不銹鋼彎管激光加工的研究

韓麗杰 李玉鳳

[摘要]隨著我國數控技術和激光技術的進步，我國在數控激光切割機的研發上投入了巨大的人力物力，數控激光切割機的制造獲得了極大的發展。本文對汽車進、排氣彎管的激光加工進行了重點研究，指出了存在的問題和設計的思路，探討了優化措施，對激光加工技術的發展有一定借鑒意義。

[關鍵詞]不銹鋼彎管;激光加工;PLC技術

[中圖分類號] TG665

[文獻標識碼]A

近年來，國內汽車、摩托車以及空調等裝備制造業發展勢頭迅猛，不銹鋼彎管作為管路的重要組成零件，市場前景廣闊。由于各類彎管直徑、壁厚、彎曲半徑、角度等規格較多，采用激光切割的方式產品加工切換困難，傳統的不銹鋼彎管主要以線切割的方式生產，通過工人手動來調節夾裝設備，這種加工方式生產效率低、表面粗糙度差、產品質量不穩定、工人勞動強度大，費時又費力，僅僅適用于小批量彎管的加工。而對于大批量的彎管生產，則采用激光切割的方式進行，如何實現加工過程中各規格彎管產品快速切換成了一個只待解決的難題。隨著PLC技術的不斷進步，使得彎管的自動化加工成為可能。本文以汽車進、排氣彎管的激光加工為例，進行深入的研究與探討。

1 數控激光切割機

激光切割是一種利用高能量密度的激光束加熱工件表面，極短的時間內使材料氣化，通過激光束和材料的相對移動，達到了切割材料的目的。相比于砂輪機切割，激光切割的零件不易出現毛邊和掛口，切割完成后也不用擔心切割使零件表面變色，省去了后續的打磨拋光工序，降低了工人的勞動強度。汽車進、排氣彎管是一種薄壁不銹鋼管，這種管件采用砂輪機切割很難達到質量要求，甚至在加工的過程中產生形變。如果采用激光加工，則切割口不會有機械應力，沒有毛刺出現，精度也可以達到要求。為了排除外界因素的影響，激光技術與PLC技術相結合的數控激光機床被應用于生產各種機械零件。數控機床實現了工件角度的自動調整、自動夾緊、自動切割、自動停止以及松開工件等一系列工序，適應了不同需求的工件生產。激光數控機床不損傷材料表面結構，重復性和精度極高，保證了零件的標準化，數控技術的運用更是降低了人力成本，產品質量明顯提高，經濟效益明顯。

2彎管激光切割的主要問題

2.1 彎管在夾緊過程中的形變問題

汽車的進、排氣管管壁一般僅有l.Omm左右，壁厚較薄，極其容易發生形變，對工件的夾緊機構提出了較高的要求。首先夾緊機構必須保證定位準確，不能出現工件的位移;其次，夾緊力的大小必須要可靠，既要保證位置不變，還要保證管件不發生嚴重形變;最后夾緊機構要有一定的白鎖能力，不僅要能承受外力不移動，外力突然消失時也不能發生位移。

2.2切割線的控制問題

激光切割一般激光頭是固定的，要想讓彎管切割按照工藝要求進行，就必須要通過夾具的旋轉來實現切割線和激光頭在同一平面。這一點是較困難的，首先，必須進行比較復雜的數學運算來繪制夾具的運轉軌線，其次要通過PLC技術控制電機的運轉帶動夾具運轉，最后我們需要加工的彎管常常是不同規格、不同角度的彎頭，切割線的控制難度更大。

2.3工件的控制問題

工件定位角度、調整角度以及旋轉角度的控制，激光切割和松開工件的自動化控制如何控制，是保證激光加工自動化最核心的難題。要解決這一問題，需要我們詳細分析研究工藝的過程，熟悉激光設備的結構原理以及各個關鍵參數，掌握PLC編程控制方法，能夠準確根據工藝需求輸入控制信息。

3彎管切割的優化設計

3.1 夾緊設計要點

不銹鋼彎管管壁厚約1—0.8mm，采用普通加緊裝置，容易造成因夾緊力過大而引起的變形，或因夾緊力過小而導致的工件在加工過程中位置變化，采用三爪氣缸進行夾緊，三爪能實現彎管安裝的自定心.并且能夠實現自動夾緊、自動松開動作;氣動可以預設夾緊力，保證工作的夾緊并防止變形;同時三爪氣缸結構緊湊，并且重復裝夾地精度較高。

為保證加緊安全可靠，夾緊部分不能過短，在保證夾爪不與彎管干涉的情況下，夾緊長度一般不小于30mm，為保證彎管加緊表面的精度，在夾爪的夾持部分可以裝有夾持墊來防護排氣管的表面不被破壞。

