激光切割工藝試驗(yàn)研究

激光切割工藝試驗(yàn)研究

新汽車的開發(fā)主要是對(duì)車輛的更新。傳統(tǒng)的汽車覆蓋物的制成和加工主要采用汽車芯的壓板技術(shù)，包括落料、拉伸、形狀、沖孔、焊接等。其中沖孔模和修邊模的模具設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)、使用壽命短、柔性差、成本高。三維激光切割可以取代傳統(tǒng)制造工藝的修邊模和沖孔模,其工藝步驟簡(jiǎn)單、制造周期短、切割尺寸精度高、切口無毛刺、切縫不變形、切割速度快且不受加工形狀限制。目前,世界各大汽車公司在開發(fā)新車型和小批量車身生產(chǎn)時(shí),均在車身覆蓋件的制造工藝中采用三維激光切割技術(shù),大大縮短了新車型的研發(fā)周期,且降低了成本,具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。1激光切割轉(zhuǎn)角處對(duì)工件的影響分析要保證良好的激光切割質(zhì)量,必須保證入射激光的光束始終垂直于被加工表面。在三維復(fù)雜曲面的激光切割中,轉(zhuǎn)角處切割成為主要難點(diǎn)。在運(yùn)動(dòng)過程中的某些特殊位置(如上下坡的轉(zhuǎn)角處),如圖1所示,在切割曲線AD段時(shí),當(dāng)切割頭移動(dòng)到圓弧BC處時(shí),會(huì)與工件產(chǎn)生碰撞,只有把切割頭偏離一個(gè)角度β,才能避免與工件發(fā)生碰撞,這時(shí)入射激光束不垂直于工件表面,在某些角度較大的轉(zhuǎn)角處會(huì)產(chǎn)生過燒現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了三維激光切割質(zhì)量,如圖2所示。產(chǎn)生過燒現(xiàn)象的原因是,轉(zhuǎn)角處角度變化較大,使得切割時(shí)加速度變化加快,熱量又過于集中,散熱性較差,從而產(chǎn)生了過燒現(xiàn)象。因此有必要對(duì)轉(zhuǎn)角的過燒作深入的試驗(yàn)研究,確保三維激光切割質(zhì)量。2試驗(yàn)設(shè)備和方案2.1主要技術(shù)參數(shù)本試驗(yàn)采用我國(guó)自行集成研制的三維五軸數(shù)控切割機(jī)床(如圖3),板條式激光器(如圖4),主要技術(shù)參數(shù)見表1。試驗(yàn)選用的切割工件為車身側(cè)圍當(dāng)中的一個(gè)覆蓋件,經(jīng)拉深模沖壓成型,工件材料為深沖壓用超低碳鋼,表面鍍有鋅鐵合金,鋼的牌號(hào)為DC53D+ZF。工件厚度為1.5mm,其化學(xué)成分見表2。2.2切割面波長(zhǎng)測(cè)量試驗(yàn)中,切割工藝參數(shù)主要選取激光功率、脈沖頻率和占空比、切割速度、輔助氣體的壓力、離焦量和光束入射角;切割質(zhì)量的評(píng)定參數(shù)選取切縫寬度、切割面粗糙度、切割面波紋。切縫寬度使用測(cè)微尺進(jìn)行測(cè)量,切割面粗糙度使用表面粗糙度儀測(cè)量,切割面波紋使用體視顯微鏡測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)選取的切割工藝參數(shù)較多,所以在被切工件上設(shè)計(jì)了多條完全相同的切割軌跡,切割軌跡為空間三維曲線,且每?jī)蓷l切割軌跡相互平行,間隔為10mm,如圖5所示。切割時(shí),每條切割軌跡設(shè)置不同的工藝參數(shù)值。本實(shí)驗(yàn)的目的是分別研究不同的入射角和不同的激光型式對(duì)三維激光切割質(zhì)量的影響。因此,在工件表面平坦位置用不同的入射角進(jìn)行切割試驗(yàn),入射角從0°、5°、10°一直增加到30°,其它參數(shù)保持不變,切割后的工件用切縫寬度、切割面粗糙度及切割面波紋來評(píng)定切割質(zhì)量;在工件的轉(zhuǎn)角處使用連續(xù)激光或脈沖激光型式進(jìn)行切割試驗(yàn),比較兩種激光型式對(duì)切割質(zhì)量的影響,并用切割面粗糙度、切割面波紋來評(píng)定切割質(zhì)量。