側圍外板試制三維激光切割工藝優化研究

程遠濤，賈盛宇，李軼靚，任建新，鄒喜濤

側圍外板試制三維激光切割工藝優化研究

程遠濤，賈盛宇，李軼靚，任建新，鄒喜濤

（華晨汽車工程研究院試制控制處，遼寧 沈陽 110141）

針對汽車側圍外板試制三維激光切割精度差、過燒切邊、切縫過寬、切割碰撞等問題，提出激光切割工藝工序、切割程序及切割參數的工藝優化研究。通過工藝工序優化，解決了因回彈、變形造成激光切割精度差的問題；通過切割程序優化，添加工藝點，調整激光入射方向，避免了切割頭在制件轉角位置發生碰撞；通過試驗分析了切割參數對切割質量的影響，驗證了切割參數的可行性。

側圍外板；三維激光切割；工藝優化

1 前言

汽車新車型研發中，為了節約成本，縮短生產周期，車身覆蓋件試制階段目前普遍采用試制模具完成拉延、整形等工序，采用三維五軸激光切割機替代傳統模具中修邊、沖孔等工序[1]。側圍外板是汽車覆蓋件中典型的冷沖壓薄板件，具有結構尺寸大，形面復雜，表面質量要求高等特點。側圍外板試制中存在激光切割精度差、過燒切邊、切割碰撞等問題。本文針對某款SUV車型側圍外板試制激光切割工藝進行優化研究，確保了激光切割的加工質量，提高了制件質量，保證了白車身焊接質量。本文對汽車覆蓋件的激光切割工藝提高具有一定的工程實踐意義。

2 側圍激光切割工藝優化

2.1 工藝工序優化

側圍外板結構尺寸大，形面復雜，材料為超深沖用冷軋低碳鋼DC06，厚度為0.7 mm，屈服強度為100-180 MPa，抗拉強度不小于250 MPa，r值不小于2.0，n值不小于0.22[2]。側圍外板制作工序復雜，沖壓工藝要求高，A面要求光滑平順，不允許出現滑移線等。根據經驗，試制分為以下幾個工序：①激光切割落料；②OP10拉延；③激光切割粗加工，修邊余量10mm；④OP20翻邊整形；⑤OP30頂蓋前半部分側向整形；⑥OP40頂蓋后半部分及尾門搭接部分側向整形；⑦激光切割精加工；⑧鈑金修整激光切割無法加工的位置及各尖角。

圖1 側圍外板試制工序示意圖

上述側圍外板試制工序中存在以下問題：

（1）OP20整形后，尾燈部分的修邊線進入了一個較狹小的空間，激光切割頭無法進入對其精加工；

（2）OP40頂蓋后半部分及尾門搭接部分側向整形后，一方面因回彈、形變，導致激光切割精度難以保證；另一方面，由于激光切割機以定位支架為定位基準，因產品自身結構，會出現激光切割機無法加工的負角。

圖2 側圍尾燈、尾門及頂蓋搭接部分

經過多次驗證，對激光切割的工藝工序進行優化，如下：

（1）在第一次粗加工時，單獨對尾燈部分進行精切處理，從而使尾燈造型部分在OP20翻邊整形時直接整形到位；

（2）在OP20翻邊整形后，對尾門搭接部分進行精切處理，經過OP40側整到位，解決了尾門搭接部分因回彈、變形造成激光切割精度差的問題，避免了激光切割機無法加工的負角問題。

圖3 側圍尾燈、尾門搭接部分精切線

優化后的工序為：①落料；②OP10拉延；③激光切割粗加工，修邊余量10mm，其中單獨對尾燈部分進行精切處理；④OP20翻邊整形；⑤對尾門搭接部分進行精切處理；⑥OP30頂蓋前半部分側整形；⑦OP40頂蓋后半部分及尾門搭接部分側整形；⑧激光切割精加工；⑨鈑金修整尖角位置。

上述優化不僅提高了產品的質量，而且還極大減少了鈑金修整的工作量，節約了人力成本，縮短了生產周期。

2.2 切割程序優化

側圍外板幾何尺寸較大，空間曲面復雜，形面角度變化較急劇，若激光束完全垂直于切割表面，會導致切割頭在制件轉角位置經常發生碰撞。并且，在形面角度變化較急劇處經常會出現法線密集現象，致使制件此處激光能量積累，發生過燒現象[3]。

針對以上問題，就需要在編程時對拐角處手動添加工藝點，調整激光入射方向，使其偏離切割面的法線方向，避免干涉，但要保證入射角小于20度，并在此處調整切割功率、減小切割速度[4]，使其仍能達到良好的切割質量。

2.3 切割參數優化

2.3.1 切割參數的選定

由于切割速度、切割功率及切割頻率等切割參數對切割質量影響較大。所以，本文通過試驗的方式驗證切割速度、切割功率、切割頻率對拐角周圍切割質量的影響，以達到良好的切割質量要求。

2.3.2 切割標準的選定

切割過程中主要存在的缺陷有：未切斷、切縫過寬、過燒等，本文通過單因素試驗方法，每種參數選取7個水平因子，獲得切割樣件，并對其進行質量評價。

3 激光切割試驗方案

3.1 試驗設備

本設備為日本NTC公司生產的三維五軸激光切割機，最大功率為2000W，最大切割尺寸：長度4300mm，寬度1900mm，高度800mm。激光束照射范圍：水平方向360度，垂直方向±90度。定位精度±0.04mm以內/300mm。

