三維激光切割在一汽模具生產(chǎn)中的應(yīng)用

汪勇

三維激光切割是將激光切割技術(shù)應(yīng)用于立體工件的非接觸切割加工，激光頭的運動軌跡是一個空間的曲線。在正常情況下一套模具只能針對一種工件一道工序，而三維激光切割能針對任意工件的任意工序。

1. 三維激光切割的優(yōu)點

首先，三維激光切割柔性化程度高，在工件產(chǎn)品發(fā)生變動時，例如曲面，修邊和孔等的變化更改，只需對激光切割的脫機程序進行更改，因其使用的工裝夾具相對簡單一些，所以工裝夾具改動也方便。其次，三維激光切割相對其他切割方式，效率高、精度好、污染小、勞動強度低以及節(jié)約成本。

由于三維激光切割具有上述優(yōu)點，其廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)中，它能夠方便快捷的實現(xiàn)汽車覆蓋件的三維修邊和沖孔，也可以在一些小批量的試制中取代修邊和沖孔模具，甚至在一些量產(chǎn)車型的部分制件的修邊沖孔工序中完全由三維激光切割取代。

2. 三維激光切割機的應(yīng)用

我廠是國內(nèi)汽車覆蓋件模具生產(chǎn)的龍頭企業(yè)，目前使用的三維激光切割設(shè)備是德國Arnold公司19044ZXB龍門式激光加工系統(tǒng)（見圖1）。雖然該三維激光切割系統(tǒng)對生產(chǎn)效率提升不少，但是也存在一些影響生產(chǎn)效率和質(zhì)量的不足之處。

（1）編程 三維激光切割有示教和離線兩種。對于示教編程：首先，示教編程占用機床時間長。例如一個轎車側(cè)圍的修邊切孔編程大約需要兩天時間，此類程序編制的工作量大，勞動強度大（見圖2），且在采點編緝過程中容易出錯。其次，程序的可交換性差。對稱件（如左右翼子板）程序需重復(fù)編制。但示教編程的準(zhǔn)確性高，因為其是一步一步通過大量的點數(shù)據(jù)采集構(gòu)成的程序，所以此類程序后期改動量小，并且節(jié)約了購買編程軟件的成本，對于占用機床時間對生產(chǎn)任務(wù)不忙的企業(yè)是合適的。

圖 1

圖2 三維切割前刻線件手工標(biāo)示

圖3 插板式支架切割車門外板

對于離線編程：使用編程軟件利用工件的數(shù)控模型編程（見圖3）。這種方式的優(yōu)點很多，首先，效率高，編程速度快；其次，不占用機床，可以提前編制多個程序，方便安排生產(chǎn)；并且此類程序方便更改，對稱工件無需要重復(fù)編程。相比示教編程，不需要全尺寸的刻線件，只需要幾個刻線點（三個以上）即可。但這種編程方式準(zhǔn)確度低，后期改動大。因為離線編寫的程序在機床加工時對程序坐標(biāo)系的定位是通過實際采集刻線點的機床坐標(biāo)值與數(shù)據(jù)模型中的理論坐標(biāo)值進行比對，通過某種算法擬合程序。也就是說，它會對實際工件的偏差做出相對應(yīng)的調(diào)整，使程序的軌跡更貼近于實際工件。但是這種策略幾乎可以肯定，實際加工出來的工件會有所偏差。而數(shù)據(jù)點的采集一般設(shè)在較容易采集區(qū)域，只是根據(jù)這三個點間偏差來回移動坐標(biāo)系，難免無法顧及全部。因此，在實際生產(chǎn)中，必須對程序進行調(diào)整。

（2）工裝支架 工裝支架通常有兩種制作方式。一種是插板式的，即通過切割出對應(yīng)產(chǎn)品形狀的鋼板，彼此拼搭而成。這種方法速度快，效率高，是一種粗定位。另一種是用鋼筋（管）焊在底座上和產(chǎn)品搭接部分或使用舊件的一部分（手工切割下來），或使用樹脂塊和產(chǎn)品貼附。這種方法更貼近實際工件。三維激光切割主要面對的是拉延件，無法用銷子等孔來定位，只能靠工件的形狀來定位，而薄板件的變形量又比較大，所以生產(chǎn)中在支架上輔以磁鐵等加強定位，如圖4、圖5所示。

（3）激光切割系統(tǒng) 我廠的三維激光切割機床使用的是二氧化碳板條式激光器，激光發(fā)生器發(fā)出的激光需要經(jīng)過由設(shè)在機床各自軸上的反射鏡片組成的光路系統(tǒng)（所謂飛行光路）傳到激光切割頭的聚焦鏡上，再通過聚焦使平行光束變成光點照射在工件上，通過燒熔、吹屑等動作完成切割工作。影響激光切割質(zhì)量的因素很多，激光的功率，模態(tài)頻率，整個光路系統(tǒng)的傳輸效率，穩(wěn)定性等，還有加工材料的光反射率，切割用氣體種類，氣體壓力，切割噴嘴的口徑大小，噴嘴的形狀，切割時的焦點位置，打孔的焦點位置，切割功率與速度的對應(yīng)等。這些是激光切割要考慮的因素，三維激光切割還需面對切割噴嘴與工件不垂直時加工狀態(tài)。這是由產(chǎn)品形狀與切割頭干涉所造成的，有時這種干涉使得加工無法順利完成，不得不更改工藝流程。三維激光切割對光路的準(zhǔn)確性要求高，即使機床的A軸（B軸）和C軸轉(zhuǎn)了很大的角度時，光斑也要保證出現(xiàn)在噴嘴的中間位置，不能有大的偏差。

圖4 轎車翼子板的工裝支架

圖5 小三維件簡易工裝

3.結(jié)語

通過三維激光切割設(shè)備的生產(chǎn)實踐，三維激光切割對加工效率的提升是非常顯著的。對于二氧化碳板條式激光切割系統(tǒng)，激光器的各種性能光束的純度，能量的密度，高負荷時輸出的穩(wěn)定性，激光氣體的壽命與經(jīng)濟性，對電壓變化的適應(yīng)性等都將極大地提高三維激光切割的能力、質(zhì)量與效率。機床方面光路系統(tǒng)的傳輸效率，激光頭的靈活性，程序的易改與方便化，智能化都是用戶期待的，也是廠家應(yīng)該努力的方向。