激光切割技術(shù)在刀板輪廓加工中的精度控制

PRECISIONCONTROLOFLASERCUTTING TECHNOLOGYINBLADEPROFILEPROCESSING

Zhang Fan

(JinrunIntelligentManufacturingPlant，PlateDivision，Nanjing IronandSteelCo.，Ltd.Nanjing21o35，China)

Abstract：With thecontinuous improvementof industrial automation，laser cuting technologyhas gained widespread application inthedeepprocessingofsteelduetoitsighprecision，highspeed，andexcellentflexibility.Tspaper explores the application oflasercuting technology inthe contour machining of tool plates in the construction machinery industry，analyzing how toachieve higher precision through the proper setting of lasercuting parametersand he adoptionof advanced control technologies.Byunderstandingthe characteristicsof tool plate materials and analyzing potential issues encountered during laser cutting，a series of optimization measures are proposed， aiming to provide valuable reference for professionals in the field.

Key words: laser cutting; blade profile processing; heat affected zone; automatic focusing

0前言

在現(xiàn)代制造業(yè)中，特別是在工程機(jī)械行業(yè)，對(duì)于刀板等關(guān)鍵零部件的要求越來越高。這些部件不僅需要具備高強(qiáng)度、耐磨性等特點(diǎn)，還必須保證加工精度以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。傳統(tǒng)的機(jī)械切割方法已經(jīng)無法滿足當(dāng)今制造業(yè)對(duì)于效率和精度的雙重需求。因此，激光切割作為一種新型的高效加工手段，逐漸成為了該領(lǐng)域的首選技術(shù)之一。本文將重點(diǎn)討論如何利用激光切割技術(shù)來實(shí)現(xiàn)刀板輪廓的精確加工。

1激光切割技術(shù)簡介

激光切割是一種利用聚焦的高能量密度激光束照射到材料表面，使材料迅速加熱至汽化溫度并蒸發(fā)形成孔洞，隨后隨光束與材料相對(duì)位置的移動(dòng)而形成切縫的過程（如圖1）。這一技術(shù)具有非接觸式加工、速度快、切口光滑平整、熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，在金屬板材的切割上展現(xiàn)出了無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2刀板輪廓加工的技術(shù)要求

2.1刀板材料特性及對(duì)切割質(zhì)量的影響

刀板作為工程機(jī)械中的關(guān)鍵部件，通常選用的是高硬度合金鋼材料，這類材料具備優(yōu)異的耐磨性和抗沖擊性能。例如，常用的材料有W6Mo5Cr4V2（簡稱M2高速鋼）、SKD11（日本標(biāo)準(zhǔn)的冷作模具鋼）等，它們均具有較高的硬度和韌性。然而，正是這些優(yōu)良的物理性能使得在進(jìn)行二次加工時(shí)面臨諸多挑戰(zhàn)。

高硬度的合金鋼在提供良好耐磨性的同時(shí)，也增加了切割難度。硬度較高的材料，如HRC60以上的鋼材，往往伴隨著脆性增加，這就意味著在切割過程中更容易產(chǎn)生裂紋。此外，如果切削刃口不夠鋒利或冷卻條件不佳，則可能導(dǎo)致刃口磨損加速，從而影響切割面的質(zhì)量。

在制造過程中，合金鋼材料內(nèi)部存在著一定的殘余應(yīng)力。當(dāng)采用激光切割方式對(duì)其進(jìn)行加工時(shí)，高溫作用下材料局部的快速加熱與冷卻會(huì)引起應(yīng)力釋放，如果不加以適當(dāng)處理，這種應(yīng)力釋放會(huì)導(dǎo)致工件變形，特別是對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)來說更是如此。為了最小化這種影響，通常需要在設(shè)計(jì)階段就考慮到熱處理流程，以及在切割后安排適當(dāng)?shù)耐嘶鸸ば騺硐龖?yīng)力。

激光切割過程中形成的熱影響區(qū)是另一個(gè)需要關(guān)注的問題。由于激光束的高度集中能量，使得切縫兩側(cè)形成一定寬度的熱影響區(qū)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，材料的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，比如晶粒長大、相變等，從而導(dǎo)致力學(xué)性能的改變。對(duì)于一些精密應(yīng)用而言，過大的HAZ會(huì)降低零件的整體性能。因此，控制HAZ的大小成為提高切割質(zhì)量的一個(gè)重要方面。

2.2刀板輪廓加工中常見的精度問題

在進(jìn)行刀板輪廓加工時(shí)，盡管采用了先進(jìn)的激光切割技術(shù)，但由于多種因素的綜合影響，仍會(huì)出現(xiàn)一系列影響加工精度的問題：

