柳州激光切割鋼板效率研究

激光切割是激光加工中最重要的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，它占整個(gè)激光加工市場的70％以上，已成為一種競爭力很強(qiáng)的高新技術(shù)。與線切割、水切割等其他切割方法相比，激光切割最顯著的特點(diǎn)是精度高、速度快、效率高。但若從有效切割時(shí)間占總時(shí)間的百分比來說,二維激光切割有效切割時(shí)間所占的百分率并不高。如配備廠NEL-2000A軸快流C02激光器的SLCM—1225數(shù)控激光切割機(jī)。對(duì)于大多數(shù)圖形，金屬激光切割加工其有效切割時(shí)間約在20％～50％左右；可見，單從設(shè)備利用率來講。二維數(shù)控激光切割機(jī)效率的提升還有很大的挖掘空間。

1 二維激光切割時(shí)間分解

　　1.1 二維激光切割一般路徑

　　2010年4月，江蘇南京舉行了第六屆中國數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)。會(huì)卜展出了上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪、濟(jì)南捷邁、深圳大族等閆內(nèi)多家知名企業(yè)生產(chǎn)的二維數(shù)控激光切割機(jī)，經(jīng)現(xiàn)場觀察，這些數(shù)控激光割機(jī)在切割過程中的路徑基本是這樣的(以上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪數(shù)控激光割機(jī)為例)：從起點(diǎn)出發(fā)空行程到第一個(gè)待切割連續(xù)曲線的起刀點(diǎn)(G00或G01剖嘴與板面保持一定的距離，Z軸數(shù)控M16)→Z軸隨動(dòng)(M10，即采用z浮結(jié)構(gòu)挖制割嘴與板面的距離)→打開機(jī)械光閘(M12)→打開電子光閘(M20)→出光打孔延時(shí)(M15)→有效切割(完成第→段有效切割路徑)→解除z軸隨動(dòng)(M16)→z軸抬升(約40 mm)→柳州激光切割空行程到第二個(gè)待切割連續(xù)曲線的起刀點(diǎn)......如此循環(huán)往復(fù)，這就是二維數(shù)控激光切割的一般路徑。

　　1.2 激光切割時(shí)間分解

　　在上述所講的激光切割路徑中包含了用于去除或分離材料的切割路徑和空程路徑，顯然用于去除或分離材料的切割路徑是有效路徑，它所消耗的時(shí)間稱為有效切割時(shí)間，而空程路徑則是無效路徑，它所消耗的時(shí)間理應(yīng)歸屬無效切割時(shí)間。當(dāng)然，除了無效路徑所消耗的時(shí)問外，切割過程中的停頓、打孔等消耗的時(shí)間，也應(yīng)歸結(jié)為無效切割時(shí)間。如M12指令在執(zhí)行時(shí)，要等待機(jī)械光閘打開，才能執(zhí)行下一個(gè)指令，它的執(zhí)行時(shí)間長短取決于控制機(jī)械光閘開關(guān)的伸縮氣缸的充氣速率，這種停頓屬于指令執(zhí)行停頓，一般只有幾秒鐘；再如外光路調(diào)整、聚焦光束垂直度調(diào)整等，這種停頓屬于工藝調(diào)節(jié)停頓，有時(shí)可能只需要幾分鐘(如同軸度微調(diào))，有時(shí)可能需要幾個(gè)小時(shí)甚至更長的時(shí)間(當(dāng)然這種較長時(shí)間的工藝調(diào)節(jié)有時(shí)也會(huì)作為故障進(jìn)行處理)。

　　對(duì)于一臺(tái)特定的數(shù)控激光切割機(jī)，當(dāng)使用其最大功率切割某一特定材質(zhì)(如A3板)、特定厚度(如8mm)的鋼板時(shí)，在保證切割質(zhì)量的前提下，其有效切割速度是一定的，即對(duì)于一特定的零件，其有效切割時(shí)間是一定的。那么要想提高切割效率，縮短無效切割時(shí)間便是一條蕈耍的途徑。當(dāng)然，在二維激光切割路徑優(yōu)化研究中，縮短xy二維平面內(nèi)空程路徑的研究成果較多，它也是縮短無效切割時(shí)間研究的一個(gè)重要方向。但在有些情況下，當(dāng)采用某些特殊工藝處理時(shí)，有時(shí)增加xy二維平面內(nèi)的特殊空程路徑時(shí)反而能縮短無效切割時(shí)間。下面本文將通過縮短打孔時(shí)間的研究，來闡述另一種能縮短無效切割時(shí)問提高切割效率的工藝方法。

2 切割路徑起點(diǎn)打孔的工藝處理

　　2.1 激光器打孔時(shí)間

　不管是線切割、水切割，還是激光切割，切割路徑起刀處打孔是必須的。激光切割訂丁以自行打孔，且速度較快，一般在幾秒到幾十秒不等。如采用NEL—A系列激光器與SLCM—1225數(shù)控機(jī)床聯(lián)機(jī)切割8mm厚的A3板，用占空比30％頻率為25 Hz的門脈沖打孔。在激光器出光模式和噴嘴同軸度均較理想的情況一下，相對(duì)于1500 w的打孔功率，有效打孔時(shí)間約為9~10s。

　　在激光切割A(yù)3板的過程中，由于工藝的需要，為防止打孔時(shí)爆孔影響切割質(zhì)量，在打孔時(shí)需要用較低的氧氣壓力，而在切割時(shí)則采用稍高一點(diǎn)的氧氣壓力，所以每次打孔前后都需要這樣的過程：選擇氧氣(M55)→開低壓(M50)→關(guān)低壓(M51)→開高壓(M52)。激光切割廠家在這一過程中，每個(gè)命令都是通過繼電器驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)電磁閥來實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)閥的驅(qū)動(dòng)到位時(shí)間約在1～2s，經(jīng)測試這一過程合計(jì)時(shí)間約5～6 s，與有效打孔時(shí)問合并得8 mm厚的A3板的總打孔時(shí)間約為15s。若以有效切割時(shí)切割速度為1500 mm／min計(jì)算，15 s可以切割出長度為375 mm的割縫。

　　2.2 常規(guī)切割路徑

　　如圖1所示，為需要切割加工的機(jī)械零件平面圖，要求材質(zhì)為Q235碳鋼板，厚度8 mm，精度±0.2 mm，數(shù)量200只。

圖1機(jī)械零件圖

　　根據(jù)機(jī)械零件及備料板材的形狀和尺寸，可以畫出切割加工圖，此處僅以加工5個(gè)這樣的工件為例進(jìn)行說明。如圖2所示，為常規(guī)排料法排出的切割加工路徑圖(為便于觀察，部分廢料區(qū)被放大)。圖中1-5處的半圓弧為引割線，在廢料上，A點(diǎn)為編程原點(diǎn)，也是切割加工時(shí)的起點(diǎn)，從A點(diǎn)空行程到l點(diǎn),打孔，通過引割線加工第一個(gè)零件；第一個(gè)工件加工完成后，空行程到2點(diǎn)，打孔，加工第二個(gè)工件。如此依次重復(fù)空行程、打孔、引割線引入、切割，直至完成所有五個(gè)工件的加工。在該程序執(zhí)行過程中，共有5次打孔，合計(jì)打孔耗時(shí)75 s，折