3.2電機的科學管控

單電機的科學管控涉及到的PLC技術，需要具備PDRVA、PLSV以及DRVI功能。其中PLSV功能是隨著時間改變速度也相應改變的變速運行命令，對于定位工作無法完成，但是它仍然是一種十分靈活的管控命令。DRVI與PLSV不同，主要是完成定位任務，方位確定后，電機將會暫停等待下個命令。在實際的運行過程中，常常是以PLSV技術為主，PDRVA、DRVI命令為輔，這樣可以保證電機獲得的命令明確，設備運行穩定。在設計PLC系統時需要準確把握不同命令形式的功能劃分，對電機進行科學管控。首先，需要保證程序運行合理。對起繞點進行合理的定位，保證按下按鈕后電機能夠按照設定好的程序快速運行、往返運行、緩慢暫停或者是快速停止。然后應該做好PLC的調控。對于運行有關的速度設置、定位有關的起止點設置，要與伺服電機的單圈脈沖數進行緊密融合。對于雙電機的管控較為復雜，研究的重點是兩組電機的運行情況和速度的匹配問題，并進行精準定位。

3.3隨動機構設置

為了確定激光平面與工作面在同一位置，需要將切割頭的高度進行調整，激光頭位置決定了縫隙的大小以及切割質量的好壞。這就要求我們需要將隨動機構進行合理化的設置，保證切割精度和隨動速度的要求，誤差應控制在±O.Olmm，隨動速度應該在5 m/min，一般不能過快或者過慢。

3.4運動機構優化

評價數控切割機的好壞主要看運動機構設計是否合理，負載慣量比值是否在最優區間內。一般通用的電機負載慣量比值在1：10。但是在實際的生產設計中，為了使電機運行在最佳狀態，可將負載慣量控制在1：3左右。

3.5激光切割機的優化分析技巧

激光切割機的設計通常會采用兩種方法進行設計和優化，或者兩種設計優化方法結合使用。一是經驗分析法，結合過去的加工經驗以及國內外的相關產品加工經驗，進行優化設計。也可以結合一些生產單位提供的設計思路，比如山東鵬沃激光科技有限公司提出設計方案較為可取。二是實踐反思法，積極的與學校教師和相關企業技術員溝通，進行理論研究，理論研究進行到一定階段后做出實物進行實踐，根據實物實踐過程中出現的問題，思考解決辦法，不斷提高和改善。在整個設計工作中，我們可以按照設計方案、可行性分析、圖紙設計、樣機制作、試運行以及調整驗收的思路運行，最終得到滿意的產品。

3彎管的激光加工設計

以彎管激光加工為例，在初步設計過程中，可供參考的技術路線有如下幾種：（1）線切割，工件固定不動，這種方案速度慢，耗時較長。（2）通過設計多種不同角度、不同尺寸的裝置進行立式激光機切割，這種加工方式不適合汽車彎管這種大規模生產的部件。（3）用臥式激光機切割，工件通過夾緊裝置夾緊后，激光頭進行運動，改變激光頭的運行軌跡來切割工件。這種加工方式常常會導致價值昂貴的激光部件損壞，設備維修成本極高，工件質量也很不穩定。（4）通過旋轉夾緊裝置來實現激光頭和工件的相對運動，這種方式采用的是立式激光切割機進行操作，特別適合于汽車彎管這種工件量大，效率較高的產品，這種思路較為實用。為了實現這種思路，進行可行性分析。這種方式是由激光切割機、工件回轉和夾緊裝置構成的。這種結構的特點是激光頭固定，工件回轉。要想實現工件回轉調整，就必須有兩臺伺服電機，一臺實現工件的進退，另一臺控制工件旋轉。其加工過程如下：首先是角度的調整，先用伺服電機將角度調整至工藝要求范圍。隨后夾緊工件，夾緊裝置收到信號后自動將工件夾緊，夾緊力不可過大或過小。然后啟動工件回轉裝置，按照工藝要求和激光脈沖數的匹配要求進行工件的回轉，使管件繞軸線回轉運動，與此同時，激光切割機啟動，完成管件切割。

4結語

彎管的激光加工適用于多種直徑和尺寸的彎管，一方面克服了傳統切割質量不穩定、耗時時間長的缺點，另一方面，通過PLC技術實現了自動、半自動控制，從而實現了自動化生產流程。降低了操作成本、勞動強度，提高了資源利用率，極大地改善了生產環境。與此同時，也應該看到我國的激光加工技術還未達到世界先進水平，機床的穩定性、光束性能等都還有很大差距，也沒有將人機關系考慮在內。我們還要認清差距，在此方向上不斷努力，進行深入的研究，提高創新能力，促使我國的數控激光技術做大做強，提高我國產品的國際競爭力。

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