1）切邊粗糙度是衡量切割質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。理想情況下，切割后的刀板應(yīng)呈現(xiàn)出平滑無毛刺的邊緣。但實(shí)際上，由于切割速度、氣體壓力等因素控制不當(dāng)，常常會(huì)在切割面上留下不同程度的毛刺或者鋸齒狀邊緣，這不僅影響美觀，而且在裝配過程中可能會(huì)刮傷其他部件或影響配合精度。

2）尺寸精度對(duì)于機(jī)械零件至關(guān)重要。在激光切割過程中，即使是微小的尺寸偏差也可能導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品報(bào)廢。常見原因包括材料熱膨脹系數(shù)估計(jì)不足、切割路徑計(jì)算錯(cuò)誤、機(jī)器定位精度不夠高等。

3）除了尺寸上的誤差外，形狀失真也是一個(gè)不容忽視的問題。尤其是在切割復(fù)雜曲線或小半徑圓角時(shí)，如果激光焦點(diǎn)偏移或切割速度不穩(wěn)定，則容易導(dǎo)致形狀偏離設(shè)計(jì)要求，影響零件的功能性和互換性。

2.3提高刀板輪廓加工精度的必要性

隨著市場(chǎng)競爭日益激烈，客戶對(duì)產(chǎn)品的要求也越來越高。對(duì)于工程機(jī)械行業(yè)來說，刀板作為直接與物料接觸的部件，其精度直接影響到整機(jī)的工作效率和使用壽命。提高加工精度不僅可以減少廢品率，降低生產(chǎn)成本，更能增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力，贏得客戶的信任。

從長遠(yuǎn)來看，提高加工精度有助于企業(yè)節(jié)省原材料消耗，減少返工次數(shù)，從而提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，高質(zhì)量的產(chǎn)品也有助于企業(yè)樹立良好的品牌形象，獲取更多的市場(chǎng)份額。

對(duì)于終端用戶而言，一個(gè)加工精細(xì)、性能穩(wěn)定的刀板意味著更高的工作效率和更低的維護(hù)成本。特別是在一些惡劣的工作環(huán)境中，刀板的耐用性尤為重要。因此，只有不斷追求更高精度的加工技術(shù)，才能更好地服務(wù)于市場(chǎng)需求，保障用戶的利益。

3激光切割在刀板輪廓加工中的應(yīng)用

3.1激光切割參數(shù)的選擇（功率、速度、焦距等）

為了獲得最佳的切割效果，在實(shí)際操作前需要根據(jù)具體的材料類型和厚度來調(diào)整激光器的功率輸出、切割速度以及聚焦點(diǎn)的位置等因素。合理的參數(shù)配置可以有效減少加工過程中的熱輸入量，從而降低熱變形的風(fēng)險(xiǎn)。

激光功率（P）：激光功率的選擇取決于材料的厚度和材料的吸收率。一般而言，材料越厚，所需的激光功率越高，見式（1）。

P=k.t

式中： k 是與材料相關(guān)的常數(shù)； t 是材料的厚度。例如，對(duì)于厚度為 10mm 的不銹鋼板，假設(shè) k 值為 3kW/mm ，則所需功率大約為 30kW 。

切割速度（ (ρ_V) ）：切割速度直接影響到切割效率和質(zhì)量。速度過快會(huì)導(dǎo)致切縫粗糙，速度過慢則會(huì)增加熱影響區(qū)。一般推薦的切割速度范圍可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（2）來估算：

式中： A 是材料的吸收系數(shù)。此公式表明，切割速度與激光功率成正比，與材料吸收率成反比。

焦距 (f) ：焦距的選擇對(duì)于確保激光束在正確的平面內(nèi)達(dá)到最大能量密度至關(guān)重要。焦距通常取決于材料的厚度和激光波長，見經(jīng)驗(yàn)公式（3）。

f=a.t+b

式中： α 和 b 是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取決于使用的激光類型和材料特性。例如，對(duì)于 CO₂ 激光切割， α 大約為 0.01mm^-1 ， b 大約為 25mm ，那么對(duì)于 10mm 厚的材料，焦距大約為 35mm 。

輔助氣體壓力（ P_gas ）：輔助氣體壓力用于吹走熔融材料，防止再凝固在切縫內(nèi)。合適的氣體壓力可以提高切割速度和質(zhì)量。推薦的壓力范圍可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（4）給出：

