激光切割技術(shù)在汽車產(chǎn)品送樣階段的開發(fā)和應用
2017-1-10 來源：東風汽車 模具沖壓有限公司模具分公司 作者：楊興
1. 概述
近年來，多軸激光切割技術(shù)以加工應用范圍廣、工藝靈活多樣、加工精度高、質(zhì)量好、生產(chǎn)清潔、易實現(xiàn)自動化、柔性化和智能化等優(yōu)點正逐步取代傳統(tǒng)的加工方法。汽車工業(yè)是一個需要大量加工和測試的生產(chǎn)型產(chǎn)業(yè)，也是激光技術(shù)應用最廣泛的行業(yè)之一。
如今多軸激光切割加工在汽車的新產(chǎn)品開發(fā)中，已逐漸取代傳統(tǒng)汽車覆蓋件的手工送樣，成為汽車制造商縮短開發(fā)周期、降低成本，提高競爭力的有力工具。汽車模具生產(chǎn)的特點導致了在落料模、修邊沖孔模制造中試驗尺寸不易控制的問題，該類模具生產(chǎn)周期相對較長，送樣階段模具尺寸往往沒有定型時，主機廠已經(jīng)需要樣件裝車。為此，激光切割技術(shù)在汽車零件的送樣階段加工、應用，有效地縮短了模具試驗尺寸的周期，同時激光切割汽車零件的高質(zhì)量和高效率為單件小批量或者迂回提供制件帶來了可能。特別是在小批量供件時，可以直接采用激光切割技術(shù)，節(jié)省工裝費用，經(jīng)濟效益十分明顯。在模具生產(chǎn)中使用激光切割技術(shù)，可以取代以往手工生產(chǎn)樣件的工藝，合理地消除以往手工生產(chǎn)誤差和幾個樣件的不統(tǒng)一性，提高模具生產(chǎn)中的技術(shù)含量和生產(chǎn)能力。本文重點闡述了激光切割技術(shù)在汽車產(chǎn)品送樣階段的應用。
2. 激光切割設(shè)備概況
我公司使用的OPTIMO 2545型數(shù)控激光切割機（見圖1）是由意大利普瑞瑪電器公司設(shè)計制造的，其工作流程如圖2所示。OPTIMO是一種大型龍門框架式結(jié)構(gòu)的機床，它主要由床身、激光發(fā)生器、數(shù)控系統(tǒng)、導光系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及高壓切割系統(tǒng)組成。激光發(fā)生器主要作用是產(chǎn)生激光束；導光系統(tǒng)由發(fā)射鏡和聚焦透鏡組成，它的作用是將激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光束傳遞到加工頭來進行激光切割加工；數(shù)控系統(tǒng)控制機床的運動，同時控制加工過程中所有的工藝參數(shù)，例如加工速度、激光器參數(shù)等；高壓切割系統(tǒng)主要用于在切割不銹鋼時使用N2或其他保護氣體以減少切割時工件邊緣的氧化；冷卻系統(tǒng)用于將激光器和導光系統(tǒng)中所產(chǎn)生的熱量帶走。
由于激光切割加工的工藝要求，激光光束必須和加工對象表面法向垂直才能得到較好的加工質(zhì)量。因此，對于三維激光切割加工來說，除了需要X、Y、Z三個直線軸控制空間位置外，還需兩個旋轉(zhuǎn)軸形成五軸聯(lián)動，才能進行有效地切割加工。OPTIMO2545型激光切割機由X、Y、Z三直線軸，繞Z軸擺動的A軸，繞X軸擺動的B軸構(gòu)成，這樣可以保證焦點以恒速運動且光束垂直于加工表面對象。另外切割頭還有一個可快速運動的隨動C軸，其行程為±7.5mm（見圖3）。
3. 激光切割軟件的使用
（1）原始數(shù)據(jù)的擬合
使用類似POWERSHAPE等軟件產(chǎn)生的SPLINE線直接進行加工，發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換前，應將SPLINE線擬合成為直線和圓弧（與掃描數(shù)據(jù)擬合成為線切割線圖的過程基本一致）。FORMA、PEPS軟件也提供了一些簡化數(shù)據(jù)線的方法，但操作相對比較麻煩。
（2）編程和加工基準的確立
激光切割機的機床加工坐標系符合右手笛卡兒坐標系，因為機器本身不能設(shè)定類似與數(shù)控機床的相對坐標系，所以要按照三點定位法建立適合激光加工的坐標系。在導入數(shù)據(jù)前的模型中設(shè)立不在同一直線上的三個點，以
