在汽車制造領(lǐng)域,激光切割技術(shù)都已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。北京汽車制造廠有限公司用功率為500W的激光器切割各種車身及車架零件。本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生的切割質(zhì)量不良零件狀態(tài)確定試驗(yàn)項(xiàng)目,重點(diǎn)從激光功率、切割速度、氣體壓力、零件間距、零件材質(zhì)五個(gè)工藝參數(shù)及切割誤差入手,對常用材料進(jìn)行模擬環(huán)境切割試驗(yàn)。通過對比激光切割光束形態(tài)及切割質(zhì)量,研究激光切割參數(shù)對零件切割質(zhì)量的影響,得出大概結(jié)論后再通過實(shí)際零件切割分析產(chǎn)生不良原因及解決措施并最終避免不良問題的發(fā)生。
2. 試驗(yàn)研究
(1)確定試驗(yàn)材料及零件 結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃確定試驗(yàn)鋼板材料:DC01/SS400碳鋼(t=1.0mm、2.0mm、3.0mm、5.0mm)、劣質(zhì)SS400/t=3.0mm。
結(jié)合不良零件確定試驗(yàn)零件為勇士車型車架零件:絞盤支架補(bǔ)強(qiáng)板(B1210616AA,SS400/t=3.0mm)、前保險(xiǎn)杠支架(B1210713AA,SS400/t=5.0mm)。
(2)試驗(yàn)設(shè)備 切割設(shè)備:3D機(jī)器人光纖激光切割機(jī)(型號:TH-RCF2010S-500, 史陶比爾機(jī)器人為載體)。測量設(shè)備:游標(biāo)卡尺、鋼板尺、三坐標(biāo)測量儀、ATOS掃描儀。
(3)確定試驗(yàn)項(xiàng)目 試驗(yàn)共測試五個(gè)工藝參數(shù)及切割誤差以及兩種勇士車型零件,利用多種板材在各種既定環(huán)境下進(jìn)行切割,通過觀察激光切割光束形態(tài)及零件切割質(zhì)量作為后續(xù)分析數(shù)據(jù)依據(jù)。具體測試項(xiàng)目及方法如表1所示。
(4)確定零件切割質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn) 零件切割質(zhì)量可通過目測切割過程中光束形態(tài)及測量零件來進(jìn)行判定,其中光束形態(tài)通過光束形狀及飛濺兩個(gè)方面進(jìn)行目測;零件質(zhì)量通過從斷面質(zhì)量、表面質(zhì)量、批次狀態(tài)、零件尺寸、零件變形及焊瘤大小六個(gè)方面進(jìn)行判定。具體檢驗(yàn)方法及判定標(biāo)準(zhǔn)如表2、表3所示。
3. 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析
(1)激光功率 試驗(yàn)中對同種材料進(jìn)行3種不同激光功率環(huán)境的切割,具體結(jié)果如下。
首先,激光功率設(shè)定過大時(shí)(450W),整個(gè)切割面熔化,切縫過大,得不到良好的切割質(zhì)量,如圖1a所示。
圖1a
其次,激光功率設(shè)定不足時(shí)(150W),產(chǎn)生切割熔渣,切割斷面上產(chǎn)生焊瘤,如圖1b所示。
圖1b
最后,激光功率設(shè)定中等時(shí)(300W),切割質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。
通過此試驗(yàn)得知激光功率過大或過小都無法得到良好的切割斷面,因此需設(shè)定適當(dāng)?shù)募す夤β剩浜线m當(dāng)?shù)那懈顨怏w壓力及速度,才能得到良好的切割質(zhì)量,保證無熔渣產(chǎn)生。
(2)切割速度 試驗(yàn)中對同種材料進(jìn)行3種不同切割速度環(huán)境的切割,試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)切割速度不同切割火花形態(tài)及斷面質(zhì)量(切割斷面紋路)均不同,具體結(jié)果如下。
