鈑金激光切割工藝優(yōu)化方法及應用研究

康新梅 孫東衛(wèi)

（航空工業(yè)西飛物流管控中心，陜西 西安 710089）

0 引言

激光加工技術(shù)在鈑金工藝加工技術(shù)中發(fā)揮著重要作用，極大地提高了市場金屬加工的生產(chǎn)率，有助于鈑金工藝加工的發(fā)展。使用激光切割機加工圓盤，可以大大縮短加工周期，提高加工精度，加快產(chǎn)品開發(fā)，同時減少成本，這些優(yōu)勢影響到許多制造商，并逐漸影響到鈑金工藝的加工用激光切割工藝的發(fā)展。該文主要介紹了激光和激光技術(shù)的應用，并分析了激光技術(shù)在鈑金工藝加工中的應用及其效益。

1 激光切割

1.1 激光與激光切割機

激光是一種單色性能最好、超高亮度、能量密度大、性能優(yōu)良的單色光，激光定向具有獨特性，廣泛應用于激光標簽、激光光譜、激光測試距離、激光雷達、激光切割、激光武器、激光光盤、激光指示器、激光濾波器、激光美容、激光掃描、激光快速原型識別、激光成像等領(lǐng)域。從長遠角度來看，激光能夠在很多方面得到應用，具有良好的發(fā)展前景。激光加工技術(shù)在鈑金工藝金屬加工技術(shù)中占有重要地位，極大地提高了勞動力市場金屬加工的生產(chǎn)率。使用激光切割機可以大大縮短加工周期，提高加工精度，加快產(chǎn)品開發(fā)，同時也降低了成本。這就使得眾多廠家開始關(guān)注其發(fā)展，也逐漸將其運用到鈑金工藝切割的過程中。在金屬加工中，激光切割機可以縮短加工周期，提高加工精度，排除燒結(jié)替代品，從而以極高的精度加工更復雜的產(chǎn)品。

1.2 激光切割鈑金工藝的原理

激光切割鈑金工藝的具體原理是激光切割機將激光集中在待加工金屬表面的任意點上，激光的光能轉(zhuǎn)化為熱能。這一過程可以在很短的時間內(nèi)使激光輻射點的溫度迅速上升，達到金屬的熔點，然后上升到其沸點，金屬開始熔化，然后蒸發(fā)，之后激光輻射點變成一個小開口。目前，激光切割機已經(jīng)設(shè)置了移動式，在激光切割機的控制下，激光束開始沿著設(shè)定的路徑移動。在這個過程中，切割金屬的表面被液化和氣化，激光束通過的路徑會留下一個小孔。

2 激光切割工藝與傳統(tǒng)切割工藝的比較

2.1 技術(shù)上的比較

激光束以點的形式存在，所以它在二維空間有很大的靈活性。在切割機中，只有切割輪在移動，但工件仍在原位，不需要微觀細致的管理，這就使得激光切割工藝對控制的要求不高，只需要優(yōu)化放置結(jié)果和切割路徑，然后開始激光加工，但是在下一步加工之前，組合機床需要對模具、激光切割和微界面組件進行設(shè)置。與傳統(tǒng)切割機相比，激光切割機的準備時間大大縮短。這是因為激光切割機切割工件時比較便捷。而且其準確率和效率非常高，消耗的成本最少，對于整體工藝具有極為重要的影響。激光切割工藝方法在不斷提升發(fā)展的過程中，很多項切割工作可以直接滿足設(shè)計要求，不需要使用精加工工藝，在很大程度上減少了切割工作的成本。隨著激光切割機切割速度的快速提高，工件的加工時間明顯縮短，生產(chǎn)效率也有了顯著提高。

2.2 精準度的比較

隨著激光切割工藝的發(fā)展，在具體的切割過程中，切割時間越長，工件加工產(chǎn)生的熱量范圍會逐漸減小，整個工件在切割過程中的熱變形也會隨之減小。隨著CO2激光穩(wěn)定器性能的逐步提高，激光切割表面的光潔度也隨之提高。激光切割工藝的精度也穩(wěn)步提高，從原來的低精度鈑金工藝逐漸發(fā)展到高精度鈑金工藝，激光切割機不僅可以處理小型、對精度要求較高的部件，還可以處理厚度為3 mm～4 mm 或大于6 mm 的中型部件。這些部件主要作為結(jié)構(gòu)部件、傳動部件和主要工作部件使用。對機械精度要求比較高，另外一些部件已經(jīng)接近精細制造的精度要求。鈑金激光切割技術(shù)的優(yōu)點很明顯，切割件不僅變形小、表面油漆高，而且還具有小孔或根本不起泡的特點，對于材料尺寸的精準度具有良好的控制效果。

3 鈑金工藝激光切割工藝的具體優(yōu)化方法及實際應用研究

3.1 鈑金工藝激光切割工藝基本技術(shù)解說

鈑金工藝切割加工步驟如下：初步試驗、試驗生產(chǎn)和確定生產(chǎn)過程并對生產(chǎn)步驟產(chǎn)品進行試驗，及時與客戶溝通，得到相應的加工評價，然后進行批量生產(chǎn)。

