激光加工具有加工精度高、表面質(zhì)量好、加工噪聲低、設(shè)備振動小等優(yōu)勢。但激光切割也存在加工速度慢、材料利用率低、綜合加工費(fèi)用高等劣勢。

       激光切割機(jī)采用非接觸式加工原理，與普通的多工位沖床加工相比，不需要專用模具，所以其加工范圍和條件受限制少，按產(chǎn)品設(shè)計要求可以隨意切割復(fù)雜的形狀，適合單件試制和小批量生產(chǎn)，能快速滿足客戶對產(chǎn)品個性化的追求。在厚板加工上，激光切割加工優(yōu)勢更加明顯，可切割厚度超過20mm以上的鋼板，一般多工位沖床只能加工3～8mm板厚的產(chǎn)品。由于激光切割機(jī)采用移動激光切割頭加工板材，切割來回行走行程長；與多工位沖床相比，加工速度上要慢、總加工時間長、效率較低、輔助氣體用量大，所以激光切割加工綜合成本相比沖床加工高很多。如何縮短激光切割時間，提升激光切割加工效率，這是眾多生產(chǎn)企業(yè)都比較關(guān)心的課題。

       提高激光切割機(jī)的效率和經(jīng)濟(jì)效益，主要是縮短激光切割時間，提高板材的利用率，不僅需要研究激光切割最短空行程，還要研究打孔耗時、切割停頓和套料共邊等問題。

分析

切割時間

       激光切割路徑可以劃分成兩部分，包含了用于去除或分離材料的切割路徑和工序空程路徑，其中切割路徑是有效工作路徑，所消耗的時間是有效切割時間，而空行程是無效路徑，消耗的時間是無效工作時間。

       對于1臺數(shù)控激光切割機(jī)，當(dāng)使用最大功率加工部件時，在保證質(zhì)量的前提下，其有效切割速度是一定的，要想提高切割效率，縮短無效切割時間，減少切割路徑長度是主要的途徑。另外，適當(dāng)調(diào)整切割過程工藝參數(shù)，選用不同的穿孔方法，也可相應(yīng)節(jié)約切割加工消耗的時間停頓。以打孔為例，如外光路調(diào)整、聚集光束、垂直度調(diào)整等屬于工藝調(diào)節(jié)停頓。

材料利用率

       板材激光切割加工后分成兩部分，包含了零件和余料，其中按設(shè)計圖紙切割下來的工件是真正有用的零件，余料都是不規(guī)則的狀態(tài)，通常是作為廢料處理。所以激光切割材料有效利用率=有用零件面積/板材總面積×100%，要提高板材利用率，就必須減少激光切割后的余料?，F(xiàn)在激光切割設(shè)備一般可利用計算機(jī)優(yōu)化套排功能，將多個不同形狀的零件套排在一張板上，減少各個零件的切割間距和搭邊距離是材料節(jié)約的主要途徑。當(dāng)然，也可根據(jù)工件大小選用較小尺寸規(guī)格的原料板材，或者按零件實(shí)際尺寸直接做成非標(biāo)定尺寸板材，來提高板材的實(shí)際利用率。

圖1 共邊切割案列

解決方案

       利用激光切割機(jī)的離線編程軟件，對在板材上套料和工藝設(shè)定做優(yōu)化，以提高板材利用率和切割效率，主要采取以下幾點(diǎn)措施。

套料時采用借邊、共邊

       規(guī)則外形零件在套料時采用借邊、共邊套料。在共邊切割（圖1）時，兩個零件其中有一條邊是公共邊，所以切割路徑會大幅度縮短，從而減少了切割時間。一張板上不能將所有零件都做共邊，一般建議2～4個零件之間作為一組做共邊。不然所有零件都共邊在一起，會造成零件在工作臺上不穩(wěn)定，由于切割完后的零件會翹起，在加工完的產(chǎn)品零件邊上加工別的部件，會干涉、損壞切割頭。為提高最終零件的外形尺寸精度。其實(shí)共邊切割時，可采用橋接方法即在套料時零件和零件之間要有間距做精密微連接（圖2），距離為激光光斑的直徑。