圖4 NTC三維五軸激光切割機

3.2 試驗因素及試驗方法

表1 試驗參數

試驗采用單因素法，每種因素有A、B、C、D、E、F七組數據，具體試驗參數如上表。

3.3 具體試驗實施

3.3.1 切割速度對切割質量的影響

初選切割功率150W、切割頻率100Hz。試驗七組切割速度對切割質量的影響，其切割效果圖如下：

圖5 切割速度對切割質量影響效果圖

從上圖可以看出，當切割速度小于等于500mm/min時，隨著切割速度降低，拐角周圍切割質量變差，切割速度為100mm/min時，出現切縫變寬現象。當切割速度大于500mm/min時，隨著切割速度增加，拐角周圍切割質量變差，切割速度達到750mm/min時，出現變色且板料底層未切斷現象。

3.3.2 切割功率對切割質量的影響

根據上述試驗選定切割速度500mm/min，初選切割頻率100Hz。試驗七組切割功率對拐角周圍切割質量的影響，其切割效果圖如下：

圖6 切割功率切割質量影響效果圖

從上圖可以看出，當切割功率小于等于150W時，隨著切割功率降低，拐角周圍切割質量變差，其中切割功率為50W時，出現變色嚴重未切斷現象。當切割功率大于150W時，隨著切割功率增加，切縫變寬，切割功率達到200W時，出現過燒現象。

3.3.3 切割頻率對切割質量的影響

根據上述試驗選定切割速度500mm/min，切割功率150W。試驗七組切割頻率對拐角周圍切割質量的影響，其切割效果圖如下：

圖7 切割頻率對切割質量影響效果圖

從上圖可以看出，當切割頻率小于等于100Hz時，隨著切割頻率降低，拐角周圍切割質量變差，切割頻率為50Hz時，切縫變寬。切割頻率為25Hz時，出現變色且間斷性未切斷現象。當切割頻率大于100Hz時，隨著切割速度增加，切縫越來越窄，并且有局部為切斷現象。

3.4 試驗結果評定

根據3.3具體試驗結果，當切割頻率一定時，切割速度過小、切割功率過大，拐角周圍會出現切縫變寬、過燒現象，這是因為材料吸收的能量積累導致的；當切割速度過大、切割功率過小，拐角處會出現未切斷現象，這是因為實際輸入工件材料的激光能量減少導致。

當切割速度、功率一定時，頻率越小，則每個激光輸出的能量就越大，導致周圍變色且間斷性未切斷現象。反之，切割頻率越大，則每個激光輸出的能量就越小，導致周圍切縫越來越窄，并且有局部為切斷現象。

圖8 側圍外板試制實物檢測

通過以上試驗，拐角處無干涉且角度變化較小時，選定切割速度500mm/min、功率150W、頻率100Hz。在形面角度變化較急劇處，應適當降低切割功率、減小切割速度、優化切割程序等措施提高切割質量。同時，為提高切割效率，較平緩處應提高切割速度、功率及頻率，控制切割速度范圍為2000~2500mm/min、切割功率范圍為360~500W、切割頻率范圍為1500~1800Hz。最終得到合格的側圍外板如圖8所示。

4 結論

本文通過對工藝工序的優化，解決了尾門搭接部分因回彈、變形造成激光切割精度差的問題，避免了激光切割機無法加工的負角問題。不僅提高了產品的質量，而且減少了鈑金修整量，節約了成本，縮短了生產周期。通過對切割程序的優化，避免了激光能量在形面角度變化較急劇處積累，發生過燒現象。通過對工藝參數的優化，驗證了切割參數的選擇，得到最終合格的側圍外板。

[1] 姚克甫,龔運息.汽車覆蓋件激光切割技術的應用實踐與研究[J].科技與企業,2015(14):200-202.

[2] 齊歡,鄒喜濤,李軼靚等.側圍外板試制沖壓工藝及模具設計[J].汽車工藝與材料,2018,360(12):30-34.

[3] 陳根余,黃豐杰,劉旭飛等.三維激光切割技術在車身覆蓋件制造中的應用與研究[J].激光雜志,2008(03).

[4] 梅麗芳,陳根余,劉旭飛等.車身覆蓋件的三維激光切割工藝[J].中國激光,2009,36(12).

Research on Optimization of Three-dimensional Laser Cutting Process forTrial-producing of Automobile Side Panel

Cheng Yuantao, Jia Shengyu, Li Yiliang, Ren Jianxin, Zou Xitao

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

In order to solve the problems of poorthree-dimensional laser cutting accuracy, overfiring cutting edge, wide cutting seam and cutting collision in the trial-producing of automobile side panels, the process optimization research of laser cutting process, cutting program and cutting parameters are put forward. The problem of poor laser cutting accuracy caused by springback or deformation is solved by the optimization of the process.By optimizing the cutting program, adding the process points and adjusting the incident direction of the laser, the collision of the cutting head in the corner position of the parts is avoided.The influence of cutting parameters on the cutting quality is analyzed by experiments, and the feasibility of cutting parameters is verified.

Automobile side panel; Three-dimensional laser cutting; Process optimization

A

1671-7988(2019)21-133-03

U466

A

1671-7988(2019)21-133-03

程遠濤，男，碩士，工程師，就職于華晨汽車工程研究院，研究方向為車身覆蓋件沖壓工藝及激光切割工藝研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.047

CLC NO.:U466