文/姚文博，姬明月，李會聰·一拖福萊格車身有限公司

直管激光加工效率與傳統(tǒng)的下料+后續(xù)加工相比，生產(chǎn)效率、人工成本等都具有明顯優(yōu)勢，可以實現(xiàn)零件從原材料到成品的一次性加工，加工工序的高度集成可以大幅降低傳統(tǒng)多工序加工中的人工、物流、倉儲成本高問題，并且加工過程的全自動化可以極大地提高零件的一致性，為后續(xù)的自動化焊接、裝配等提供便利。

之前由于國內相關企業(yè)起步較晚，設備多為進口，近幾年隨著技術水平的提高，目前直管激光設備已經(jīng)大范圍國產(chǎn)化，并且隨著近幾年國內相關領域的不斷發(fā)展，各種國產(chǎn)設備功能不斷完善，價格逐年降低，使得直管激光類設備普及率明顯增加。

過程探討

雖然直管激光切割相比傳統(tǒng)的加工方式有著各種優(yōu)勢，但由于加工方式的不同，其加工過程及其成品零件的部分細節(jié)與傳統(tǒng)的機械加工相比有著細微差別，需要有針對性地進行識別。結合我司實際運行方式和現(xiàn)場改善案例，以下將從端頭路徑補償、開放截面型材切割路徑丟失改善、空氣切割和氧氣切割的不同割縫補償方式三方面進行探討。

端頭路徑補償

本部分主要從兩方面進行說明：一是矩形管或方管端頭斜面切割后與平面裝配；二是圓管相貫線對接。

⑴管材端頭斜面與平面裝配。

端頭斜面是一種常見的零件狀態(tài)，在日常生產(chǎn)中出現(xiàn)幾率較大，下面以矩形管為例進行分析說明。

圖1、圖2分別為金切加工后端頭理論狀態(tài)和實際狀態(tài)，可以看出，傳統(tǒng)金切加工后端頭下面實際狀態(tài)與理論狀態(tài)一致，整個斷面俯視視角上為一條直線，不會出現(xiàn)實物與圖紙不符的情況，也不會造成質量糾紛。

圖1 金切加工理論狀態(tài)

圖2 金切加工實際狀態(tài)

激光下料與傳統(tǒng)下料有著不同之處，激光下料是激光切割頭沿著一定的路徑進行切割，從而獲得所需的端頭形狀，切割時，通過高能光束沿切割路徑對基材進行熔融完成材料之間的分離，這就導致當下一段路徑與上一段路徑非法向時，其中一段路徑切割后導致實際斷面會凸出來一段料厚或者缺少一段料厚，即“多肉”或“缺肉”，如圖3、圖4所示。

圖3 激光加工的端頭示意圖

圖4 實際切割后狀態(tài)

圖4（b）所示狀態(tài)對實際使用影響較小，除非是對強度有特殊要求，需要額外進行加強，正常來說不會影響后續(xù)的使用，但是圖4（a）所示狀態(tài)由于“多肉”，會造成實際配合面與理論配合面存在差異，“多肉”部分會與相配合的零件產(chǎn)生干涉，導致尺寸出現(xiàn)偏差，具體如圖5、圖6所示。

圖5 “多肉”導致配合偏差示意圖

圖6 “多肉”導致配合偏差實際狀態(tài)

圖中藍色線條為實際配合線，黑色線條為理論需要的配合線，從示意圖中可以看出，“多肉”造成實際配合線和理論需求配合線之間存在一個夾角X，這會對后序造成兩方面的影響：由于干涉，零件無法正常放入夾具中；與之相配合的零件位置出現(xiàn)偏差，影響整體合件的精度。

通過以上分析、對比可以看出，對于端頭斜面加工的零件，在激光切割前的路徑編排上需要考慮刀路的補償，通過調整切割路徑，避免出現(xiàn)“多肉”現(xiàn)象，這對此類零件的加工質量有著重要影響，具體路徑修改如圖7所示。

圖7 路徑補償前后對比

圖中天藍色線條為補償前路徑，會產(chǎn)生“多肉”的現(xiàn)象，綠色線條為補償后路徑，添加路徑補償后，可以明顯改善切割后的斷面狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 補償后零件狀態(tài)