首先,正常速度(60mm/s)的火花是由上往下擴(kuò)散的, 斷面紋路直線并稍向后傾斜,表面光潔無熔渣產(chǎn)生,如圖2a、圖2d所示。
其次,速度過快(200mm/s)時(shí)火花向后傾斜, 切割斷面粗糙且紋路呈大角度向后傾斜彎曲,零件下方產(chǎn)生熔渣,斷面有些區(qū)域能切斷有些區(qū)域則不能,如圖2b、圖2e所示。
最后,速度過慢(10mm/s)時(shí)火花少且不擴(kuò)散,板材過燒,切割斷面粗糙,切縫變寬,小轉(zhuǎn)角部位整個(gè)區(qū)域熔化,如圖2c、圖2f所示。
圖2 切割火花及斷面效果
因此得知選擇適當(dāng)?shù)那懈钏俣龋墒够鸹ㄐ螒B(tài)良好,切割斷面呈現(xiàn)較平穩(wěn)線條,且零件下方?jīng)]有熔渣,不會(huì)出現(xiàn)切不斷或板材過燒,區(qū)域熔化的現(xiàn)象??梢姴煌那懈钏俣葘す馄焚|(zhì)有重大影響,如切縫寬度和斷面質(zhì)量。
(3)氣體壓力 試驗(yàn)設(shè)備配備液態(tài)氧氣作為切割氣體,先測試DC01/t=1.0mm在0.1MPa、1.2MPa、2.0MPa下切割,后測試SS400/t=5.0mm在0.1MPa、0.5MPa、2.0MPa下切割,不同環(huán)境下綜合分析如下。
首先,氣體壓力不足時(shí)(0.1MPa),會(huì)產(chǎn)生焊瘤,直接影響切割速度。
其次,氣體壓力過高時(shí)(2.0MPa)會(huì)造成斷面粗糙,切縫較寬,斷面部分熔化,無法達(dá)到良好的切割質(zhì)量。
最后,氣體壓力適中時(shí)(1.2MPa/0.5MPa),質(zhì)量合格。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣體壓力對切割作用很大,切割氣體有助于散熱、助燃、吹走殘?jiān)?。同時(shí)發(fā)現(xiàn),對薄板件切孔采用較高的氣體壓力且效率高、質(zhì)量良好,如圖3a所示;而對厚板件切孔則采用較低的氣體壓力且效率低質(zhì)量較差,如圖3b所示。因此建議采用特定的打孔方式(如鉆孔),以提高工作效率。
圖3 薄板與厚板切割對比
(4)零件間距 試驗(yàn)中對3種料厚板材進(jìn)行測試,重點(diǎn)從最小孔徑進(jìn)行測試,具體如下。
首先,DC01/t=1.0mm時(shí),1mm直徑圓孔無法保證質(zhì)量(切割引線無法預(yù)留),2mm直徑圓孔質(zhì)量過關(guān)。
其次,SS400/t=3.0mm時(shí)3mm圓孔質(zhì)量達(dá)標(biāo),2mm無法實(shí)現(xiàn)。
最后,SS400/t=5.0mm時(shí)5mm圓孔質(zhì)量達(dá)標(biāo),4mm無法實(shí)現(xiàn)。
得知最小孔徑一般大于等于板材料厚,如執(zhí)意加工小于板厚的小孔則不能保證切割斷面質(zhì)量,可能會(huì)因零件質(zhì)量不良而造成報(bào)廢。實(shí)際生產(chǎn)中考慮到浮頭的正常工作以及熱影響,切割板材邊緣、零件間最小間距及最小切割孔徑一般最少預(yù)留10mm距離,以保證正常加工。
(5)零件材質(zhì) 激光切割對加工零件材質(zhì)有較高要求,不同碳含量材質(zhì)加工出的零件質(zhì)量會(huì)大不相同。
試驗(yàn)中兩種不同質(zhì)量的SS400/t=3.0mm進(jìn)行切割對比,其中劣質(zhì)材料在切割時(shí)產(chǎn)生爆點(diǎn)(正常切割中到一部位突然爆炸,如圖4所示)。經(jīng)分析得知,產(chǎn)生爆點(diǎn)的主要原因是材料內(nèi)部雜質(zhì)較多,分布不均造成。
圖4 爆點(diǎn)
因此為得到高質(zhì)量零件同時(shí)為保護(hù)鏡片,一般建議采用高品質(zhì)板材(如寶鋼)進(jìn)行激光切割。