P_gas=c?P+d

式中： c 和 d 是與材料和激光類型相關(guān)的常數(shù)。例如，對(duì)于切割不銹鋼， c 大約是 0.001bar/W ， d 大約是 2bar ，那么對(duì)于 30kW 的激光功率，氣體壓力大約為 52bar 。

3.2刀板材質(zhì)與激光切割參數(shù)的關(guān)系

不同的合金成分會(huì)導(dǎo)致材料對(duì)激光吸收率的變化，進(jìn)而影響切割效率及質(zhì)量。因此，在進(jìn)行激光切割之前，需根據(jù)具體材質(zhì)制定相應(yīng)的加工方案。

吸收率（ α ）決定了材料對(duì)激光能量的吸收程度。不同材料的吸收率差異很大，通?？梢杂檬剑?）近似表示：

α=e^-d/λ

式中： d 是材料的厚度， λ 是激光的波長。例如，對(duì)于紅外激光，不銹鋼的吸收率比銅要高得多，因此在切割不銹鋼時(shí)可以使用較低的功率。

熱導(dǎo)率（k）：材料的熱導(dǎo)率越高，傳遞熱量的能力越強(qiáng)，從而有助于減少熱影響區(qū)。熱導(dǎo)率可以用下面的公式來描述：

Q=-k??T

這里 Q 表示熱量流， T 是溫度， abla 是梯度算子。這意味著，熱導(dǎo)率高的材料（如鋁）在切割時(shí)可以

承受更高的速度。

3.3激光切割路徑規(guī)劃的重要性及其方法

合理的切割路徑設(shè)計(jì)不僅能提高加工效率，還能有效避免因路徑不合理造成的材料浪費(fèi)或加工缺陷。通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件模擬不同路徑下產(chǎn)生的結(jié)果，選擇最優(yōu)解進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。

常見的路徑規(guī)劃算法包括最近鄰算法（NearestNeighborAlgorithm，NNA）、旅行商問題（TravelingSalesmanProblem，TSP）等。例如，NNA適用于簡單路徑規(guī)劃，而TSP更適合解決多點(diǎn)間最優(yōu)路徑問題。路徑規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)可以用式（7）表示。

這里 x 和 y 分別代表路徑上各點(diǎn)的坐標(biāo)值。

例如，在切割多個(gè)相同輪廓的刀板時(shí)，可以先用CAD軟件設(shè)計(jì)出所有輪廓，然后使用路徑優(yōu)化算法找出最短的總路徑長度。這樣不僅可以減少空程時(shí)間，還可以通過減少重復(fù)定位來改善切割質(zhì)量。

4精度控制的關(guān)鍵技術(shù)

4.1激光切割過程中的熱影響區(qū)控制

熱影響區(qū)（HAZ）是指材料在激光切割過程中，由于受到高溫作用而發(fā)生相變或組織變化的區(qū)域。HAZ的大小直接影響到切割邊緣的質(zhì)量，包括切縫的寬度、平直度以及邊緣的硬度等。為了減少HAZ對(duì)切割質(zhì)量的影響，需要采取有效的控制措施。

1）優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

為了有效地控制HAZ，可以通過優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。常用的冷卻液包括水、水基乳化液或?qū)Ｓ美鋮s劑。例如，對(duì)于低碳鋼，水基乳化液可以提供良好的冷卻效果；而對(duì)于不銹鋼等材料，可能需要添加防銹劑的冷卻液來防止氧化；合理布置噴嘴位置，確保冷卻液均勻覆蓋整個(gè)切割區(qū)域。噴嘴與工件的距離通常建議保持在 50～100mm 之間，以確保冷卻液能夠均勻噴灑；根據(jù)材料厚度和激光功率調(diào)整冷卻液的流量和壓力。例如，對(duì)于厚度為 10mm 的不銹鋼板，建議冷卻液流量為20升/分鐘，壓力為 2bar 。

2）預(yù)冷措施。

預(yù)冷可以通過在工件表面涂抹冷卻劑或?qū)⑵浞胖迷诘蜏丨h(huán)境中實(shí)現(xiàn)。預(yù)冷可以有效降低材料初始溫度，減少熱擴(kuò)散效應(yīng)。例如，將工件預(yù)冷至零下20攝氏度，可以顯著減少切割過程中產(chǎn)生的熱影響區(qū)。

為了驗(yàn)證上述方法的有效性，可以通過金相分析、硬度測(cè)試等手段對(duì)HAZ進(jìn)行評(píng)估。例如，使用顯微硬度計(jì)測(cè)量HAZ區(qū)域的硬度分布，以確認(rèn)是否達(dá)到了預(yù)期的控制效果。一般情況下，HAZ的寬度不應(yīng)超過材料厚度的 10% ，硬度變化不應(yīng)超過原硬度的 20% 。

