鈑金件數(shù)控激光切割表面質(zhì)量的工藝參數(shù)優(yōu)化

鞏蕊

摘要：本文基于激光切割理論，結(jié)合噴嘴結(jié)構(gòu)、氣流、輔助氣體、切割速度及功率等工藝參數(shù)，總結(jié)出最優(yōu)工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：激光切割 工藝參數(shù)優(yōu)化

一、引言

激光切割不僅是一種先進(jìn)制造技術(shù)，而且是激光加工領(lǐng)域中的重要部分。激光切割與其他切割方法相比，最大區(qū)別是不需要模具，還可以替代傳統(tǒng)的沖切加工方法；不但能大大縮短鈑金件的生產(chǎn)周期，還能降低成本。

本公司正是看到了其中的優(yōu)點(diǎn)才引進(jìn)了數(shù)控激光設(shè)備，但在后期的使用過程中遇到了些問題，打破了原有的生產(chǎn)節(jié)奏，影響了生產(chǎn)進(jìn)度。希望通過本次實(shí)驗(yàn)可以找到優(yōu)化方法以保證切割合格率，降低公司成本，提高生產(chǎn)效率。

二、實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用的激光切割設(shè)備是德國(guó)通快公司的TruLaser3040機(jī)型，ToPs100編程軟件。該設(shè)備中內(nèi)置了一個(gè)符合EN 60825-1的4級(jí)C02激光器。

（1）分別以厚度為2mm、4mm、6mm、8mm的0cr18ni9材質(zhì)鋼板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)合噴嘴結(jié)構(gòu)、氣流、輔助氣體、切割速度、焦點(diǎn)位置及功率等工藝參數(shù)，在生產(chǎn)過程中收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）分別以厚度為2mm、4mm、6mm、8mm的q235-a材質(zhì)鋼板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)合噴嘴結(jié)構(gòu)、氣流、輔助氣體、切割速度、焦點(diǎn)位置及功率等工藝參數(shù)，在生產(chǎn)過程中收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（3）對(duì)4mm以下的異形薄板鈑金件，在生產(chǎn)過程中收集按不同路徑切割的工件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（4）針對(duì)德國(guó)Trumpf公司的TruLaser3040機(jī)型在ToPs100編程軟件使用過程中進(jìn)行創(chuàng)新，以提高板材利用率達(dá)到節(jié)約成本的目標(biāo)。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）噴嘴結(jié)構(gòu)的合理選擇

噴嘴結(jié)構(gòu)主要根據(jù)工件板厚的情況進(jìn)行調(diào)整。圖1是兩組工件斷面切割圖，從圖中可以看出，工件切割邊緣易形成毛刺狀熔渣。通過多次實(shí)驗(yàn)我們得出：

切割厚度在4mm以下的工件時(shí)選用焦距為5.0in的透鏡配合射口直徑為1.0mm的銅制噴嘴切割質(zhì)量較好；4mm以上的碳鋼或.不銹鋼工件時(shí)選用焦距為7.0in的透鏡配合射口直徑為2.1mm的銅制噴嘴切割質(zhì)量較好。

（二）輔助氣體氣流的合理選擇

在輔助氣體的選擇上主要依據(jù)工件的材質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在切割材質(zhì)為Ocr18ni9的不銹鋼板時(shí)選用純度為99.99%5.0的氦氣切割質(zhì)量較好；在切割材質(zhì)為q235-a的碳鋼板時(shí)選用純度為99.95%3.5的氧氣切割質(zhì)量較好。

（三）激光輸出功率和切割速度對(duì)切割質(zhì)量的影響

速度不但與激光功率有關(guān)，還與切割速度有關(guān)。圖2分別是兩種工件表面的切割質(zhì)量。從圖中可以看出，激光切割速度過快或過慢都會(huì)形成熔渣影響切口效果。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