這三個點作為基準點。①將這三個基準點的坐標值記錄好后，傳輸給操作者，在主模型標出此三點。②將數(shù)模與三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值必須為正，Z值必須為負（機床的編程范圍X-100~4300；Y0~2500；Z0~-900；Z值為Z-500~-600加工為好）。③在建立好的坐標系下，測量出三個基準點的坐標值，以后這三個值將輸入到程序代碼中去，以便補償使用。④上述的工作必須在數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換前完成，否則將給以后的工作帶來極大不便。⑤進行數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換后，可以進行后續(xù)的編程工作。
（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(chuàng)建、提取或直接導入CAD圖形；編程時應利用UG軟件的CAD功能，通過UG和PEPS軟件的數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)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平臺使用的是UG軟件，利于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和保存。UG軟件提供大量線擬合的工具，方便修改數(shù)據(jù)；PEPS軟件的優(yōu)勢在于激光切割程序的編制。激光定位流程如圖4所示。第二步， 自動定位工件位
置，因其包含一個快速的切割工件機床定位系統(tǒng)，采用易用的偏移模式，自動選擇中心，并可對軸超程進行監(jiān)測。第三步，選取曲面或?qū)嶓w進行加工，每一個加工路徑可直接在界面上點取后進行修正，切割修正包括切割激光頭控制、牽引向下/中止/向上控制、切割移動、增加微連接、增加轉(zhuǎn)換點、改變工藝點、改變切割次序、自動過切與空跑過濾及報警系統(tǒng)。第四步，PEPS自動產(chǎn)生夾具系統(tǒng)，可采用多重夾具設(shè)計工藝產(chǎn)生組合交叉夾具與夾具網(wǎng)格，并可產(chǎn)生夾具DXF與NC程序。第五步，PEPS調(diào)用相應的機床后置系統(tǒng)，選取按“材料/厚度”對應的機床切割工藝，自動產(chǎn)生 CNC代碼與工藝文件。
（4）切削參數(shù)的使用
保證穿孔和切割質(zhì)量的前提條件：氧氣的純度≥99.95%；透鏡和噴嘴的品質(zhì)良好；材料的質(zhì)量可靠（經(jīng)鑒定, 材料的含氧化物和磷化物的指標合格，無噴漆）；激光切割的模式穩(wěn)定。1mm碳鋼的穿孔和切割參數(shù)如表1、表2所示（噴嘴直徑為2mm）。
4. 激光切割中出現(xiàn)的問題及解決方案
激光切割的過程中，分為穿孔階段和切割階段。出現(xiàn)的切割質(zhì)量問題，綜合下來主要受材料、切割速度、切割氣體及聚焦點等多個方面共同影響。穿孔和切割階段的問題和解決方案分別如表3、表4所示。
表1 穿孔參數(shù)
表2 切割參數(shù)
5. 結(jié)語
由于五軸聯(lián)動和激光束在加工過程中始終與工件表面垂直的特點，所以激光切割可實現(xiàn)多輪試定輪廓的一次切割完成。同時由于激光切割具有切割質(zhì)量好、切割速度快、曲線尺寸容易控制、編程簡單的特點，使得激光切割的應用極大縮短了輪廓試定時間，改善了汽車零件送樣狀況。
表3 穿孔階段的問題和解決方案
表4 切割階段的問題和解決方案
同時我公司PEPS軟件的引進使用，解決了以往激光切割軟件使用的不便，使編程人員編制激光切割程序更加易于操作，合理避免激光頭的干涉碰撞問題，激光定位自動生成為生產(chǎn)車間提供了方便，改變以往塑料支架的制作，使激光夾具更利于加工和存放；同時減輕了操作人員的勞動強度。
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