4.2激光切割頭的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)

在激光切割過程中，隨著切割深度的變化，材料表面與激光焦平面之間的距離也會(huì)發(fā)生變化，這直接影響到切割質(zhì)量。自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)工件表面位置，并自動(dòng)調(diào)整激光焦距，確保在整個(gè)切割過程中都能保持理想的切割條件。

1）傳感器技術(shù)。

自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)通常依賴于高度敏感的位置傳感器來檢測(cè)工件表面的變化。常用的傳感器包括：光學(xué)傳感器，如激光位移傳感器，能夠精確測(cè)量工件表面到激光頭的距離。例如，使用激光位移傳感器時(shí)，分辨率可達(dá) 0.01mm ；超聲波傳感器，適用于非金屬材料或在有煙霧環(huán)境下工作，分辨率通常為0.1mm 。

2）控制算法。

一旦檢測(cè)到工件表面位置的變化，控制系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的算法調(diào)整激光焦距。常見的控制算法包括：PID控制器，通過比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative）三項(xiàng)參數(shù)來調(diào)整輸出信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焦距的精確控制。PID參數(shù)通常設(shè)置為： P=0.5 ， I=0.1 ， D=0.05 ；模糊邏輯控制器，適用于非線性系統(tǒng)或存在較大不確定性的情況。模糊邏輯通過模糊集合理論來處理不確定信息，以提高控制精度。

在實(shí)際切割過程中，工件表面可能會(huì)出現(xiàn)微小的不平整現(xiàn)象。此時(shí)，自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)需要具備動(dòng)態(tài)調(diào)整能力，即能夠快速響應(yīng)表面變化，及時(shí)修正焦距，確保切割質(zhì)量不受影響。例如，對(duì)于厚度變化在 ±0.5mm 范圍內(nèi)的工件，自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)應(yīng)能在0.1秒內(nèi)完成調(diào)整。

4.3振動(dòng)控制與補(bǔ)償機(jī)制

由于激光切割機(jī)本身及其運(yùn)行環(huán)境中的各種因素，機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)不可避免地會(huì)影響到切割精度。為了解決這一問題，可以采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法與機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)相結(jié)合的方法。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法通過預(yù)測(cè)和補(bǔ)償振動(dòng)帶來的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。具體實(shí)現(xiàn)方法包括模型預(yù)測(cè)控制（MPC）和前饋控制。模型預(yù)測(cè)控制基于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)未來的輸出，并據(jù)此調(diào)整當(dāng)前的控制輸入；例如，對(duì)于一個(gè)典型的MPC系統(tǒng)，預(yù)測(cè)時(shí)間窗通常設(shè)為5秒，控制時(shí)間窗為1秒。前饋控制則是在振動(dòng)源發(fā)生前，提前施加補(bǔ)償力，以抵消振動(dòng)影響；前饋增益通常設(shè)置在0.8至1.2之間，以保證補(bǔ)償效果。

除了軟件層面的補(bǔ)償，對(duì)硬件進(jìn)行改進(jìn)也是減少振動(dòng)的有效手段。例如，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛性可通過增加支撐點(diǎn)、優(yōu)化連接方式等措施提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體剛性；對(duì)于重型機(jī)械床身，通常建議使用鑄鐵材料，并增加橫梁數(shù)量以提高剛性。安裝減振器或阻尼器可以吸收高頻振動(dòng)，減少對(duì)外部環(huán)境的敏感性；常見的減振器有橡膠減振墊、液壓減振器等。隔離措施如使用浮動(dòng)基礎(chǔ)或懸掛系統(tǒng)將激光切割機(jī)與其他設(shè)備隔離，可以減少外部振動(dòng)的傳入；例如，可以使用彈簧懸掛系統(tǒng)來隔離地面振動(dòng)，隔離頻率通常設(shè)為2HZ以下。

5結(jié)束語

激光切割技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在刀板輪廓加工中發(fā)揮了重要作用。通過合理選擇切割參數(shù)、優(yōu)化路徑規(guī)劃以及采用熱影響區(qū)控制、自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)和振動(dòng)補(bǔ)償機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)，可以顯著提高刀板加工的精度。這些技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了刀板的加工質(zhì)量，也為工程機(jī)械行業(yè)的制造水平帶來了新的提升空間。未來，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，相信激光切割技術(shù)將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出更加廣闊的前景。

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