添加路徑補償后的配合示意圖見圖9，實際配合狀態(tài)見圖10，從圖中可以看出，實際兩種零件的絕對位置均不再發(fā)生改變，合件質量可以得到有效的保證。

圖9 補償切割后配合示意圖

圖10 補償切割后實際配合狀態(tài)

⑵圓管相貫線對接。

無獨有偶，受到激光切割加工方式的影響，在圓管相貫線對接的時候，如果不進行路徑調整，也會產(chǎn)生料厚“多肉”的現(xiàn)象，導致配合產(chǎn)生干涉。

以φ25mm和φ30mm兩根圓管相貫搭接為例，φ30mm圓管為被搭接管件，理論搭接示意圖見圖11，φ25mm管件端頭理論形狀見圖12，可以看出，φ25mm管件端頭為尖角，即料厚上也存在一定的弧度，但是在直管激光實際切割過程中，料厚方向切割后狀態(tài)為直線，垂直于管件軸線方向，也存在“多肉”現(xiàn)象，勢必會造成配合面的干涉，如圖13所示。

圖11 理論搭接示意圖

圖12 25mm管件理論形狀

圖13 補償前效果圖

鑒于此，在切割此類形狀的管件時，也要考慮端頭補償問題，同矩形管一樣，修改切割路徑，增加路徑補償，對路徑進行優(yōu)化，如圖14所示。

圖14 補償后配合效果

從圖14可以看出，紅圈中綠色線條為添加補償后路徑，天藍色線條為添加補償前路徑，可以看出，增加補償后，管件外形長端切割位置發(fā)生變化，但是“多肉”現(xiàn)象已經(jīng)消失，在實際切割中，通過這種補償后，雖然由于掛渣等缺陷還是會有一定的影響，但是這些影響已經(jīng)很微小，不會對后續(xù)的使用和合件的尺寸造成大的影響。

開放截面型材路徑丟失原因分析和解決方法

目前直管激光不僅能對封閉型材進行切割，針對槽鋼、角鋼等開放截面的型材也能進行切割，與矩形管和方管不同，開放截面型材外表面多為棱角，不存在R角，并且由于截面不封閉，切割路徑不是封閉的，在我司前期生產(chǎn)中經(jīng)常性出現(xiàn)路徑丟失的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象只存在于開放截面的型材加工中，以角鋼為例，切割路徑丟失如圖15所示。

圖15 角鋼切割路徑丟失

針對此種現(xiàn)象，從軟件路徑生成上想辦法進行解決，經(jīng)過長時間驗證，軟件自動生成路徑時好時壞，沒有規(guī)律，所以當出現(xiàn)這種現(xiàn)象后，只能不再使用軟件的自動生成路徑功能，改為手工規(guī)劃切割路徑，雖然情況得到解決，但是手動編輯路徑速度較慢，耗費時間，使用極其不便。

后來通過對直管激光設備的長時間使用，經(jīng)驗逐漸增多，發(fā)現(xiàn)在切割棱角拐角時，割嘴的使用壽命會大幅下降，此現(xiàn)象說明，整個切割路徑在棱角拐角處看上去連貫，實際上是斷開的，在切割棱角拐角時，激光切割的內部邏輯肯定會有變化，而路徑丟失也基本上都存在于棱角拐角切割的部位。

鑒于上述現(xiàn)象，對產(chǎn)品進行局部優(yōu)化，在圖16紅圈位置倒圓角，圓角相切不會出現(xiàn)棱角，并且圓角與兩條相鄰邊均為相切關系，使系統(tǒng)默認其作為一條邊。

圖16 在棱角處倒R5mm圓角

對零件倒圓角后，再使用直管激光程序生成系統(tǒng)進行路徑生成，路徑丟失現(xiàn)象隨之消失，見圖17。為驗證此現(xiàn)象是否為個案，針對此類零件逐個進行更改驗證，對出現(xiàn)過路徑丟失的零件棱角拐角處倒圓角，之后再利用系統(tǒng)生成所需路徑，經(jīng)過一年的驗證，路徑丟失未再發(fā)生過。

圖17 新生成的路徑

經(jīng)過此項驗證，可以得出，針對角鋼等開放截面型材，由于其截面不封閉，對實際的路徑生成是有一定影響的，現(xiàn)在不確定是程序本身BUG還是底層邏輯的缺陷，此現(xiàn)象目前在我司使用的奔騰、通快兩臺直管激光設備上無法做到完全避免，但是通過局部倒圓角的操作，就可以避免此現(xiàn)象的發(fā)生，在目前來說是相對比較合理有效的解決方案。

