激光切割技術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

在現代制造業中，特別是在工程機械行業，對于刀板等關鍵零部件的要求越來越高。這些部件不僅需要具備高強度、耐磨性等特點，還必須保證加工精度以確保最終產品的質量和性能。傳統的機械切割方法已經無法滿足當今制造業對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，逐漸成為了該領域的首選技術之一。本文將重點討論如何利用激光切割技術來實現刀板輪廓的精確加工。

1激光切割技術簡介

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形成孔洞，隨后隨光束與材料相對位置的移動而形成切縫的過程（如圖1）。這一技術具有非接觸式加工、速度快、切口光滑平整、熱影響區小等優點，在金屬板材的切割上展現出了無可比擬的優勢。

2刀板輪廓加工的技術要求

2.1刀板材料特性及對切割質量的影響

刀板作為工程機械中的關鍵部件，通常選用的是高硬度合金鋼材料，這類材料具備優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（日本標準的冷作模具鋼）等，它們均具有較高的硬度和韌性。然而，正是這些優良的物理性能使得在進行二次加工時面臨諸多挑戰。

高硬度的合金鋼在提供良好耐磨性的同時，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，則可能導致刃口磨損加速，從而影響切割面的質量。

在制造過程中，合金鋼材料內部存在著一定的殘余應力。當采用激光切割方式對其進行加工時，高溫作用下材料局部的快速加熱與冷卻會引起應力釋放，如果不加以適當處理，這種應力釋放會導致工件變形，特別是對于薄壁結構來說更是如此。為了最小化這種影響，通常需要在設計階段就考慮到熱處理流程，以及在切割后安排適當的退火工序來消除應力。

激光切割過程中形成的熱影響區是另一個需要關注的問題。由于激光束的高度集中能量，使得切縫兩側形成一定寬度的熱影響區。在這個區域內，材料的微觀結構會發生改變，比如晶粒長大、相變等，從而導致力學性能的改變。對于一些精密應用而言，過大的HAZ會降低零件的整體性能。因此，控制HAZ的大小成為提高切割質量的一個重要方面。

2.2刀板輪廓加工中常見的精度問題

在進行刀板輪廓加工時，盡管采用了先進的激光切割技術，但由于多種因素的綜合影響，仍會出現一系列影響加工精度的問題：

1）切邊粗糙度是衡量切割質量的重要指標之一。理想情況下，切割后的刀板應呈現出平滑無毛刺的邊緣。但實際上，由于切割速度、氣體壓力等因素控制不當，常常會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刮傷其他部件或影響配合精度。

2）尺寸精度對于機械零件至關重要。在激光切割過程中，即使是微小的尺寸偏差也可能導致整個產品報廢。常見原因包括材料熱膨脹系數估計不足、切割路徑計算錯誤、機器定位精度不夠高等。

3）除了尺寸上的誤差外，形狀失真也是一個不容忽視的問題。尤其是在切割復雜曲線或小半徑圓角時，如果激光焦點偏移或切割速度不穩定，則容易導致形狀偏離設計要求，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

隨著市場競爭日益激烈，客戶對產品的要求也越來越高。對于工程機械行業來說，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，降低生產成本，更能增強產品的競爭力，贏得客戶的信任。

從長遠來看，提高加工精度有助于企業節省原材料消耗，減少返工次數，從而提高生產效率。同時，高質量的產品也有助于企業樹立良好的品牌形象，獲取更多的市場份額。

對于終端用戶而言，一個加工精細、性能穩定的刀板意味著更高的工作效率和更低的維護成本。特別是在一些惡劣的工作環境中，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，才能更好地服務于市場需求，保障用戶的利益。

3激光切割在刀板輪廓加工中的應用

3.1激光切割參數的選擇（功率、速度、焦距等）

為了獲得最佳的切割效果，在實際操作前需要根據具體的材料類型和厚度來調整激光器的功率輸出、切割速度以及聚焦點的位置等因素。合理的參數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險。

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 是與材料相關的常數； t 是材料的厚度。例如，對于厚度為 10mm 的不銹鋼板，假設 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量。速度過快會導致切縫粗糙，速度過慢則會增加熱影響區。一般推薦的切割速度范圍可以根據經驗公式（2）來估算：

式中： A 是材料的吸收系數。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) ：焦距的選擇對于確保激光束在正確的平面內達到最大能量密度至關重要。焦距通常取決于材料的厚度和激光波長，見經驗公式（3）。

f=a.t+b

式中： α 和 b 是經驗常數，取決于使用的激光類型和材料特性。例如，對于 CO₂ 激光切割， α 大約為 0.01mm^-1 ， b 大約為 25mm ，那么對于 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。合適的氣體壓力可以提高切割速度和質量。推薦的壓力范圍可以根據經驗公式（4）給出：