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1入射角的影響光束入射角增加后會(huì)導(dǎo)致反射加大,實(shí)際輸入工件材料的激光能量減少,用于切割的有效能量越小使切縫變窄,但入射角增大后,同時(shí)導(dǎo)致焦點(diǎn)位置發(fā)生變化,又使切縫變寬,兩者的綜合作用決定了最終的切縫寬度。如圖6所示,隨著入射角從0°增加到20°,切縫寬度變化并不顯著,當(dāng)入射角超過20°時(shí),切割面嚴(yán)重過燒,切縫寬度大大增加,切割質(zhì)量非常差。光束入射角的變化對(duì)切割面粗糙度的影響亦如此,如圖7所示,入射角在20°范圍內(nèi)變化時(shí),切割面粗糙度的影響很小,入射角超過20°時(shí),切割面會(huì)嚴(yán)重過燒,粗糙度大大增加,切割質(zhì)量很差。如圖8,圖9為不同入射角時(shí)的切割面波紋圖,入射角不同時(shí),只是切割面波紋的傾斜方向發(fā)生了變化,但對(duì)波紋的寬度沒有影響,對(duì)切割質(zhì)量也沒有影響。因此在進(jìn)行三維激光切割時(shí),入射角的變化是有范圍限制的,在本文工藝條件下,光束入射角在20°范圍內(nèi)變化時(shí)(即存在一個(gè)臨界角度),對(duì)薄板覆蓋件的切割質(zhì)量影響不大,入射角超過臨界角度會(huì)造成切割面過燒,切割質(zhì)量會(huì)變得很差。在處理轉(zhuǎn)角處的碰撞問題時(shí),入射角大小的調(diào)整要在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行,既能避免切割頭的碰撞,又能獲得較好的切割質(zhì)量。3.1脈沖激光切割工件轉(zhuǎn)角處分析如圖10,當(dāng)采用連續(xù)激光切割工件的轉(zhuǎn)角處時(shí),工藝參數(shù)為:激光功率P=800W,切割速度Speed=2500mm/min,輔助氣體為O2,輔助氣體壓力Gaspress=2.5bar,噴嘴直徑=2mm,離焦量=-0.3mm,由于轉(zhuǎn)角處熱量過于集中,會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的過燒現(xiàn)象,表面質(zhì)量很差:而采用脈沖激光切割工件的轉(zhuǎn)角處時(shí),工藝參數(shù)為:激光功率P=600W,脈沖占空比DutyC=40%,脈沖頻率Freq=120Hz,切割速度Speed=1000mm/min,輔助氣體為O2,輔助氣體壓力GasPress=2.5bar,噴嘴直徑=2mm,離焦量=-0.3mm,如圖11所示雖然切割質(zhì)量也不是很好,但不會(huì)產(chǎn)生圖10所示的過燒現(xiàn)象。如圖12,當(dāng)采用連續(xù)激光切割工件的平緩處時(shí),基本上不會(huì)出現(xiàn)明顯的波紋,切割質(zhì)量較好,而圖13所示脈沖激光切割工件的平緩處時(shí),還是存在較多的波紋,切割質(zhì)量不如采用連續(xù)激光切割。通過分析,在切割復(fù)雜三維工件時(shí),在轉(zhuǎn)角處應(yīng)采用脈沖激光,采用較小的占空比較慢的速度來完成轉(zhuǎn)角的切割;在平緩處切割時(shí)采用連續(xù)激光,采用較大的激光功率,較快的速度來完成,這樣既能得到較好的三維切割質(zhì)量,又能提高切割效率。4入射角的調(diào)整本文針對(duì)車身覆蓋件中典型的三維件進(jìn)行了切割試驗(yàn),分別對(duì)轉(zhuǎn)角碰撞和轉(zhuǎn)角過燒問題進(jìn)行了研究,得出了以下結(jié)論:(1)在三維激光切割中,在本文所述工藝條件下,入射角在20°范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)切縫寬度、切割面粗糙度和切割面波紋的影響不大,但超過20°,切割面會(huì)發(fā)生過燒,切割質(zhì)量很差,甚至不能切割,因此在處理轉(zhuǎn)角碰撞問題