(6)切割誤差 試驗(yàn)中通過對3種不同料厚材料進(jìn)行切割,每種料厚各進(jìn)行四次切割誤差測量,測量數(shù)據(jù)如表4所示。將各數(shù)據(jù)描點(diǎn)形成散點(diǎn)圖,各散點(diǎn)連線得知各誤差值上下浮動(dòng)范圍在±0.1mm之間,且隨材料厚度增加而增大。
激光加工過程中除去切縫材料被去除外,由于受熱切縫附近材料也會(huì)受影響,零件存在著不完全可控的熱變形,因此會(huì)存在一定的切割誤差。鑒于誤差值的存在,需要編程人員與現(xiàn)場操作者非常了解該誤差值,并通過采取一些措施盡量避免誤差的出現(xiàn)。分析得知,注意以下事項(xiàng)可使誤差值減?。孩偾懈罴庸r(shí)必須使用合適的刀具補(bǔ)償。②測量誤差值時(shí)應(yīng)該選擇在無切割焊渣且無變形的位置進(jìn)行測量。③選擇合適的切割料片大小,即切割成型零件時(shí)盡量以單料片1~2件零件為佳,切割平面料片時(shí)盡量以單料片5~10件零件為佳。④良好的光路元件及光路調(diào)試是控制誤差的必然。
(7)實(shí)際零件切割 通過上述試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)以上因素中零件材質(zhì)及間距屬于可控制因素,可通過控制其他因素進(jìn)行控制;切割誤差雖難以避免但是可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制在一定誤差范圍內(nèi);其余激光功率、切割速度、氣體壓力三個(gè)工藝參數(shù)在實(shí)際切割中均需進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。鑒于此,重點(diǎn)從后面三個(gè)工藝參數(shù)入手進(jìn)行調(diào)整,以分析此三個(gè)工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的敏感程度。
針對不良零件(前保險(xiǎn)杠支架,SS400/t=5.0mm,如圖6a所示)分析產(chǎn)生不良的原因,得知原因可能為以下三個(gè):切割速度不足、切割速度過快或氣體壓力不足。試驗(yàn)中分別單獨(dú)調(diào)整以上3個(gè)工藝參數(shù),調(diào)整量分別為P=xW±50W、v=xmm/s±10mm/s及p=xMPa±0.1MPa,當(dāng)調(diào)整至P=300W、v=10mm/s、p=0.5MPa時(shí)切割質(zhì)量達(dá)到最佳。在調(diào)整過程中通過觀察各工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的敏感度得出三者敏感程度排序:氣體壓力>切割速度過快>切割速度不足。得出此結(jié)論后為確定其準(zhǔn)確性,再切割不同料厚勇士零件(絞盤支架補(bǔ)強(qiáng)板,SS400/t=3.0mm,如圖6b所示)進(jìn)行二次確認(rèn),得出同樣的結(jié)論。
圖6 勇士零件切割
通過此激光切割試驗(yàn),將四個(gè)工藝參數(shù)(除零件材質(zhì))及切割誤差的試驗(yàn)結(jié)論數(shù)據(jù)匯總,如表5所示。
4. 結(jié)語
本文對不同厚度碳鋼及實(shí)際零件在不同測試環(huán)境下切割,通過觀察激光火花的形態(tài)及零件切割質(zhì)量對各參數(shù)進(jìn)行分析,可以得出如下結(jié)論。
(1)試驗(yàn)所述工藝參數(shù)及切割誤差均會(huì)不同程度影響激光切割質(zhì)量,不同切割環(huán)境下影響程度大不相同,為提高切割質(zhì)量必須綜合考慮各因素,控制各因素間的關(guān)系,以使切割質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。
(2)在調(diào)整切割參數(shù)時(shí),氣體壓力對零件質(zhì)量的敏感程度最大,切割速度次之,激光功率最小。
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