激光切割機在薄板加工中的提質與增效

文／鐘永紀·廣州鐵道車輛廠

激光切割機在薄板加工中的提質與增效

文／鐘永紀·廣州鐵道車輛廠

通過優化切割參數、調整子程序和新增輔助工裝，提高激光切割機在薄板加工中的質量和生產效率。

新購置的激光切割機，主要應用于鈑金件及中厚板產品的加工，其優點是應用范圍廣，加工精度較高，不同材質、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勢。由于激光切割機固定資產價值大，在使用過程中如何提高激光加工的生產效率和加工質量，降低生產成本，是現場需要解決的一個重要環節。公司為專業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，與不同厚度的高強度板材激光焊接在一起，再進行沖壓成形加工，以達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度的要求。

L11K激光切割件的技術要求

此件每月產量大約4000件，交貨期較短，產品加工精度要求高，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，毛刺b要求在0.03mm以內；

⑶切割后對角線c要求在1.0mm以內，平面度d要求在1.0mm以內；

⑷切割后對稱度e要求在0.5mm以內。

由于新購置的激光切割機設備復雜程度高，特別是控制及編程部分，采用的是進口件，中文操作說明書編寫過于簡單，沒有提供相應子程序的調用及修改說明，在初期操控激光切割機時，有許多方面需在實踐中進行摸索和熟悉。

通過樣件試割，產品不良情況統計如圖2所示。從試割的統計情況可以看出，在L11K激光切割件品質不良問題中毛刺超差所占的比率最高，其次是對稱度，另外還存在產品生產效率低的問題。

原因分析

⑴由于激光切割機為新購進的設備，要想加工出高質量的產品，需熟悉相關參數的調整，還要對機床性能有較深的了解和有豐富的操作經驗。影響切割毛刺的主要原因有：1)激光聚焦點設置不當；2)激光功率調整不當；3)切割速度調整不當；4)氣體壓力調整不當。

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

⑶在說明書中，切割不同材料所選用的切割氣體是不同的，對碳鋼切割選用高純氧，對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)，為表面有鋅合金防銹層的高強度碳鋼，在試割時選用純氧作為切割氣體，結果切割斷面結瘤情況嚴重。

⑷激光切割機是精密設備，對現場環境的灰塵、振動都有一定要求。由于目前激光切割機安裝位置在沖壓中心廠房，與下料區及鉚焊作業區相距較近，下料區的灰塵及鉚焊作業時的煙塵都較嚴重，剪板機工作時的振動也較大，對激光切割機加工精度都會帶來一定影響。

⑸加工的尺寸精度，一方面依靠激光切割頭自身的運動精度，另一方面要通過選擇相應的補償量來消除割縫尺寸誤差。

通過以上的分析得出，影響激光切割質量的主要原因是：⑴切割參數的調整不合理；⑵材料切割氣體選用不當；⑶激光割縫所對應的補償量選用不當。

影響切割生產效率的主要原因是：⑴板料長度誤差；⑵最佳切割路徑的選擇。

技術改進對策及實施

對策一：確定最佳切割參數

⑴確定激光聚焦點位置參數。

通過調試比較激光聚焦點在材料厚度為0.65mm的不同位置的切割質量，確定聚焦點在板厚中心位置時，切割斷面的質量最好。

⑵確定激光功率及切割速度匹配參數。

通過多次反復調試，將切割速度由原來的3m/min提高到5m/min的工作狀態，相匹配的激光功率提高到1200W，能夠保證切割后質量滿足要求。

⑶確定氣體壓力匹配參數。

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

對策二：確定切割材質為SPT83BQ鋼板的切割氣體

按操作說明書，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度碳鋼，由于材料表面的鋅合金熔點低，導致氧化結瘤嚴重。經試驗后，決定按不銹鋼切割模式采用99.999%純氮氣進行切割，切割后毛刺能達到用戶要求。

對策三：確定最優切割路徑

機器默認的切割路徑如圖3所示，通過手工修改程序，切割路徑得以優化，如圖4所示，從而使切割時間節約1分多鐘。

對策四：設計、制造快速定位工裝

為保證切割后對稱度的要求，并能實現快速高效定位，減少因板料長度誤差而進行調整的時間，提高生產效率，設計制作快速定位工裝，如圖5所示。

實施效果檢查

對策實施后，對L11K激光切割件連續生產2000件后的質量情況進行統計，如表1所示。

表1 改善后的質量切割情況

通過以上統計情況來看，切割毛刺的合格率為99.6%，比試制時有較大程度的提高，但在實際作業中發現，由于生產時采用的切割氣體是5.3m3/瓶的純氮氣，當每瓶氮氣快用完時，由于氣壓下降，操作者要及時對切割氣壓進行調整，否則就會出現切割毛刺變大的情況。另外，由于采用氮氣切割時，氮氣的消耗量較大，每切割15件左右就需要更換一瓶氮氣，每瓶氮氣更換時間約占7min，每天換氣就占用49min時間，生產效率低，并且現場氣瓶堆積較多，嚴重占用生產場地。

制定改進措施

⑴為減少換瓶占用的時間，提高生產效率，決定采用120kg/罐的液態氮，每罐液態氮相當于20瓶5.3m3/瓶純氮氣。

⑵為解決液態氮在氣化時罐體表面結冰嚴重，導致氣化量跟不上切割時氣體消耗量的問題，考慮增加一套氣化器，并將兩罐液態氮并聯使用，以滿足生產需要。

⑶修改切割程序中的子程序，關閉空行程時氮氣控制閥，節約氣體的消耗。

⑷加強對氣瓶氣壓的監控，規定每切割100件檢查一次氣瓶壓力。

改進后的實施效果

在改進措施實施后，L11K激光切割件的切割質量比較穩定，每月產量穩定在4000～5000件，最終檢驗合格率達到99.9%。由于采用大罐液態氮代替小瓶氮氣，每大罐液氮可割300件左右，而小瓶純氮只能割15件，每件可節約氮氣2元左右。且由于修改數控子程序，關閉空行程時氮氣消耗，又可使每件節約0.12元。更換氣體頻次也由每天7次降到2天一次，一年可節約制造成本10萬余元。

結束語

通過L11K項目的開發及攻關，從中積累了不少激光切割的生產經驗。在激光加工中，切割質量除與上述因素有關外，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整、激光光路中保護氣體的純凈度等眾多因素有關。雖然此次解決了L11K薄板件激光加工中存在的問題，但在針對不同材質及板厚材料的加工方面仍需進一步積累經驗。