激光切割鋼板效率研究*

司立眾

（南京工程高等職業(yè)學(xué)校電子工程系，江蘇南京 211135）

激光切割是激光加工中最重要的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，它占整個(gè)激光加工市場(chǎng)的70%以上，已成為一種競(jìng)爭(zhēng)力很強(qiáng)的高新技術(shù)［1］。與線(xiàn)切割、水切割等其他切割方法相比，激光切割最顯著的特點(diǎn)是精度高、速度快、效率高。但若從有效切割時(shí)間占總時(shí)間的百分比來(lái)說(shuō)，二維激光切割有效切割時(shí)間所占的百分率并不高。如配備了NEL－2000A軸快流CO2激光器的SLCM－1225數(shù)控激光切割機(jī)，對(duì)于大多數(shù)圖形，其有效切割時(shí)間約在20% ～50%左右;可見(jiàn)，單從設(shè)備利用率來(lái)講，二維數(shù)控激光切割機(jī)效率的提升還有很大的挖掘空間。

1 二維激光切割時(shí)間分解

1.1 二維激光切割一般路徑

2010年4 月，江蘇南京舉行了第六屆中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)，會(huì)上展出了上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪、濟(jì)南捷邁、深圳大族等國(guó)內(nèi)多家知名企業(yè)生產(chǎn)的二維數(shù)控激光切割機(jī)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察，這些數(shù)控激光割機(jī)在切割過(guò)程中的路徑基本是這樣的（以上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪數(shù)控激光割機(jī)為例）:從起點(diǎn)出發(fā)空行程到第一個(gè)待切割連續(xù)曲線(xiàn)的起刀點(diǎn)（G00或G01割嘴與板面保持一定的距離，Z軸數(shù)控M16）→Z軸隨動(dòng)（M10，即采用Z浮結(jié)構(gòu)控制割嘴與板面的距離［2］）→打開(kāi)機(jī)械光閘（M12）→打開(kāi)電子光閘（M20）→出光打孔延時(shí)（M15）→有效切割（完成第一段有效切割路徑）→解除Z軸隨動(dòng)（M16）→Z軸抬升（約40 mm）→空行程到第二個(gè)待切割連續(xù)曲線(xiàn)的起刀點(diǎn)……如此循環(huán)往復(fù)，這就是二維數(shù)控激光切割的一般路徑。

1.2 激光切割時(shí)間分解

在上述所講的激光切割路徑中包含了用于去除或分離材料的切割路徑和空程路徑，顯然用于去除或分離材料的切割路徑是有效路徑，它所消耗的時(shí)間稱(chēng)為有效切割時(shí)間，而空程路徑則是無(wú)效路徑，它所消耗的時(shí)間理應(yīng)歸屬無(wú)效切割時(shí)間。當(dāng)然，除了無(wú)效路徑所消耗的時(shí)間外，切割過(guò)程中的停頓、打孔等消耗的時(shí)間，也應(yīng)歸結(jié)為無(wú)效切割時(shí)間。如M12指令在執(zhí)行時(shí)，要等待機(jī)械光閘打開(kāi)，才能執(zhí)行下一個(gè)指令，它的執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)短取決于控制機(jī)械光閘開(kāi)關(guān)的伸縮氣缸的充氣速率，這種停頓屬于指令執(zhí)行停頓，一般只有幾秒鐘;再如外光路調(diào)整、聚焦光束垂直度調(diào)整等［3］，這種停頓屬于工藝調(diào)節(jié)停頓，有時(shí)可能只需要幾分鐘（如同軸度微調(diào)），有時(shí)可能需要幾個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)的時(shí)間（當(dāng)然這種較長(zhǎng)時(shí)間的工藝調(diào)節(jié)有時(shí)也會(huì)作為故障進(jìn)行處理）。

對(duì)于一臺(tái)特定的數(shù)控激光切割機(jī)，當(dāng)使用其最大功率切割某一特定材質(zhì)（如A3板）、特定厚度（如8 mm）的鋼板時(shí)，在保證切割質(zhì)量的前提下，其有效切割速度是一定的，即對(duì)于一特定的零件，其有效切割時(shí)間是一定的。那么要想提高切割效率，縮短無(wú)效切割時(shí)間便是一條重要的途徑。當(dāng)然，在二維激光切割路徑優(yōu)化研究中，縮短XY二維平面內(nèi)空程路徑的研究成果較多［4－7］，它也是縮短無(wú)效切割時(shí)間研究的一個(gè)重要方向。但在有些情況下，當(dāng)采用某些特殊工藝處理時(shí)，有時(shí)增加X(jué)Y二維平面內(nèi)的特殊空程路徑時(shí)反而能縮短無(wú)效切割時(shí)間［8］。下面本文將通過(guò)縮短打孔時(shí)間的研究，來(lái)闡述另一種能縮短無(wú)效切割時(shí)間提高切割效率的工藝方法。

