天津电力机车有限公司 300452
摘要：激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，将材料快速加热至汽化温度，将材料去除从而获得所需要的形状和切缝的加工方法。与其它切割方法相比，具有精密制作、一次成形、高效率、高质量、无噪声、自动化控制等优点，已在薄板下料中得到广泛应用，如何更好地提高材料的利用率，降低使用成本，是各企业面临的普遍问题。本文详细分析了激光切割特点和原则，提出利用工件的公用边、零搭边排样技术优化切割路径来减少废料，提高材料利用率的工艺方法。文章结合天津电力机车有限公司内燃调车机试制项目下料中激光切割的应用，进行了激光板材切割技术的工艺研究，结果表明，通过优化激光切割工艺，材料利用率可提高3%～25%，切割长度可减少10%左右。
关键词：激光切割；公用边；零搭边；材料利用率
一、关于激光切割技术的介绍
1.1概述
激光切割是激光加工行业中最为重要的一项应用技术，属于热切割方法之一，利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现切割。其广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可切割碳钢、不锈钢、合金钢、塑料、陶瓷、石英、玻璃、复合材料等。同时与其它切割方法相比，虽一次性投入成本大，但具有高精度、高效率、热影响区小、切割面质量好、无噪声、切割过程可实现自动化控制等优点。在切割板材时，通过对程序的调整，可直接实现异形、复杂工件一次成形，用其替代复杂的冲孔、切割模具，能明显降低生产制造成本及缩短生产周期。目前已在汽车、机车车辆检修及制造、航空航天、化工、电子、石油冶金等领域得到广泛应用。
1.2激光切割机系统构成
激光切割系统主要由机床主机、激光器、控制系统三大主要部分组成。机床主机部分实现X、Y、Z轴的运动机械部分，包括切割工作平台，用于安放被切割工件，并能按照控制程序正确而精准的进行移动，通常由伺服电机驱动。激光器是产生激光光源的装置，由激光介质、光泵、聚光器和谐振腔组成。对于激光切割的用途而言，除了少数场合采用YAG固体激光器外，绝大部分采用电-光转换效率较高并能输出较高功率的CO2气体激光器。控制系统是整个切割系统的控制中枢，负责协调系统正常运行，主要完成加工轨迹控制、焦点位置控制和机、光、电一体的协调控制。同时激光切割机还含有计算机编程硬件和软件、冷水机组、空压机、储气罐、冷却干燥机、过滤器、抽风除尘机、排渣机等辅助系统。
1.3背景和意义
本文是基于天津电力机车有限公司的百超Bystar 4025型数控激光切割机（如图1）为实验设备，此实验设备为CO2激光切割，其输出的是红外线，要用锗单晶、砷化钾等红外材料制造的光学透镜才能通过，为减少表面反射需镀增透膜。通过聚焦镜将红外线激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用激光束同轴的辅助气体（氧气、压缩空气或惰性气体N2）吹走被熔化的材料，以提高切割速度和切口的平整光洁，并使CO2激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝（图2为CO2激光切割的原理图）。在天津电力机车有限公司日常备料生产中，板厚16mm以下碳钢、10mm以下不锈钢材质的复杂形件用料和板件用料都由此台激光切割设备完成。
在生产实际中，通过与计算机编程软件结合，激光束具有无限的仿形切割能力，切割轨迹可预先在计算机内设计，并进行众多复杂工件整板排版，可实现多工件同时切割。本文着重研究如何优化激光切割工艺，提高生产过程中板材利用率，缩短切割延米长度，从而实现提高工件质量及降低生产成本。经过长期的实践探索，激光切割路径的优化和工件的公用边排版技术是激光切割减少废料的关键技术和难点，在实践中有着重大的理论意义和应用价值。
二、激光切割技术的难点分析及工艺要求
2.1难点分析
切割路径的选择是激光切割过程中的一大难点，它直接影响切割后的工件质量及生产效率。首先，切割路径排序直接决定激光器行走的路线，切割路线过于集中时，局部热输入量大造成板材变形，影响切割后工件尺寸精度；切割路线跳跃性大，会使激光器空走路径加长，切割时间明显增大，在实际生产中应考虑工件尺寸技术要求及切割时间，制定合理的切割路径。其次，激光切割过程中同种板厚、同种材质的相似零件组合，单个零件之间的间隙≤5mm时，切割顺序是否合理也直接影响着设备能否正常运行和切割后工件的尺寸精度；同时，标记线和切割线不正确交替，往往导致切件成刻件，刻孔成开孔，使切割工作无法进行。
2.2切割技术的工艺要求
2.2.1起火线位置
激光切割工件时，无论内外轮廓，起火线应尽可能选择在非工件的直线段部分，以确保弧线的曲率和准确率。当内外轮廓皆为圆孔或其它不规则曲线时，则选择相对无用边起火，以保证必用边外形形状及尺寸。
2.2.2单个工件激光切割加工顺序
首先选择加工各单个工件内部的切割线，最后加工工件外轮廓。若先加工单个工件外轮廓，由于板材内应力释放，工件会脱离整板发生移位，再加工工件内部时，尺寸易产生偏差。对工件进行公用边处理时，应根据工件的结构特点，选择合理轮廓为公用边，并将其作为内部切割线处理。
2.2.3跳跃式切割
进行激光切割时，如工件内部加工位置比较密集，若按顺序进行切割，会造成工件局部热输入量过大，造成工件变形从而影响工件的尺寸精度，这种情况下，为避免造成工件尺寸偏差，应采用跳跃式切割路线。
三、激光切割技术优化
3.1公用边激光切割工艺
3.1.1工艺方法介绍
公用边切割是指在原始板材范围内，将外轮廓规则的工件通过公用线条的方式组合成一个复杂的单个工件的切割路径优化方法，其中公用线条称为公用边。首先，将通过公用边连接而成的复杂工件外轮廓连接成封闭线，然后工件原始的内部轮廓线连接成封闭线，将公用边作为标记线处理，最后，为这个复杂工件制定合理的切割路线，生成激光切割程序。
公用边切割是将整个板件看成一个复杂的零件进行编辑，切割效率高，有效节约板材。但在编程前的图形处理的工作量较大，在路径优化上需要进行繁琐的顺序研究，在图形上进行手动路径修改，正确更改线条的参数，按照修改后的切割路线，生成激光切割程序。
3.2零搭边激光切割工艺
所谓零搭边切割，是指激光切割时不考虑切割工件外边缘，直接将板材的外边缘当做工件外边缘使用，进而减少切割中对板材的浪费的一种切割方式。如调车机底架装配时使用的支撑梁，工件尺寸与板材相符，因此在切割过程中，理论上只设定切割工件内部的长孔及直线段，而不切割外边缘，长孔切割完毕后，工件也就成形。但是由于实际上编程能力限制，这种再加工方法还没有熟练掌握。
四、结论
选择合理的激光切割工艺，如采用激光公用边切割、零搭边切割等切割方式，工件的切割质量得到明显提高、材料利用率可提高3%~25%，切割长度可减少10%左右，极大地提高了生产过程中经济效益。
论文作者:蔡立磊
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/29
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