鈑金工藝車間應及時通知顧客并與顧客討論，確定的內(nèi)容包括產(chǎn)品要求的技術(shù)目標、技術(shù)保密協(xié)議、產(chǎn)品專利管理、設(shè)計體系和圖紙等，相關(guān)技術(shù)的處理和產(chǎn)品的具體供應量、時間。對應合同必須由技術(shù)主管部門簽訂，并明確相關(guān)權(quán)利用于處理、配合金屬板的修復，其技術(shù)內(nèi)容應保密，使其產(chǎn)品不受侵犯，這在整個的車間運作中占有很重要的份額。

鈑金工藝切割技術(shù)人員必須熟悉激光加工設(shè)備的特點，了解激光加工設(shè)備的位置，做好維修工作，與此同時，還必須了解激光加工設(shè)備的特性，要盡可能完善各方面的工藝，激光加工過程中應及時進行外觀檢查，包括宏觀和微觀檢測，并觀察激光切割的各項數(shù)據(jù)，相應的監(jiān)測區(qū)域包括可記錄激光發(fā)電機、激光切割區(qū)、計算機控制區(qū)、原料進料區(qū)、成品切割區(qū)、物資轉(zhuǎn)化廠工區(qū)，在這些區(qū)域配備技術(shù)人員，使他們能夠在原鈑金工藝和成品的切割區(qū)域工作，而其他區(qū)域的工作可以由計算機自動控制。

高精度激光電源功率從5 W ～90 000 W 不等。鈑金工藝構(gòu)件激光切割主要采用功率為100 W ～1 500 W 的激光器。激光源輸出功率＜1 500 W 時，激光源為單模振動模式，斷電后清潔平整。當激光源功率＞1 500 W 時，激光源為多種形式的振蕩模式，可切割寬度為1 mm，但切割后有少量污垢[1]。

冷板切割必須使用空氣、氧氣、氮氣等輔助氣體，氮氣能防止切割過程中切割表面氧化。氮氣會堵塞交叉口防止氧化。在金屬加工車間可以利用CAD 或CAM 技術(shù)對工件模型和激光加工中的數(shù)據(jù)和加工參數(shù)進行加工。自動的鈑金激光切割工藝可以在具體的操作中自動更換模具，這樣可以減少生產(chǎn)準備時間和生產(chǎn)成本。

3.2 切割算法的實現(xiàn)

在激光切割算法有一種特殊的歐拉圖，其是鈑金激光切割工藝非常重要的屬性。從歐拉圖的任一頂點出發(fā)都能求得一條歐拉回路。其中如果圖G（V，E）中各頂點的度數(shù)均為偶數(shù)，則G 圖一定是個歐拉圖。另外如果G 圖中除2 個頂點Vi，Vj的度數(shù)為奇數(shù)外，其他頂點的度數(shù)均為偶數(shù)，則一定存在從Vi到Vj的一條路徑，經(jīng)過了各邊且無重復，即構(gòu)成了歐拉回路，求得歐拉回路后，再去掉Vi與Vj間補加的邊，即得到Vi到Vj的歐拉通路。我們可以利用歐拉圖的原理對共邊排樣零件進行共邊切割，對于歐拉圖來說，由于割嘴只需打一次孔，所以對這種方法的共邊切割簡稱“一筆畫”共邊切割。圖1 所示是一個歐拉圖，它可以無重復邊一筆繪出，其遍歷分別為：P1：V1-V6-V2-V5-V3-V4；P2：

圖1 多變切割歐拉圖

3.3 需要提升改變的方面

首先要有一個激光切割技術(shù)的完整控制系統(tǒng)，輸入切割鈑金工藝圖后，系統(tǒng)可以將設(shè)計圖或者工藝圖自動地添加到操作版面上。布局功能是鈑金工藝切割系統(tǒng)的核心，傳統(tǒng)的模式是由專業(yè)技術(shù)人員手工布置，主要依靠人們的經(jīng)驗。如果組件的類型相對較小，整體的組裝過程會比較順利也比較簡單。但是，如果組件的類型比較大，工作負載則相對較高。目前企業(yè)競爭非常激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代也很快。一個好的系統(tǒng)自動設(shè)定功能不僅可以提高公司的生產(chǎn)效率，而且可以通過提高鈑金工藝的利用效率為公司節(jié)省成本。

對于激光切割鈑金工藝來說，需要規(guī)劃切斷線、鉆孔點位置、切斷點方向、切斷線等工序，以此來確保切割和切割鈑金工藝的有效性和質(zhì)量。部件定位后，鈑金工藝的二維切割子圖布局算法的應用顯著提高了鈑金工藝使用率。但是如果鈑金工藝放置后的后續(xù)切割不能保證鈑金工藝的有效性，不能提高切割效率或者降低工程的成本，就有必要對切割鈑金工藝進行優(yōu)化，以滿足生產(chǎn)的要求。優(yōu)化主要涉及場地設(shè)計、沖擊點、部件變形、點處理等。

4 結(jié)語

鈑金激光切割切割是一種具有廣闊應用前景的生產(chǎn)制造方法，是一種新的、實用的板料加工處理方法。鈑金工藝切割工藝具有效率高的優(yōu)點，其效率是數(shù)控沖床的2 倍，這樣就縮短了切割時間并降低了成本。隨著科技的發(fā)展，鈑金激光切割工藝還需要進行進一步優(yōu)化。