2 切割路徑起點(diǎn)打孔的工藝處理

2.1 激光器打孔時(shí)間

不管是線(xiàn)切割、水切割，還是激光切割，切割路徑起刀處打孔是必須的。激光切割可以自行打孔，且速度較快，一般在幾秒到幾十秒不等。如采用NEL－A系列激光器與SLCM－1225數(shù)控機(jī)床聯(lián)機(jī)切割8 mm厚的A3板，用占空比30%頻率為25 Hz的門(mén)脈沖打孔，在激光器出光模式和噴嘴同軸度均較理想的情況下，相對(duì)于1 500 W的打孔功率，有效打孔時(shí)間約為9～10 s。

在激光切割A(yù)3板的過(guò)程中，由于工藝的需要，為防止打孔時(shí)爆孔影響切割質(zhì)量，在打孔時(shí)需要用較低的氧氣壓力，而在切割時(shí)則采用稍高一點(diǎn)的氧氣壓力，所以每次打孔前后都需要這樣的過(guò)程:選擇氧氣（M55）→開(kāi)低壓（M50）→關(guān)低壓（M51）→開(kāi)高壓（M52）。在這一過(guò)程中，每個(gè)命令都是通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)閥的驅(qū)動(dòng)到位時(shí)間約在1～2 s，經(jīng)測(cè)試這一過(guò)程合計(jì)時(shí)間約5～6 s，與有效打孔時(shí)間合并得8 mm厚的A3板的總打孔時(shí)間約為15 s。若以有效切割時(shí)切割速度為1 500 mm/min計(jì)算，15 s可以切割出長(zhǎng)度為375 mm的割縫。

2.2 常規(guī)切割路徑

如圖1所示，為需要切割加工的機(jī)械零件平面圖，要求材質(zhì)為Q235碳鋼板，厚度8 mm，精度±0.2 mm，數(shù)量200只。

根據(jù)機(jī)械零件及備料板材的形狀和尺寸，可以畫(huà)出切割加工圖，此處僅以加工5個(gè)這樣的工件為例進(jìn)行說(shuō)明。如圖2所示，為常規(guī)排料法排出的切割加工路徑圖（為便于觀察，部分廢料區(qū)被放大）。圖中1～5處的半圓弧為引割線(xiàn)，在廢料上，A點(diǎn)為編程原點(diǎn)，也是切割加工時(shí)的起點(diǎn)，從A點(diǎn)空行程到1點(diǎn)，打孔，通過(guò)引割線(xiàn)加工第一個(gè)零件;第一個(gè)工件加工完成后，空行程到2點(diǎn)，打孔，加工第二個(gè)工件。如此依次重復(fù)空行程、打孔、引割線(xiàn)引入、切割，直至完成所有五個(gè)工件的加工。在該程序執(zhí)行過(guò)程中，共有5次打孔，合計(jì)打孔耗時(shí)75 s，折合切割行程1 875 mm，另有1到2、2到3、3到4、4到5四個(gè)空程（圖中虛線(xiàn)）。

2.3 切割路徑打孔少的工藝處理

由以上分析知，切割路徑的起刀點(diǎn)需要打孔，而打孔并不能產(chǎn)生對(duì)鋼板的有效切割，所以打孔耗時(shí)屬于一種無(wú)效耗時(shí)，若能減少打孔次數(shù)且不產(chǎn)生更多的其他無(wú)效耗時(shí)，則就能提高切割效率。能夠?qū)崿F(xiàn)少打孔的切割路徑編排方式很多，在此舉兩例來(lái)說(shuō)明少打孔切割路徑的工藝處理方法及其注意事項(xiàng)。

如圖3所示，為經(jīng)過(guò)處理的切割加工路徑圖。圖中A點(diǎn)為編程原點(diǎn)，也是切割加工時(shí)的起點(diǎn)，從A點(diǎn)空行程到1點(diǎn)，打孔，通過(guò)廢料區(qū)的粗實(shí)線(xiàn)的引割線(xiàn)引入，首先切割第一個(gè)工件的粗圓弧線(xiàn)，順著零件輪廓進(jìn)行切割，直至第一個(gè)工件的最后一條虛線(xiàn)的輪廓線(xiàn)。當(dāng)該虛線(xiàn)的輪廓線(xiàn)切割完成后，切割頭并不抬起，而是在虛線(xiàn)輪廓線(xiàn)的尾端上翹進(jìn)入廢料區(qū)，順著粗實(shí)線(xiàn)繼續(xù)上行切割，在第二個(gè)工件的同一位置引入切割第二個(gè)工件的粗圓弧線(xiàn)，如此循環(huán)，直至完成最后一個(gè)工件的切割。