圖2 微連接

       據(jù)統(tǒng)計，采用共邊切割案例，實(shí)際切割路徑能縮短30%，材料利用率提高8%左右。

減少切割頭抬起動作

       通常機(jī)床在切割完一個輪廓后會抬起到一定高度，然后移動到下一個輪廓的切割位置做刺穿和切割。其目的在于防止切割頭在從當(dāng)前輪廓移動到下一個切割輪廓時，與被切割件相撞。但是一旦對切割頭的切割路徑做優(yōu)化，或采用微連接處理輪廓，則可去除切割頭的抬起動作，提高機(jī)床的切割效率。

圖3 切割頭抬起動作優(yōu)化前后對比圖（虛線為切割頭運(yùn)動路徑）

       如圖3a所示為切割頭的抬起動作，如圖3b所示為在編程軟件中做優(yōu)化和設(shè)定后切割頭不抬起，直接移到下一個輪廓的切割位置進(jìn)行切割。

       注意，使用上述優(yōu)化手段后，必須注意切割頭的運(yùn)動軌跡，也就是說切割頭不能從已經(jīng)切割完畢的輪廓上方走過，如圖3所示。

       如圖4所示，零件1割完后，切割頭直接沿著紅線移到零件2位置做切割，應(yīng)該避免下面這種情況，如果零件1未采用微連接的話，零件容易翹起來，當(dāng)切割頭從上方走過時，零件會和切割頭發(fā)生碰撞。

       解決方案：⑴零件1使用微連接，使零件1在割完后不會翹起來；⑵修改導(dǎo)入線位置；⑶如圖5所示，零件1割完后，切割頭不會從零件1上方直接越過。

圖5 優(yōu)化之后的激光頭切割路徑

優(yōu)化切割路徑起點(diǎn)打孔的工藝處理

       激光切割孔前，先要在板材上打孔，材料經(jīng)連續(xù)激光的照射后在中心形成一個凹坑，然后由與激光束同軸的工作氣流將熔融材料去除形成一個孔。此孔類似于線切割的穿線孔，激光束以此孔為加工啟始點(diǎn)進(jìn)行輪廓切割。通常情況下，飛行光路激光束的走線方向和被加工零件切割輪廓的切線方向垂直。影響激光打孔質(zhì)量的因素有很多，應(yīng)該要根據(jù)打孔的原理和特點(diǎn)，而且必須對打孔的參數(shù)進(jìn)行分析和了解，以優(yōu)化加工工藝，對不同零件輪廓使用不同的刺穿工藝和加工工藝。激光切割機(jī)的刺穿方式主要為以下三種：

       ⑴不刺穿（適用于1mm以下的薄板）。

       ⑵普通刺穿即脈沖方式刺穿，采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化。每個脈沖光只產(chǎn)生小的微粒噴射，逐步深入，因此厚板穿孔時間需要幾秒鐘。優(yōu)點(diǎn)是刺穿孔質(zhì)量高，保證切割質(zhì)量。缺點(diǎn)是耗時長，需要一定的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，刺穿時間隨板材厚度增加而增加。

       ⑶快速刺穿即爆破穿孔，材料經(jīng)過連續(xù)激光的照射后在中央形成一個凹坑。優(yōu)點(diǎn)是刺穿時間短。缺點(diǎn)是刺穿孔大，如果位置設(shè)置不好會影響輪廓，從而影響切割質(zhì)量；刺穿時間在1s之內(nèi)。

       對于厚板切割，尤其是大輪廓切割。例如4mm以上碳鋼板，直徑為10mm以上的孔，可以建議使用快速刺穿取代普通刺穿；但是設(shè)置快速刺穿前，要合理地調(diào)整輪廓切割的導(dǎo)入線長度（快速刺穿的孔孔徑較大，表面粗糙，需要更長的導(dǎo)入線以修正切割質(zhì)量）。

       如圖6所示，為普通刺穿和快速刺穿的比較，很明顯快速刺穿的孔要大于普通刺穿，其對輪廓邊緣的影響也大于普通刺穿。

圖6 穿孔方式

優(yōu)化板材套料，節(jié)約板材浪費(fèi)

       由于工藝需要，零件在套料時往往會預(yù)留安全空間，比如零件套料之間的間距或距離板材外圍輪廓的距離。適當(dāng)減少間距，或采用共邊能起到節(jié)約板材的目的。

結(jié)束語

       為了說明如何縮短激光切割時間，提高板材利用率，本文提出了采用共邊切割，優(yōu)化板材套料，減少切割頭抬起動作，合理選用打孔方式。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，綜合運(yùn)用上述方法，能有效提高工作效率，減少廢料，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

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