文／鐘永紀(jì)·廣州鐵道車輛廠

激光切割機(jī)在薄板加工中的提質(zhì)與增效

文／鐘永紀(jì)·廣州鐵道車輛廠

通過(guò)優(yōu)化切割參數(shù)、調(diào)整子程序和新增輔助工裝，提高激光切割機(jī)在薄板加工中的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

新購(gòu)置的激光切割機(jī)，主要應(yīng)用于鈑金件及中厚板產(chǎn)品的加工，其優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用范圍廣，加工精度較高，不同材質(zhì)、不同厚度的金屬和非金屬都可以加工，特別是在曲線加工和小批量異形零件加工中有較大優(yōu)勢(shì)。由于激光切割機(jī)固定資產(chǎn)價(jià)值大，在使用過(guò)程中如何提高激光加工的生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，是現(xiàn)場(chǎng)需要解決的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。公司為專業(yè)汽車板材配套公司加工的L11K激光切割件，是轎車車門用材料，該件先用激光切割出外形后，與不同厚度的高強(qiáng)度板材激光焊接在一起，再進(jìn)行沖壓成形加工，以達(dá)到既能減輕部件重量，提高材料利用率，又能滿足部件局部強(qiáng)度的要求。

L11K激光切割件的技術(shù)要求

此件每月產(chǎn)量大約4000件，交貨期較短，產(chǎn)品加工精度要求高，如圖1所示，其中：

⑴切割件尺寸較大，為0.65mm×1730mm× 910mm，板料厚度較薄，易變形；

⑵切割后直線度a要求在0.05mm以內(nèi)，毛刺b要求在0.03mm以內(nèi)；

⑶切割后對(duì)角線c要求在1.0mm以內(nèi)，平面度d要求在1.0mm以內(nèi)；

⑷切割后對(duì)稱度e要求在0.5mm以內(nèi)。

由于新購(gòu)置的激光切割機(jī)設(shè)備復(fù)雜程度高，特別是控制及編程部分，采用的是進(jìn)口件，中文操作說(shuō)明書(shū)編寫(xiě)過(guò)于簡(jiǎn)單，沒(méi)有提供相應(yīng)子程序的調(diào)用及修改說(shuō)明，在初期操控激光切割機(jī)時(shí)，有許多方面需在實(shí)踐中進(jìn)行摸索和熟悉。

通過(guò)樣件試割，產(chǎn)品不良情況統(tǒng)計(jì)如圖2所示。從試割的統(tǒng)計(jì)情況可以看出，在L11K激光切割件品質(zhì)不良問(wèn)題中毛刺超差所占的比率最高，其次是對(duì)稱度，另外還存在產(chǎn)品生產(chǎn)效率低的問(wèn)題。

原因分析

⑴由于激光切割機(jī)為新購(gòu)進(jìn)的設(shè)備，要想加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品，需熟悉相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，還要對(duì)機(jī)床性能有較深的了解和有豐富的操作經(jīng)驗(yàn)。影響切割毛刺的主要原因有：1)激光聚焦點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)；2)激光功率調(diào)整不當(dāng)；3)切割速度調(diào)整不當(dāng)；4)氣體壓力調(diào)整不當(dāng)。

⑵由于材料長(zhǎng)寬尺寸為1730mm×910mm，因長(zhǎng)度有7mm誤差的存在，使切割后對(duì)稱度e的精度較難保證，并影響到激光加工的生產(chǎn)效率。

⑶在說(shuō)明書(shū)中，切割不同材料所選用的切割氣體是不同的，對(duì)碳鋼切割選用高純氧，對(duì)有色金屬及不銹鋼切割選用高純氮。被切割材料是SPT83BQ(日本鋼號(hào))，為表面有鋅合金防銹層的高強(qiáng)度碳鋼，在試割時(shí)選用純氧作為切割氣體，結(jié)果切割斷面結(jié)瘤情況嚴(yán)重。

⑷激光切割機(jī)是精密設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的灰塵、振動(dòng)都有一定要求。由于目前激光切割機(jī)安裝位置在沖壓中心廠房，與下料區(qū)及鉚焊作業(yè)區(qū)相距較近，下料區(qū)的灰塵及鉚焊作業(yè)時(shí)的煙塵都較嚴(yán)重，剪板機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)也較大，對(duì)激光切割機(jī)加工精度都會(huì)帶來(lái)一定影響。

⑸加工的尺寸精度，一方面依靠激光切割頭自身的運(yùn)動(dòng)精度，另一方面要通過(guò)選擇相應(yīng)的補(bǔ)償量來(lái)消除割縫尺寸誤差。

通過(guò)以上的分析得出，影響激光切割質(zhì)量的主要原因是：⑴切割參數(shù)的調(diào)整不合理；⑵材料切割氣體選用不當(dāng)；⑶激光割縫所對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償量選用不當(dāng)。

影響切割生產(chǎn)效率的主要原因是：⑴板料長(zhǎng)度誤差；⑵最佳切割路徑的選擇。

技術(shù)改進(jìn)對(duì)策及實(shí)施

對(duì)策一：確定最佳切割參數(shù)

⑴確定激光聚焦點(diǎn)位置參數(shù)。

通過(guò)調(diào)試比較激光聚焦點(diǎn)在材料厚度為0.65mm的不同位置的切割質(zhì)量，確定聚焦點(diǎn)在板厚中心位置時(shí)，切割斷面的質(zhì)量最好。