（1）在切割2mm及以下的薄板時(shí)選用激光功率2000W的工作模式，以6m/min的切割速度獲得的切割質(zhì)量較好。（2）在切割厚度為2mm-6mm之間的工件時(shí)選用激光功率3200W的工作模式，以3m/min的切割速度獲得的切割質(zhì)量較好。（3）在切割6mm以上的工件時(shí)選用激光功率3200W的工作模式，以1.5m/min的切割速度獲得的切割質(zhì)量較好。

（四）焦點(diǎn)位置的合理選擇

將焦點(diǎn)調(diào)整到剛處于噴嘴下，噴嘴與工件表面間距一般為1.5mm左右或位于板厚的1/3處可獲得較好的切割質(zhì)量。

（五）切割路徑對(duì)切割質(zhì)量的影響

激光切割在加工零件時(shí)，首先要在鋼板上形成熱熔點(diǎn)，然后激光束從熱熔點(diǎn)開始沿輪廓線移動(dòng)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，切割路徑的選擇上主要注意以下兩個(gè)方面：

（1）當(dāng)工件輪廓為長(zhǎng)方形時(shí)，如果大批量的切割同一個(gè)工件，在切割時(shí)需要把激光的引弧點(diǎn)放在先切較長(zhǎng)邊的那端，這樣通過路徑優(yōu)化就不會(huì)造成相鄰的工件長(zhǎng)邊切割變形的情況發(fā)生。如下圖所示，在切割這類工件時(shí)，應(yīng)該將穿刺點(diǎn)放在A點(diǎn)或B點(diǎn)，以保證切割的時(shí)候先切割A(yù)B邊，然后再切割其他邊。如果先切割A(yù)D邊，就有可能在最后切割A(yù)B邊時(shí)，工件由于自重在工作臺(tái)上向一邊傾斜，使切割出的長(zhǎng)邊有微微的弧狀變形。（2）當(dāng)工件輪廓中含有銳角時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)在銳角區(qū)圓滑過度，為了切割外形美觀應(yīng)將引弧點(diǎn)避開銳角區(qū)域。如下圖所示，應(yīng)將引弧點(diǎn)放在工件的直邊處或有較長(zhǎng)直線段的區(qū)域，這種情況適合在對(duì)稱件的制作過程中，可以保證兩邊的切割外形和質(zhì)量一致，保證工件美觀。式。共邊切割不僅節(jié)省了材料，還某種程度上縮短了切割路徑，降低了輔助氣體的損耗，降低了生產(chǎn)成本。

可根據(jù)工件形狀采取不同的切割和套料方式，再就是對(duì)一些含有大孔的鈑金件，可以采用共邊切割方法達(dá)到提升利用率的效果，在一定程度上節(jié)約了板材。同時(shí)，兩個(gè)零件的共用邊只進(jìn)行一次切割，還能降低切割過程中輔助氣體等耗材的消耗。如下圖所示，三個(gè)法蘭之間便采用了共邊切割的方

四、結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在激光切割過程中要想保證切割質(zhì)量以下幾點(diǎn)至關(guān)重要：

首先要根據(jù)工件的材質(zhì)在激光器的噴嘴結(jié)構(gòu)、切削氣體、焦點(diǎn)位置參數(shù)的選取上嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)進(jìn)行選擇。

其次針對(duì)不同板厚的工件切割質(zhì)量受激光輸出功率、切割速度參數(shù)的影響較大，在這兩種參數(shù)的設(shè)定上要按照實(shí)驗(yàn)中總結(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。其中最為顯著的是切割速度，為保證產(chǎn)品的技術(shù)性，獲得良好的切割質(zhì)量，需要選擇合適的切割速度。同時(shí)達(dá)到提高板材的利用率，降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

通過以上兩個(gè)方面在提高激光切割質(zhì)量的同時(shí)，切割效率也有大幅提升，通過提高質(zhì)量減少錯(cuò)誤率，提升效率每年可為公司節(jié)省約20%的材料成本，提升企業(yè)生產(chǎn)效率。