用邊 ；零搭邊 ；材料利用率1、 激光切割的介紹激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或

2、達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類。1）激光汽化切割利用高能量密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到材料的沸點(diǎn)，材料開始汽化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時(shí)，在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大，所以激光汽化切割時(shí)需要很大的功率和功率密度。激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料（如紙、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。2）激光熔化切割激光熔化切割時(shí)，用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化

3、性氣體（Ar、He、N等），依靠氣體的強(qiáng)大壓力使液態(tài)金屬排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。3）激光氧氣切割激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預(yù)熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用，發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應(yīng)區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應(yīng)產(chǎn)生了大量的熱，所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧氣切割主

4、要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。4）激光劃片與控制斷裂激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進(jìn)行掃描，使材料受熱蒸發(fā)出一條小槽，然后施加一定的壓力，脆性材料就會(huì)沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關(guān)激光器和CO2激光器。控制斷裂是利用激光刻槽時(shí)所產(chǎn)生的陡峭的溫度分布，在脆性材料中產(chǎn)生局部熱應(yīng)力，使材料沿小槽斷開。激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，與其他加工方式比較 ，激光切割一次性投入成本大 ，但是切割速度快、成型精度高、切割后斷面光滑對(duì)材料無損傷且適用于多種材料的切割。激光切割在薄板成型時(shí) ，通過對(duì)程序的調(diào)整 ，可實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的三維工件上進(jìn)行開孔、切

5、割動(dòng)作 ，用其替代復(fù)雜的沖孔、切割模具 ，能明顯降低生產(chǎn)制造成本及縮短生產(chǎn)周期因此 ，目前激光切割已廣泛地應(yīng)用于城市軌道車輛制造、汽車工業(yè)制造及航空等行業(yè)中。在天津電力機(jī)車的備料生產(chǎn)中 ，板厚 16mm 以下的碳鋼、不銹鋼材質(zhì)的形件用料和板件用料都是由激光切割完成。在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)考慮如何優(yōu)化激光切割工藝 ，提高生產(chǎn)過程中板材利用率 ，縮短切割延米長(zhǎng)度 ，從而實(shí)現(xiàn)提高工件質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本。經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐探索，激光切割路徑的優(yōu)化和工件的公用邊排樣技術(shù)是激光切割減少?gòu)U料的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。2、 激光切割技術(shù)的難點(diǎn)分析及工藝要求2.1 難點(diǎn)分析激光切割過程中切割路徑的選擇是激光切割中一大難點(diǎn) ，它直接

6、影響切割后工件質(zhì)量及生產(chǎn)效率。首先 ，切割路徑排序直接決定激光器行走的路線 ，切割路線過于集中時(shí) ，熱輸入量大造成板材變形 ，影響切割后工件尺寸精度 ，切割路線跳躍性大 ，切割時(shí)間明顯增大 ，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)考慮工件尺寸技術(shù)要求及切割時(shí)間 ，制定合理的切割路徑。其次 ，激光切割過程中同種板厚、同種材質(zhì)的同種零件組合、異種零件嵌套的公用邊搭邊組合 ，單個(gè)零件之間的間隙 5mm 時(shí) ，切割順序是否合理直接影響著激光切割設(shè)備能否正常運(yùn)行和切割后工件的尺寸精度。切割順序不當(dāng) ，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成激光切割設(shè)備故障。標(biāo)記線和切割線不正確交替 ，往往導(dǎo)致切件成刻件 ，刻孔成開孔 ，使切割工作無法進(jìn)行。2.2 切割技