空氣切割和氧氣切割的不同割縫補償方式

隨著國內激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，更低成本的空氣切割技術逐漸成熟，市場應用也逐漸增多，以我司為例，之前一直使用氧氣切割，但近兩年新購入的直管激光切割設備已經(jīng)切換為空氣切割。

與氧氣和氮氣切割相比，最直觀的區(qū)別就是加工成本的大幅降低，因為空氣本身就在我們身邊，所以使用空氣切割只需要考慮設備本身使用時產(chǎn)生的電費即可，無需再計算額外的輔助氣體費用。雖然空氣切割會導致切割面毛刺、掛渣，但是對于型材來說，此種缺陷多存在于型材內表面，對外表面影響相對較小，并且我司生產(chǎn)的管件多用于各種結構件，對割縫處外觀要求相對沒有那么嚴格，因此對我司實際生產(chǎn)的影響相對較小。

我司設備經(jīng)過前期調試和一段時間的生產(chǎn)后，發(fā)現(xiàn)與氧氣切割相比，割縫的補償是路徑生成時必須要考慮的問題。

我司常用管材的壁厚為2～5mm，原有通快激光切割機使用的是氧氣切割，割嘴大小使用多為0.5～1.5mm，日常生產(chǎn)未考慮割縫補償問題，但是在使用空氣切割的新設備投入使用后，發(fā)現(xiàn)割嘴的大小達到3mm，后續(xù)經(jīng)常反饋零件配合間隙大的問題。

經(jīng)過對兩種切割方式切割的實物進行對比，最終發(fā)現(xiàn)問題出現(xiàn)在割縫補償上，理論狀態(tài)下零件切割，我們都默認割縫寬度無限??；實際切割過程中，激光束存在一定的直徑，這就導致實際切割過程中存在三種方式，假設理論輪廓長度為L，寬度為W，激光束直徑為D。

⑴方式一：激光束直徑圓心路徑與理論輪廓線重合，如圖18所示。此種方式實際切割后輪廓大?。篧實際=W理論-D，L實際=L理論-D，實際尺寸與理論尺寸相比均要小一個割嘴直徑。

圖18 方式一切割

⑵方式二：激光束直徑外側與理論輪廓線重合，如圖19所示。此種方式實際切割后輪廓大小：W實際=W理論-2D，L實際=L理論-2D，實際尺寸與理論尺寸相比均要小兩個割嘴直徑。

圖19 方式二切割

⑶方式三：激光束直徑內側與理論輪廓線重合，如圖20所示。此種切割方式實際輪廓線與理論輪廓線重合。

圖20 方式三切割

上述三種方式切割時以中間切割掉部分為所需零件進行說明，如果中間切割掉部分為廢料，則需要反過來。

從上述三種狀態(tài)可以看出，激光實際切割時，受到光束、割嘴直徑的影響，實際切割路徑其實對零件外形尺寸還是有一定的影響的：使用氧氣切割時，由于氧氣的助燃效果，割嘴直徑不需要太大就可以達到所需的能量強度，不管何種切割方式對實際輪廓的影響均較??；但是使用空氣切割時候，氣體中氧氣含量下降，助燃效果降低，就導致能量增加，反映到生產(chǎn)上就是割嘴直徑偏大，我司現(xiàn)場空氣切割使用的割嘴直徑均達到3mm，割嘴直徑偏大，就導致容錯偏差縮小，出現(xiàn)尺寸精度變化的增加。

因此，在使用空氣切割時，在路徑生成時必須考慮割縫補償，保證達到所需的零件精度。

結 束 語

隨著國內激光行業(yè)的發(fā)展，直管激光設備目前已成為比較成熟的設備，絕大部分零件加工均可以實現(xiàn)國產(chǎn)化代替，市場占有率逐漸增加，上述分析只是我司在使用直管激光設備中發(fā)現(xiàn)的影響零件生產(chǎn)精度的一小部分，需要在實際路徑生成中進行關注的問題，希望能給業(yè)界同仁帶來一絲幫助或啟發(fā)。