P_gas=c?P+d

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

3.2刀板材質與激光切割參數的關系

不同的合金成分會導致材料對激光吸收率的變化，進而影響切割效率及質量。因此，在進行激光切割之前，需根據具體材質制定相應的加工方案。

吸收率（ α ）決定了材料對激光能量的吸收程度。不同材料的吸收率差異很大，通常可以用式（5）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可以使用較低的功率。

熱導率（k）：材料的熱導率越高，傳遞熱量的能力越強，從而有助于減少熱影響區。熱導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，熱導率高的材料（如鋁）在切割時可以

承受更高的速度。

3.3激光切割路徑規劃的重要性及其方法

合理的切割路徑設計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或加工缺陷。通過計算機輔助設計軟件模擬不同路徑下產生的結果，選擇最優解進行實際生產。

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

這里 x 和 y 分別代表路徑上各點的坐標值。

例如，在切割多個相同輪廓的刀板時，可以先用CAD軟件設計出所有輪廓，然后使用路徑優化算法找出最短的總路徑長度。這樣不僅可以減少空程時間，還可以通過減少重復定位來改善切割質量。

4精度控制的關鍵技術

4.1激光切割過程中的熱影響區控制

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

1）優化冷卻系統設計。

為了有效地控制HAZ，可以通過優化冷卻系統的設計來實現。常用的冷卻液包括水、水基乳化液或專用冷卻劑。例如，對于低碳鋼，水基乳化液可以提供良好的冷卻效果；而對于不銹鋼等材料，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切割區域。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；根據材料厚度和激光功率調整冷卻液的流量和壓力。例如，對于厚度為 10mm 的不銹鋼板，建議冷卻液流量為20升/分鐘，壓力為 2bar 。

2）預冷措施。

預冷可以通過在工件表面涂抹冷卻劑或將其放置在低溫環境中實現。預冷可以有效降低材料初始溫度，減少熱擴散效應。例如，將工件預冷至零下20攝氏度，可以顯著減少切割過程中產生的熱影響區。

為了驗證上述方法的有效性，可以通過金相分析、硬度測試等手段對HAZ進行評估。例如，使用顯微硬度計測量HAZ區域的硬度分布，以確認是否達到了預期的控制效果。一般情況下，HAZ的寬度不應超過材料厚度的 10% ，硬度變化不應超過原硬度的 20% 。

4.2激光切割頭的自動對焦技術

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發生變化，這直接影響到切割質量。自動對焦技術能夠實時監測工件表面位置，并自動調整激光焦距，確保在整個切割過程中都能保持理想的切割條件。

1）傳感器技術。

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

2）控制算法。

一旦檢測到工件表面位置的變化，控制系統就會根據預先設定的算法調整激光焦距。常見的控制算法包括：PID控制器，通過比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative）三項參數來調整輸出信號，以實現對焦距的精確控制。PID參數通常設置為： 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。

在實際切割過程中，工件表面可能會出現微小的不平整現象。此時，自動對焦系統需要具備動態調整能力，即能夠快速響應表面變化，及時修正焦距，確保切割質量不受影響。例如，對于厚度變化在 ±0.5mm 范圍內的工件，自動對焦系統應能在0.1秒內完成調整。

4.3振動控制與補償機制

由于激光切割機本身及其運行環境中的各種因素，機械運動引起的振動不可避免地會影響到切割精度。為了解決這一問題，可以采用動態補償算法與機械結構改進相結合的方法。動態補償算法通過預測和補償振動帶來的影響，提高系統的穩定性和精度。具體實現方法包括模型預測控制（MPC）和前饋控制。模型預測控制基于系統的數學模型，預測未來的輸出，并據此調整當前的控制輸入；例如，對于一個典型的MPC系統，預測時間窗通常設為5秒，控制時間窗為1秒。前饋控制則是在振動源發生前，提前施加補償力，以抵消振動影響；前饋增益通常設置在0.8至1.2之間，以保證補償效果。

除了軟件層面的補償，對硬件進行改進也是減少振動的有效手段。例如，加強結構剛性可通過增加支撐點、優化連接方式等措施提高機械結構的整體剛性；對于重型機械床身，通常建議使用鑄鐵材料，并增加橫梁數量以提高剛性。安裝減振器或阻尼器可以吸收高頻振動，減少對外部環境的敏感性；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基礎或懸掛系統將激光切割機與其他設備隔離，可以減少外部振動的傳入；例如，可以使用彈簧懸掛系統來隔離地面振動，隔離頻率通常設為2HZ以下。

5結束語

激光切割技術以其獨特的優點，在刀板輪廓加工中發揮了重要作用。通過合理選擇切割參數、優化路徑規劃以及采用熱影響區控制、自動對焦技術和振動補償機制等關鍵技術，可以顯著提高刀板加工的精度。這些技術的應用不僅提升了刀板的加工質量，也為工程機械行業的制造水平帶來了新的提升空間。未來，隨著相關技術的進一步發展和完善，相信激光切割技術將在更多領域展現出更加廣闊的前景。

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