提高激光切割机在钣金加工中的质量和生产效率

工厂投入二百多万元购置的激光切割机，主要应用在钣金件及中厚板加工，其优点是应用范围广，加工尺寸精度较高。不同材质、不同厚度的金属和非金属都可以加工，特别是在曲线和小批量异形件加工中有较大优势。由于激光切割机固定资产价值大，在使用过程中，如何提高激光加工的生产效率和加工质量，降低生产成本，是在生产中需要解决的一个重要环节。日前，公司为专业汽车板材加工公司新开发的L11K激光切割件，是轿车冲压用的板材件。此件生产工艺是在用激光切割外形后，与不同厚度的高强度板材激光焊接在一起，再进行冲压加工，以达到既保证零件局部强度，又能节约材料，减轻零件重量的目的。L11K激光切割件技术要求此件（图1）每月产量大约4000件左右，要求的交货期较短，产品加工精度要求高，其中：⑴切割件尺寸较大，为0.65mm×1730mm钣×910mm，板料厚度较薄，易变形；⑵切割后直线度a要求在0.05mm以内，毛刺要求在0.03mm以内；图1钣工件图⑶切割后对角线c要求在1.0mm以内，平面度在1.0mm以内；⑷切割后对称度e要求在0.5mm以内。由于新增的激光切割机设备复杂程度高，特别是控制及编程部分，采用的是进口件，全部是英文，中文操作说明书编写过于简单，没有提供相应子程序的调用及修改说明。对于初次操作激光切割机，有许多操作需在实践中进行摸索和熟悉。通过样件试割，不合格情况统计如图2所示。从试割的统计情况可以看出，L11K激光切割件毛刺的不合格率最高。另外，存在产品的生产效率较低的问题。图2钣L11K激光试割件不合格情况统计原因分析⑴由于工厂新投入的激光切割机（图3）以前从未操作过，设备复杂程度较高，虽经厂方进行了培训，但仅是一些基本功能的操作，中文操作说明书编写又过于简单。要想加工出高质量的产品，有许多相关参数的调整和操作需在实践中进行摸索和熟悉，并且还要对机床性能有较深的了解和积累丰富的操作经验才行。影响切割毛刺的主要原因有：1）激光聚焦点设定不当；2）激光功率调整不当；3）切割速度调整不当；4）气体压力调整不当。⑵由于材料长宽尺寸为（1730+7）mm×910mm，因长度有7mm误差的存在，使切割后缺口对称度e的精度较难保证，影响激光加工的生产效率。图3钣激光切割机⑶在说明书中对不同材料的切割选用的切割气体种类是不同的，对碳钢的切割选用高纯氧，对有色金属及不锈钢的切割选用高纯氮。被切割材料SPT83BQ(日本钢号)为表面带防锈锌层的高强度碳钢，在试割时选用纯氧作为切割气体，切割后结瘤严重。⑷激光切割机是精密设备，对现场环境的灰尘、振动都有一定要求。但由于目前激光切割机安装位置在冲压中心厂房，与下料区及铆焊作业区相距较近，下料区的灰尘及铆焊作业时的烟尘都较严重，剪板机工作时的振动也较大，对激光切割机加工精度带来了一定的影响。⑸相应的尺寸精度，一方面要靠激光头本身的运动精度，另一方面要通过选择相应的刀具补偿量来消除激光割缝产生的误差。通过以上的分析调查，影响激光切割质量的主要原因是：⑴切割参数的调整不合理；⑵材料切割气体选用不当；⑶现场环境的灰尘、振动的影响；⑷激光割嘴所对应的相应刀具补偿量。影响加工生产效率的主要原因是：⑴板料长度误差影响对称度定位加工效率；⑵最佳切割路径的选择。技术改进对策及实施⑴确定激光聚焦点位置参数：通过比较激光聚焦点在厚度为0.65mm材料不同位置的切割质量，确定聚焦点在板厚中心位置时，切割后质量最好。⑵确定激光功率及切割速度匹配参数：通过多次反复进行调试比较，将切割速度由原来的3m/min提高到较高的5m/min的工作状态，相匹配的激光功率提高到1200W，能够保证切割后质量。⑶确定气体压力匹配参数在较高的切割速度5m/min下，气压的稳定对切割毛刺影响较大，气压波动的最大范围应控制在（1.0±0.2）MPa之间，方能保证切割后的质量。⑷确定材料SPT83BQ切割用的气体。按操作说明书，碳钢切割气体采用纯氧，但SPT83BQ为表面带有锌合金防锈层的高强度碳钢，由于材料表面的锌合金熔点低，导致氧化结瘤严重。经实际试验后决定按不锈钢切割模式采用99.999%纯氮气进行切割，切割后毛刺能达到顾客要求。⑸确定最高生产效率下的切割路径。由于机器默认的切割路径如图4所示，为了提高生产效率，通过手工修改切割路径程序，如图5所示，节约1min。⑹设计、制造快速定位工装。为保证切割后对称度的要求，并能实现快速高效定位，减少因板料长度误差而进行调整的时间，提高加工效率，设计制造了快速定位工装，如图6所示。图4钣机器默认的切割路径示意图图5钣手工修改后的切割路径示意图图6钣快速定位工装表1钣连续切割2000件的质量统计效果检查对策实施后，对L11K激光切割件连续生产2000件的质量情况进行了统计，如表1所示。通过以上统计，虽然切割毛刺的合格率为99.6%，比以前有较大程度的提高，但通过分析，主要是因为现在采用的是5.3m3/瓶的纯氮气，每瓶氮气快用完时，由于气压下降，操作者又没能及时对气瓶气压作好监控，造成切割毛刺变大。另外，由于用氮气切割时，氮气的消耗量较大，每割15件左右就需要更换一瓶氮气，每瓶氮气更换时间约占7min左右，每天换气就占用49min时间，且现场气瓶堆积较多，严重占用场地，生产效率仍然达不到每月4000件的产量。制定改进措施⑴为减少换瓶占用的时间，提高生产效率，采用120kg/罐的液态氮，每罐液态氮相当于5.3m3/瓶纯氮气20瓶。⑵为解决液态氮在气化时罐体表面结冰严重的问题，导致气化量跟不上切割时的气体消耗量，现将两罐液态氮并联起来使用，能够满足使用要求。⑶修改切割程序中的子程序，关闭空行程时氮气控制阀，节约气体的消耗。⑷加强对气罐气压的监控，每切割100件检查一次气罐压力。改进后效果在改进措施实施后，L11K激光切割件（图7）的质量比较稳定，每月产量稳定在4000～5000件。最终检验合格率达到99.9%。并且由于采用大罐液态氮代替小瓶氮气，每大罐液氮可割300件左右，而小瓶纯氮只能割15件，由液氮代替氮气，每件可节约氮气消耗成本2元左右。且由于修改数控子程序，关闭空行程时氮气消耗，又可每件节约0.12元。使更换气体频次由每天7次降到2天一次。每年可为公司节约成本70余万元。图7钣实际激光切割现场结束语通过这次L11K项目开发及攻关，从中积累了不少的经验。激光切割的质量还与