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激（jī）光切割技術在汽車產品送樣階段的開（kāi）發和應用

2017-1-10 來源：東風汽車模具衝壓有限公司模具分公司作者：楊興

1. 概述

近年來（lái），多軸激光切割技術以加工應用範圍廣、工藝靈活多樣、加工精度高、質量（liàng）好、生產清潔、易實現自動化、柔性化和智能化等優點正逐步取代傳統的加工方法。汽車工業是一個需要大量（liàng）加工和測試的生產型產業，也是激（jī）光技術應用最廣（guǎng）泛的行業之一。

如今多（duō）軸激光切割加工在汽車的新產品開發中，已逐漸取代傳統汽車覆蓋件的手工送樣，成為汽車製造商縮（suō）短開發周期、降低成本，提（tí）高競爭力的有力工具。汽車模（mó）具生產的特點導致了在落料模、修邊衝孔模製（zhì）造中試驗尺（chǐ）寸不易控製的問題，該類模具生產周（zhōu）期相對較長，送樣階段模具尺寸往往沒有定型時，主機廠已經需要樣件裝車。為（wéi）此（cǐ），激光切割技術在汽車零件（jiàn）的送樣階段加工、應用，有效地縮短了模具試驗（yàn）尺寸的周期，同時激光切割汽車（chē）零件的高質量和高效率為單件小批量或者迂回提供製件帶來了可（kě）能。特（tè）別（bié）是在小批量供件時（shí），可以直接采用激（jī）光切割技術，節省工（gōng）裝費用，經濟效益十分（fèn）明顯。在模具生產中使用激光（guāng）切割技術，可以（yǐ）取代以往手工生產樣件的工藝，合（hé）理地消除以往手工生產誤差和幾個樣（yàng）件的不統一性，提高模具生產中的技術含量和生產能力。本文重點闡（chǎn）述了激光切割技術（shù）在汽車產品送樣階段的應用。

2. 激光切割設備概況

我（wǒ）公司使（shǐ）用的OPTIMO 2545型數控激光切割機（見圖1）是（shì）由意大（dà）利普瑞瑪電器公司設計製造的，其工作流程如圖2所示。OPTIMO是一種（zhǒng）大型龍門框（kuàng）架式結構（gòu）的機床，它主要由床身、激光發生器、數控係統、導光係統、冷卻係統及高壓切割係統組成。激光發生器主要作用是產生激光束；導光係統由發射鏡和聚焦透鏡組成，它的作用是將激光發生器產生的激光束傳遞到加工頭來進行激光切割加工；數（shù）控係統控製機床的運動（dòng），同時控製（zhì）加（jiā）工過程中所有的工藝參數，例如（rú）加工速度、激光器參（cān）數等；高壓切（qiē）割係統主要用於在切割不鏽鋼時使用N2或其他保護氣體以減少切割（gē）時工（gōng）件邊緣的氧化；冷卻（què）係統用於將激光器（qì）和導光係統中所產生的熱（rè）量（liàng）帶走。

由（yóu）於激光切割加（jiā）工的（de）工藝要求，激光光（guāng）束必須和加工對象表麵法向（xiàng）垂直才能得到較好的加工質量。因此，對於三維激光切（qiē）割加（jiā）工（gōng）來說，除了需要X、Y、Z三個直線軸控製空間位（wèi）置外，還（hái）需兩個旋轉（zhuǎn）軸形成五軸聯動，才能進行有效地切（qiē）割加工。OPTIMO2545型激光（guāng）切割機由X、Y、Z三直線（xiàn）軸（zhóu），繞Z軸擺動的A軸（zhóu），繞X軸擺動的B軸構（gòu）成，這樣可以保證焦點（diǎn）以恒速運動且光束垂直於加工表麵對（duì）象。另外切割頭（tóu）還有一個可快速運動的（de）隨動C軸，其（qí）行程（chéng）為±7.5mm（見圖3）。

3. 激光切割軟件的使用

（1）原始數據的擬合

使用類似POWERSHAPE等軟（ruǎn）件產生的SPLINE線直接進行（háng）加（jiā）工（gōng），發現局部線串過多，激光加工滯留時間過長，會導致工件被灼傷。因此，在進行FORMA數據（jù）格式轉換前，應將（jiāng）SPLINE線擬合成為直線和圓弧（與掃描數據（jù）擬合成為線（xiàn）切割線（xiàn）圖的過程基本一致）。FORMA、PEPS軟（ruǎn）件（jiàn）也提供了一些（xiē）簡化數據線（xiàn）的方法，但操作相對比較麻煩。

（2）編程和加工基（jī）準的確立

激光切割機（jī）的機床加工坐標（biāo）係符合右手笛卡（kǎ）兒坐標係，因為機器本身不能設定類似與數（shù）控機床的相對坐標係，所以要按照三點（diǎn）定位法建立適合激光加工的坐標係。在導入數據前的模型中設立不在同一直線上的三個點（diǎn），以

