激光是一种相干光, 它具有非常优秀的单色性能、极高的亮度、极大的能量密度以及非常好的方向性。由于激光所独具的特点, 它在激光切割、激光打孔、激光焊接、激光治疗、激光打标、激光热处理、激光快速成型、激光成像以及激光涂敷等方面拥有着极大的应用空间和开发潜力。在钣金加工方面, 激光切割机能够有效缩短加工周期、提升加工精度、省略更换冲压模具环节便能够对各种高度复杂的零件进行高精度加工, 在钣金加工当中获得了广泛地应用。
激光切割的主要原理是, 激光切割机会将激光聚焦在待加工材料表面的某一个点上, 激光的光能会在该点上转换为热能, 在极短的时间内 (通常是几微秒) , 激光照射点的温度会迅速达到该材料的熔点, 随后上升至沸点, 材料在融化之后随之气化, 随后该激光照射点会形成一个小孔洞;此时, 激光切割机已经预设好了移动路径, 激光束会在激光切割机的控制开始沿着预设路径移动, 在这个过程中, 被切割材料表面不断发生液化、气化的变化过程, 并在激光走过的路径上面留下一道细长的割缝。
相对于传统的切割工艺, 激光切割技术具有明显的优势, 主要表现:虽然切割速度非常高, 但是切缝相对比较小、切口部位光洁平整、整体切割质量非常好;切割过程中没有传统切割技术存在的刀具磨损问题, 切割时作用面的热影响范围相对比较小;具有很大的切割范围, 在切割形状方面也不存在限制, 更加容易实现数控化;省去了传统切割方式中存在的器具磨损问题, 切割成本更低、生产效率更高。激光切割机还具有一个传统切割工艺不具备的技术优势, 即在进行复杂加工时不需要模具的支持。在没有模具的情况下, 激光切割机仍然可以高精度、高质量地加工各种形状的钣金零件, 不仅加工方式灵活, 由于不需要模具, 也降低了加工成本。正是因为激光切割机具有上述的诸多优点, 它目前已经在机械加工、航空航天、汽车工业、医药工业、食品工业等领域中获得了非常广泛地应用。
我公司是专业生产纺织机械的企业, 主要生产粗纱机和络筒机两大系列产品。公司所用激光切割机由日本三菱公司生产, 型号:ML3015LVP-5036D, 所用软件是日本村田公司的CAMPASS 2000E编程软件, 最大切割板厚16mm。
第一, 有效借助编程软件的优势, 充分提升薄板材料的利用率。我们以ML3015LVP-5036D型号的激光切割机为例。该型号激光切割机采用CAMPASS 2000E编程软件, 具有优化排料等辅助功能。优化排料功能允许使用者在定尺材料上, 对料厚一样的不同零件进行优化排列, 优化排料功能略去了薄板切割时的开料环节, 不仅材料的装夹频率有效降低, 还有效降低了工时。同时该型号激光切割机具有“飞行光路”功能, 不仅切割速度非常高, 而且由于不需要对被切割的薄板材料进行夹紧, 不存在切割死区的问题;并且使切割方案的编排更加合理, 加工效率和材料节能效果均非常突出。
第二, 缩短了新产品的开发周期, 模具应用数量大幅度降低。目前的钣金加工市场竞争非常激烈, 如何在激烈的竞争环境下加工日益增多的钣金件, 需要认真考量。如果采用模具生产, 不仅模具的设计和制造需要周期, 而且目前许多新产品的钣金加工通常是小批量生产, 模具使用一次便失去价值, 费时又不经济。但是采用激光切割机完全没有以上顾虑, 激光切割的零件不仅质量高, 而且没有模具环节, 生产时间短, 生产效率高, 适合小批量生产, 对于产品开发周期日益缩短的市场环境也是有力的保障。
第一, 20世纪80年代之前, 我公司产品用的机架、箱体等基础的支撑零件, 全部是铸铁件。它的优点是结构稳定、变形小, 缺点是模具制造周期长, 模具费用高, 不适合单件、小批量生产, 环境污染大, 工人劳动强度高。20世纪80年代以后, 随着设计理念的变化, 几十年生产一种产品的模式被打破, 钢板焊接结构的机架、箱体在络筒机和针梳机产品中出现。当时公司还没有激光切割机, 面对由6mm和8mm厚钢板拼焊成的机架、箱体, 我们的加工手段是:用剪板机剪出外形, 用气割粗切出板面内结构, 再用镗床或加工中心将板面内结构精加工成活, 有同心度要求的孔, 还要焊合后再用镗床或加工中心加工成活。加工周期很长, 效率很低。有了激光切割机省去了剪板机和气割甚至镗床或加工中心, 绝大部分板件都能在激光切割机上一次成形, 直接进行焊接合套, 只有很少一些同心度要求很高的孔, 需要焊结成箱体后精加工孔。这样减少了设备种类, 减少了工序, 缩短了工期, 提高了效率。使板焊结构的机架、箱体代替铸铁结构的机架、箱体成为可能。实现了纺机零件的以“焊”代“铸”。由此带来的好处就是:减轻了工人的劳动强度, 改善了公司的工作环境, 减少了环境污染。在新产品试制方面:大大加快了研发进度, 节省了模具投入, 降低了成本。
我公司没有激光切割机之前, 厚3mm以下薄板加工只能用剪板机剪出外形, 板面内所有结构都要通过冲模在冲床上完成。即使是一个非标准的垫圈零件也要出模具, 否则不能加工。应用激光切割机后, 中、小批量零件加工完全不要模具, 只有大量件才需考虑冲模在冲床上加工。特别是新产品试制, 数量小, 结构不确定、随时会改动, 根本不能出模具, 激光切割机大大缩短了新产品制造周期, 减少了模具投入。
激光切割机使我公司厚度4mm以上钢板的加工效率大大提高。由于冲床吨位的制约, 我公司厚度4mm以上钢板不能放在冲床上冲裁加工, 只能用气割粗加工, 再用机加工设备精加工成活, 这样的结果是:浪费材料、增加工序、生产周期长、生产效率低、成本增加。应用激光切割机后, 厚度4mm以上钢板只要不是精度特别高的尺寸, 都能直接切割成活, 比气割的效率还高, 精度还好, 变形也小, 省去了机加工工序。
总之, 激光切割机具有的诸多优点, 使它已经在许多领域中获得了非常广泛地应用。展望未来, 激光切割机也必然会获得更好的发展前景。
摘要：对于钣金加工而言, 激光切割技术是非常先进的切割工艺, 能够大幅度提高劳动生产率。在进行钣金加工的过程中, 应用激光切割机能够有效缩短加工周期、提升加工精度、高精度加工高度复杂零件时省略各种更换冲压模具环节, 这些优点已经被许多制造企业关注, 并开始在钣金加工中积极采用激光切割机。在本文当中, 笔者首先探讨了激光以及激光切割机的相关问题, 而后重点分析了在钣金加工中应用激光切割机的相关情况。
关键词：激光切割机,钣金加工,应用分析
[1] 周鹏飞, 卞正其, 王亮, 等.数控激光切割机探讨[J].金属加工 (热加工) , 2011 (14) :223～225.
[2] 田新国, 王斌修.AISI321不锈钢激光表面合金化工艺研究[C].第14届全国特种加工学术会议论文集, 2011:256～258.
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