與常規(guī)切割路徑相比，經(jīng)過(guò)工藝處理后的切割路徑只有1個(gè)打孔，除1點(diǎn)的引割線(xiàn)外，增加了4條無(wú)效切割線(xiàn)，去掉了介于5個(gè)工件之間的4個(gè)空程。經(jīng)計(jì)算，4條無(wú)效切割線(xiàn)（與引割線(xiàn)一樣，都可稱(chēng)為輔助切割線(xiàn)）合計(jì)總長(zhǎng)約180 mm，約耗用7.2 s切割時(shí)間。實(shí)際上，常規(guī)切割路徑中的4個(gè)空程總長(zhǎng)大約也是180 mm，按G00指令速度10 m/min計(jì)算，約耗用1 s時(shí)間，再加上多打4個(gè)孔耗時(shí)60 s，理論上常規(guī)切割要多耗時(shí)約54 s。當(dāng)然，在激光切割中的每一次打孔必含有一次切割頭的下降和抬升的過(guò)程，即含有2個(gè)Z軸行程;而在激光切割過(guò)程中，Z軸速度最慢，且每一次Z軸進(jìn)給與XY平面內(nèi)的進(jìn)給轉(zhuǎn)換都需要有減速、停頓、加速的過(guò)程，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)得SLCM－1225數(shù)控激光切割機(jī)每次打孔耗在Z軸行程和進(jìn)給轉(zhuǎn)換停頓的時(shí)間約10 s。由此可見(jiàn)，這種減少打孔的切割工藝所節(jié)約的時(shí)間遠(yuǎn)不止54 s。

再如圖4所示，將第二個(gè)工件引割線(xiàn)的起點(diǎn)放在第一個(gè)工件的割縫上，同樣處理第三、四、五個(gè)引割線(xiàn)的起點(diǎn)，這樣圖4的切割路徑基本與圖2一致，但在點(diǎn)2、3、4、5處卻不需要打孔，這樣節(jié)約切割的時(shí)間約為60 s。不過(guò)，這一工藝處理方式在Z軸行程耗時(shí)和停頓耗時(shí)方面都沒(méi)有貢獻(xiàn)，節(jié)約的時(shí)間也只有大約60 s。

3 結(jié)語(yǔ)

本文將激光切割時(shí)間分為有效切割時(shí)間與無(wú)效切割時(shí)間，并從實(shí)踐上對(duì)有效切割時(shí)間與無(wú)效切割時(shí)間進(jìn)行了合理的界定，提出了在有效切割時(shí)間不變的情況下，縮短無(wú)效切割時(shí)間是提高切割效率的主要努力方向，并指出最短路徑方面的研究只解決了無(wú)效切割時(shí)間縮短的一個(gè)方面，而縮短無(wú)效切割時(shí)間的其他方面研究也會(huì)對(duì)效率的提高作出一定的貢獻(xiàn)。

為了說(shuō)明在其他方面縮短無(wú)效切割時(shí)間從而提高切割效率的可行性，本文提出了少打孔切割工藝處理方案。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，少打孔切割是一種可行的能夠提高切割效率的方法，其切割效率提升的幅度不僅與零件圖形的自身特點(diǎn)有關(guān)，還與零件圖形的排版、切割加工的先后順序以及輔助切割線(xiàn)的添加方式等有關(guān)。本文的圖3、圖4分別給出了2種不同的少打孔切割工藝路徑圖，顯然圖3較圖4的效率提升更為顯著。當(dāng)然，并不是所有的圖形都能按照?qǐng)D3的方式來(lái)處理，而且由于4條輔助切割線(xiàn)的引入，圖3還增加了激光器的總能量輸出（經(jīng)過(guò)綜合經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算，圖3的效益還是遠(yuǎn)好于圖4）。所以，要想提高激光切割機(jī)切割效率和綜合經(jīng)濟(jì)效益，不僅要研究最短空程問(wèn)題，還要研究打孔耗時(shí)、切割停頓耗時(shí)以及Z軸行程耗時(shí)等問(wèn)題，需要拓展我們的研究范圍，為激光切割行業(yè)的發(fā)展添磚加瓦。

［1］張永強(qiáng)，陳武柱，張旭東，等.激光切割過(guò)程火花簇射行為的研究［J］.中國(guó)激光，2007，34（s1）:310－313.

［2］繆震華.激光切割機(jī)電容式Z浮的研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2005.

［3］司立眾.激光切割模切板割縫垂直度問(wèn)題研究［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，48（7）:123－128.

［4］閻啟，劉豐.工藝參數(shù)對(duì)激光切割工藝質(zhì)量的影響［J］.應(yīng)用激光，2006，26（3）:151－153.

［5］徐路寧，王霄，張永康.激光切割板材的工藝處理［J］.應(yīng)用激光，2002，22（6）:533－538.

［6］劉會(huì)霞，王霄，周明，等.共邊排樣件激光切割路徑的規(guī)劃［J］.中國(guó)激光，2004，31（10）:1269－1274.

［7］劉會(huì)霞，王霄，蔡蘭.分層實(shí)體制造激光頭切割路徑的建模與優(yōu)化［J］.中國(guó)激光，2004，31（9）:1137－1142.

［8］司立眾.激光切割鋼板Z軸全程隨動(dòng)路徑研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2011（10）:30－33.