激光標(biāo)刻技術(shù)在自由鍛生產(chǎn)中的應(yīng)用

文/王炳正，楊武，楊憲軍，王軍軍·蘭州蘭石鑄鍛有限責(zé)任公司

針對(duì)當(dāng)前自由鍛產(chǎn)品標(biāo)識(shí)與信息溯源追蹤方面存在的不足，在鍛造生產(chǎn)過(guò)程采用激光標(biāo)刻技術(shù)替代人工砸號(hào)，提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)為庫(kù)存管理和生產(chǎn)過(guò)程追蹤的信息化提供了有效的手段。該研究為鍛件的全生命周期管理以及逐只跟蹤提供了新的方法和技術(shù)，有利于自由鍛數(shù)字化車間的建設(shè)。

自由鍛毛坯件生產(chǎn)屬于單件小批量零散生產(chǎn)模式，產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)問(wèn)題始終困擾著各個(gè)鍛件生產(chǎn)廠商，尤其是應(yīng)用信息化管理系統(tǒng)，由于缺乏對(duì)物料追溯的有效手段，難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn)管理。激光標(biāo)刻屬于DPM方法中的一種，工作原理是利用激光高溫快速燒蝕金屬表面，形成可識(shí)別的信息編碼，碳鋼表面進(jìn)行激光標(biāo)刻技術(shù)已經(jīng)較為成熟。激光標(biāo)刻技術(shù)已開始應(yīng)用在物料追溯領(lǐng)域，在自由鍛行業(yè)，由于其產(chǎn)品的特殊性，尚沒(méi)有應(yīng)用激光標(biāo)刻的先例。

我公司承接國(guó)家智能制造新模式項(xiàng)目，應(yīng)用激光標(biāo)刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)自由鍛毛坯件的產(chǎn)品全生命周期追溯，探索自由鍛數(shù)字化車間建設(shè)新模式。

激光標(biāo)刻工作原理及參數(shù)選型

激光自腔體中產(chǎn)生后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)其輸入的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)X軸振鏡電機(jī)及Y軸振鏡電機(jī)位置的控制，兩路電機(jī)的相互運(yùn)動(dòng)使入射激光的聚焦點(diǎn)在一個(gè)X-Y二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，場(chǎng)鏡系統(tǒng)將激光束聚焦到一個(gè)點(diǎn)，使激光能量集中，完成對(duì)物料的精細(xì)化加工，激光直接標(biāo)刻線條精細(xì)，在金屬表面可以實(shí)現(xiàn)類似于紙張打印效果，如圖1所示。

圖1 激光標(biāo)刻系統(tǒng)工作原理示意圖

我公司鍛件產(chǎn)品涵蓋1kg到50t，產(chǎn)品形狀噸位跨度大，工況較為復(fù)雜，平面不平整導(dǎo)致焦距定位精度存在問(wèn)題，且考慮到鍛件密度高難以燒蝕，激光器選用IPG公司的YLPN-1-100-100W激光發(fā)生器，參數(shù)如表1所示。

表1 YLPN-1-100-100W各項(xiàng)參數(shù)

工藝流程及試驗(yàn)效果

針對(duì)鍛件生產(chǎn)過(guò)程，制定基于激光的標(biāo)刻生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖2 激光標(biāo)刻生產(chǎn)工藝流程示意圖

在全序鍛造生產(chǎn)過(guò)程中，進(jìn)行激光標(biāo)刻主要有四個(gè)工序點(diǎn)：

⑴原材料鋼錠的激光標(biāo)刻，需在鋼錠表面標(biāo)刻爐號(hào)、材質(zhì)、重量以及質(zhì)量信息追溯二維碼，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，在鋼錠粗糙表面，激光標(biāo)刻清晰，二維碼可識(shí)別（圖3），較傳統(tǒng)的油漆書寫，更加的規(guī)范，涵蓋信息更豐富，而且信息由MES系統(tǒng)直接讀取，書寫錯(cuò)誤率大大降低。

圖3 激光在鋼錠表面標(biāo)刻

⑵鍛造成形后對(duì)毛坯進(jìn)行標(biāo)識(shí)，等待熱處理，需標(biāo)識(shí)追溯號(hào)，由于鍛件在熱處理過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，表面產(chǎn)生2mm以上的氧化皮，對(duì)標(biāo)識(shí)有極大的難度，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，采用150W激光，三次燒結(jié)，熱處理后標(biāo)識(shí)清晰可辨別（圖4），采用傳統(tǒng)人工砸號(hào)的操作方式，如果用力較輕或用力不均會(huì)造成無(wú)法識(shí)別的情況（圖5）。

圖4 激光標(biāo)刻鍛件熱處理后效果

圖5 人工砸號(hào)熱處理后效果

⑶熱處理后如直接毛坯交貨，直接根據(jù)鍛件表面追溯號(hào)，查找MES系統(tǒng)，生成需標(biāo)刻的產(chǎn)品信息完成表面激光標(biāo)刻，如果該鍛件不屬于不銹鋼，則還需經(jīng)過(guò)防銹處理，最后基于PDA掃碼和MES集成，實(shí)現(xiàn)入庫(kù)管理（圖6）。

圖6 激光在毛坯交貨鍛件表面標(biāo)刻

⑷粗加工交貨的產(chǎn)品，加工以后根據(jù)鍛件表面前期激光標(biāo)刻追溯號(hào)，查找MES系統(tǒng)，生成二維碼數(shù)據(jù)，最后基于PDA掃碼和MES集成，實(shí)現(xiàn)入庫(kù)管理，加工后表面激光標(biāo)識(shí)效果非常好（圖7），可以大幅的提高公司產(chǎn)品的形象。

圖7 激光標(biāo)刻效果（a）、人工砸號(hào)效果（b）

結(jié)論

經(jīng)過(guò)生產(chǎn)全序的工藝驗(yàn)證，激光標(biāo)刻與傳統(tǒng)人工砸號(hào)相比有其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，其可通過(guò)激光自定位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)二維碼標(biāo)刻，通過(guò)掃碼PDA系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)物料識(shí)別、跟蹤與管理，既明顯提高了成品的管理效率，又降低了期間的人力消耗，是自由鍛數(shù)字化車間建設(shè)不可缺少的物聯(lián)手段。