這三個點作為基準點。①將這（zhè）三個基準點的（de）坐標值記（jì）錄好後，傳輸（shū）給操作者，在主模型（xíng）標（biāo）出（chū）此三點。②將數模與（yǔ）三（sān）個基準點使用平移的功能移動到相對合適的位置。注意：此時的X，Y值（zhí）必須為正，Z值（zhí）必須為負（機床的編程（chéng）範圍X-100~4300；Y0~2500；Z0~-900；Z值為Z-500~-600加（jiā）工為好）。③在建立好的坐標係下，測量出三個基準點的坐標值，以後這三個值將輸入（rù）到程序（xù）代碼（mǎ）中去，以便補（bǔ）償使（shǐ）用。④上述的工作必須在數據格式轉換（huàn）前完成，否則（zé）將給以後的工作帶來極大不便。⑤進行數據的格式轉換後，可以進行（háng）後續（xù）的編程（chéng）工作。

（3）編程軟件的使用

激光切割程序生成的步驟如下：第一步，直接創建（jiàn）、提取或直接導入CAD圖形；編程時應利用UG軟（ruǎn）件（jiàn）的CAD功能，通過UG和PEPS軟件的數據接口實現最終的激光切割編程。之所以使用UG軟件，是因為我公司CAD/CAM平台使用的是UG軟件，利於數據的轉換和保存。UG軟件提供大量線擬合的工具，方便修改數（shù）據；PEPS軟件（jiàn）的優勢在於激光切（qiē）割程序的編製。激光定位流程如圖（tú）4所示。第二步，自動定位工件位

置（zhì），因其包含一個（gè）快速的切割工件機床定位係統，采用易用的偏移模式，自動選擇中心，並可對軸超程進行監測。第（dì）三步，選取（qǔ）曲麵或實體進行（háng）加（jiā）工，每一個（gè）加工路徑可直接在（zài）界麵上點取後進行修正，切割修正包括切割激光（guāng）頭控製、牽引向下/中止/向上控製、切（qiē）割移動、增加微連接、增（zēng）加轉換點、改變工藝點、改變切割次序（xù）、自動（dòng）過切與空跑過濾（lǜ）及報警係統。第四步，PEPS自動產生夾具係統，可采用多重夾具設計（jì）工藝產生（shēng）組合交叉夾具與夾具網格，並可產生夾具DXF與（yǔ）NC程序。第五步，PEPS調用（yòng）相（xiàng）應的機床後置係統，選取按“材料/厚度”對應的機床切割工藝，自動產生 CNC代碼（mǎ）與（yǔ）工藝文件。

（4）切削參數的使用

保證穿（chuān）孔和切割質量的（de）前提條件：氧氣的純度≥99.95%；透鏡和噴嘴的品質（zhì）良好；材料的質量可靠（經鑒定, 材料（liào）的（de）含氧化物和磷化物的指標合格，無噴漆）；激光切割的模式穩定。1mm碳鋼（gāng）的穿孔和切割參數如表1、表2所示（噴嘴直徑為2mm）。

4. 激光切割中出現的問題及解決方案

激光切割的過程中，分為穿（chuān）孔階段和切割階段（duàn）。出現的切割質量問題，綜合下來主要受材料、切割速度、切割氣體（tǐ）及聚焦點等多（duō）個（gè）方麵共同影響（xiǎng）。穿孔和切割階段的問（wèn）題（tí）和解決方案分別如表3、表4所示。

表1 穿孔參數

表2 切割參數

5. 結（jié）語

由於五軸聯動和激（jī）光束在加工過程中（zhōng）始終（zhōng）與工件表麵垂直的特點，所以激光切割可實現多（duō）輪試定輪廓的一次切割完成。同時（shí）由於激光（guāng）切割具有切割質（zhì）量好、切割速度快（kuài）、曲線尺寸容易（yì）控製、編程簡單的特點，使得激光切（qiē）割的應用極大縮短了輪廓試定時間，改善了汽車零件送樣（yàng）狀況。

表3 穿孔階段的問題（tí）和解（jiě）決方案

表4 切割（gē）階段的問題（tí）和解決方案

同時我公司PEPS軟（ruǎn）件的引進（jìn）使用，解決了以往（wǎng）激光切割（gē）軟（ruǎn）件使用的不便，使編程人員編製激光切割程序更（gèng）加易於操作，合理（lǐ）避免激光頭的幹（gàn）涉碰撞問題，激光定位自動生成為生產車間提供了方便，改變以往塑料支架的（de）製作，使激光夾具更利於加工和存放；同時減輕了操（cāo）作人員的勞動強（qiáng）度。

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