⑵確定激光功率及切割速度匹配參數(shù)。

通過(guò)多次反復(fù)調(diào)試，將切割速度由原來(lái)的3m/min提高到5m/min的工作狀態(tài)，相匹配的激光功率提高到1200W，能夠保證切割后質(zhì)量滿足要求。

⑶確定氣體壓力匹配參數(shù)。

在5m/min的切割速度下，氣壓的穩(wěn)定對(duì)切割毛刺影響較大，氣壓波動(dòng)的最大范圍應(yīng)控制在(1.0±0.2)MPa之間，方能保證切割后的質(zhì)量滿足要求。

對(duì)策二：確定切割材質(zhì)為SPT83BQ鋼板的切割氣體

按操作說(shuō)明書(shū)，碳鋼切割氣體采用純氧，但SPT83BQ為表面帶有鋅合金防銹層的高強(qiáng)度碳鋼，由于材料表面的鋅合金熔點(diǎn)低，導(dǎo)致氧化結(jié)瘤嚴(yán)重。經(jīng)試驗(yàn)后，決定按不銹鋼切割模式采用99.999%純氮?dú)膺M(jìn)行切割，切割后毛刺能達(dá)到用戶要求。

對(duì)策三：確定最優(yōu)切割路徑

機(jī)器默認(rèn)的切割路徑如圖3所示，通過(guò)手工修改程序，切割路徑得以優(yōu)化，如圖4所示，從而使切割時(shí)間節(jié)約1分多鐘。

對(duì)策四：設(shè)計(jì)、制造快速定位工裝

為保證切割后對(duì)稱度的要求，并能實(shí)現(xiàn)快速高效定位，減少因板料長(zhǎng)度誤差而進(jìn)行調(diào)整的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)制作快速定位工裝，如圖5所示。

實(shí)施效果檢查

對(duì)策實(shí)施后，對(duì)L11K激光切割件連續(xù)生產(chǎn)2000件后的質(zhì)量情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 改善后的質(zhì)量切割情況

通過(guò)以上統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，切割毛刺的合格率為99.6%，比試制時(shí)有較大程度的提高，但在實(shí)際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，由于生產(chǎn)時(shí)采用的切割氣體是5.3m3/瓶的純氮?dú)?，?dāng)每瓶氮?dú)饪煊猛陼r(shí)，由于氣壓下降，操作者要及時(shí)對(duì)切割氣壓進(jìn)行調(diào)整，否則就會(huì)出現(xiàn)切割毛刺變大的情況。另外，由于采用氮?dú)馇懈顣r(shí)，氮?dú)獾南牧枯^大，每切割15件左右就需要更換一瓶氮?dú)?，每瓶氮?dú)飧鼡Q時(shí)間約占7min，每天換氣就占用49min時(shí)間，生產(chǎn)效率低，并且現(xiàn)場(chǎng)氣瓶堆積較多，嚴(yán)重占用生產(chǎn)場(chǎng)地。

制定改進(jìn)措施

⑴為減少換瓶占用的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，決定采用120kg/罐的液態(tài)氮，每罐液態(tài)氮相當(dāng)于20瓶5.3m3/瓶純氮?dú)狻?/p>

⑵為解決液態(tài)氮在氣化時(shí)罐體表面結(jié)冰嚴(yán)重，導(dǎo)致氣化量跟不上切割時(shí)氣體消耗量的問(wèn)題，考慮增加一套氣化器，并將兩罐液態(tài)氮并聯(lián)使用，以滿足生產(chǎn)需要。

⑶修改切割程序中的子程序，關(guān)閉空行程時(shí)氮?dú)饪刂崎y，節(jié)約氣體的消耗。

⑷加強(qiáng)對(duì)氣瓶氣壓的監(jiān)控，規(guī)定每切割100件檢查一次氣瓶壓力。

改進(jìn)后的實(shí)施效果

在改進(jìn)措施實(shí)施后，L11K激光切割件的切割質(zhì)量比較穩(wěn)定，每月產(chǎn)量穩(wěn)定在4000～5000件，最終檢驗(yàn)合格率達(dá)到99.9%。由于采用大罐液態(tài)氮代替小瓶氮?dú)?，每大罐液氮可?00件左右，而小瓶純氮只能割15件，每件可節(jié)約氮?dú)?元左右。且由于修改數(shù)控子程序，關(guān)閉空行程時(shí)氮?dú)庀?，又可使每件?jié)約0.12元。更換氣體頻次也由每天7次降到2天一次，一年可節(jié)約制造成本10萬(wàn)余元。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)L11K項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)及攻關(guān)，從中積累了不少激光切割的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。在激光加工中，切割質(zhì)量除與上述因素有關(guān)外，還和噴嘴直徑、噴嘴與加工件的距離、噴嘴與光束的同軸度、鏡片的表面潔凈度、激光Y軸飛行恒光路的光斑調(diào)整、激光光路中保護(hù)氣體的純凈度等眾多因素有關(guān)。雖然此次解決了L11K薄板件激光加工中存在的問(wèn)題，但在針對(duì)不同材質(zhì)及板厚材料的加工方面仍需進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)。