7、術(shù)的工藝要求2.2.1 起火線位置激光切割工件時(shí) ，無論內(nèi)外輪廓 ，起火時(shí)應(yīng)盡可能選擇直線段起火 ，以確?；【€的曲率和準(zhǔn)確率。當(dāng)內(nèi)外輪廓皆為圓孔或其它不規(guī)則曲線時(shí) ，則選擇相對(duì)無用邊起火 ，以保證必用邊外形形狀及尺寸。2.2.2 單個(gè)工件激光切割加工順序首先 ，加工各單個(gè)工件內(nèi)部的切割線 ，最后加工單個(gè)工件的外輪廓。先加工單個(gè)工件外輪廓 ，由于板材內(nèi)應(yīng)力釋放后工件變形 ，工件脫離托料板發(fā)生移位 ，造成工件內(nèi)部加工尺寸產(chǎn)生偏差。對(duì)加工工件進(jìn)行公用邊處理時(shí) ，應(yīng)根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ，選擇合理的位置進(jìn)行處理 ，并將公用邊作為內(nèi)部切割線進(jìn)行處理。2.2.3 跳躍式切割進(jìn)行激光切割時(shí) ，若工件內(nèi)部加工位

8、置比較密集時(shí) ，若按順序進(jìn)行切割 ，會(huì)造成工件局部如熱輸入量過大 ，造成工件變形從而影響加工工件的尺寸精度 ，這種情況下 ，為避免造成工件尺寸偏差 ，采用跳躍式切割路線。三、 激光切割技術(shù)優(yōu)化3.1 公用邊激光切割工藝 3.1.1 工藝方法介紹公用邊切割是指在原始板材范圍內(nèi) ，將外輪廓規(guī)則的工件通過公用線條的方式組合成一個(gè)復(fù)雜的單個(gè)工件的切割路徑優(yōu)化方法 ，其中公用線條稱為公用邊。首先 ，將通過公用邊連接而成的復(fù)雜工件外輪廓連接成封閉線 ，然后工件原始的內(nèi)部輪廓線連接成封閉線 ，將公用邊作為標(biāo)記線處理 ，最后 ，為這個(gè)復(fù)雜工件制定合理的切割路線 ，生成激光切割程序。公用邊切割是將整個(gè)板件看成一

9、個(gè)復(fù)雜的零件進(jìn)行編輯 ，切割效率高 ，有效節(jié)約板材。但在編程前的圖形處理的工作量較大 ，在路徑優(yōu)化上需要進(jìn)行繁瑣的順序研究 ，在圖形上進(jìn)行手動(dòng)路徑修改，正確更改線條的參數(shù)，按照修改后的切割路線 ，生成激光切割程序。3.1.2 公用邊切割技術(shù)的應(yīng)用天津電力機(jī)車調(diào)車機(jī)底架組成上的筋板如圖 1 所示 ，該工件用量較大。在該工件的切割過程中 ，進(jìn)行了同種零件公用邊組合的激光切割工藝實(shí)踐。圖1調(diào)車機(jī)底架筋板 正常排料方式與公用邊排料方式的比較 為了確定合理的切割工藝 ，在生產(chǎn)過程中 ，對(duì)此工件采用了正常的排料方式和公用邊排料方式，通過實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行對(duì)比。在該零件切割試驗(yàn)中 ，選取兩塊 600mm450mm

10、 的板料 ，在上面采用不同的排料方式 ，正常激光切割工件的排料方式見圖 a ；公用邊排料方式見圖 b。經(jīng)過計(jì)算后得出表 1 中現(xiàn)實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖2表1.不同排料方式的比較 按表 1 可見 ，對(duì)于此試驗(yàn) ，相同面積原材料 ，采用公用邊切割獲得工件數(shù)量是正常排料方式切割的 1.5 倍 ，采用公用邊與正常排料方式切割同樣數(shù)量的工件 ，激光器行走路徑減少2m。可見 ，公用邊切割工藝能提高生產(chǎn)效率及原材料利用率。3.2 零搭邊激光切割工藝所謂零搭邊切割，是指激光切割時(shí)不考慮切割工件外邊緣，直接將板材的外邊緣當(dāng)做工件外邊緣使用 ，進(jìn)而減少切割中對(duì)板材的浪費(fèi)的一種切割方式。圖 3 為天津電力機(jī)車調(diào)車機(jī)底架裝配時(shí)使用的支撐梁，工件尺寸與板材相符，因此在切割過程中，理論上只設(shè)定切割工件內(nèi)部的長(zhǎng)孔及直線段，而不切割外邊緣，長(zhǎng)孔切割完畢后，工件也就成形。但是由于實(shí)際上編程能力限制，這