三维五轴激光切割技术浅析

武汉华工激光工程有限责任公司参加2019（上海）中国国际金属成形展览会，展位号W1-V19

三维激光切割

在汽车制造中，生产一款普通的轿车需要 1,000至 1,500套冲压模具，约占整车生产所需模具的 40%左右，传统的直接冲压加工方式，对于磨具的损耗较大，加工过程中需要经常修复甚至更换，效率低、成本高。

激光作为先进的加工方式，可提供最小的热影响区和极小的局部变形，非接触性的加工方式对工件不施加任何力，工件无机械变形、刀具无加工磨损，并且切割能力不受被切材料硬度影响。特别是汽车热成形件，其高强钢屈服强度可达1500MPa，传统的冲压几乎无法加工，三维激光切割成为了最有效的加工方式，已越来越多在加工环节中使用。

汽车轻量化的发展，使得节能、环保和安全成为汽车设计和生产过程中的必须考虑因素。热冲压超高强度钢板可在保证汽车安全性能的基础上，减低油耗、提高乘车舒适性，目前主要用于制造汽车 B柱、A柱、前/后保险杠、前/后门防撞梁、门槛、地板中通道、顶盖纵梁、车顶侧梁、车窗加强筋、门板加强筋、横向支撑架、悬置固定架、纵向承载梁等重要结构件，适合采用三维激光切割方式加工。相对于二维激光切割，三维工件激光切割的机床和编程较为复杂，还涉及到工装等辅助装置，汽车车身冲压件的激光切割的既要保证切割质量和精度，又要兼顾切割效率，下面以华工激光三维五轴激光设备为例，分享切割过程中的一些小技巧。

1） 可靠的毛坯工件

图1

成形件在成形过程中可能会产生断裂、翻边、褶皱、回弹等问题，形成少量的形变和尺寸误差，三维五轴激光切割机能够通过浮动轴自动补偿这些误差，保证正常加工。如果对尺寸误差很大的冲压件进行加工，可能会造成切割质量和精度不稳定，严重的甚至会导致三维激光切割头碰撞，造成喷嘴和陶瓷环的损坏。要得到稳定的切割质量和精度，需要有合格的毛坯件。而好的模具是稳定毛坯件的前提，及时修复磨损的模具，才能保证压出合格的零件。

2） 可靠的工装

图2 

图3

工装必须能很好的匹配工件，同时在一些激光切割区域增加挡光片，防止激光对穿到工件另一侧烧伤或烧穿工件。对于大多数多产线生产，多采用专用仿形工装（图2），精度好、形变小、稳定性好，可重复使用，还可在工装上加装电控夹紧器和工件检测装置，有助于保障设备持续稳定生产。而网格临时工装（图3）虽然缺乏一定的可靠性、稳定性，但制作简单、快速，成本低，特别适用于小批量试制行业加工，在模具制造、甚至部分热成形线行业都被广泛使用。  

3） 合理的编程

编排合理的切割顺序，在保证完成切割的情况下尽量少的旋转和摆动切割头，大路径力争做到“不走回头路”，可大幅节省切割时间，提高生产节拍，如图4某A柱的切割，图5和图6分别是两种走刀顺序，图5因为切割头的摆动动作比图6少，因此切割同样的工件图5程序比图6程序快。

图4

图5

图6

4） 切割动作的优化

切割高度优化，空程移动采用蛙跳动作，充分利用浮动轴的有效行程，在保证切割头安全通过的前提下尽量贴近工件表面可节省空行程时间。

图7

5） 切割参数

切割质量的影响因素包括参数（功率、速度、气压、焦点）、气体质量（一般采用空气或氮气切割，需要按时保养空压机及过滤装置才能保证切割气体质量稳定）、喷嘴是否完好、高度跟踪是否稳定、光学镜片是否洁净等。

除了以上因素，切割角度对三维激光切割影响同样很大，一般而言，平板加工中，激光切割头始终垂直于工件表面即可，但在三维切割中，由于工件为三维异形件，当切割异形曲面、转角或侧面的时候，如果始终保持切割头与工件表面垂直切割头就有可能与工件发生碰撞（图8），  需要我们实时修改人工修改切割头和切割面的角度，以保证切割头安全（图9）。

图8

图9

当切割进入拐角时系统速度会减慢，因此如果还是同样的参数切割会引起过烧、挂渣，为得到好的切割质量过弯和直线会采取不同参数，以华工激光AUTOBOT3015-3300W

三维五轴激光切割机切割1.2mm热成形件为例（表1），根据工件的复杂性可设定不同的参数，以保证切割质量的一致性。

表1

6） 大尺寸工件的切割

图10

整体门环（图10）的出现让汽车安全性大大提高， 这种大尺寸的成形件需要幅面更大的三维五轴激光切割机。一般标准的三维五轴激光切割机幅面为3*1.5m，可满足绝大多数汽车成形件的激光切割，这种整体门环可以通过更大幅面如4*2m、4*2.5m等大幅面三维五轴激光切割机来实现整体加工，无需二次定位，可靠性、稳定性更好。

近年来，我国热冲压成形技术和热冲压生产线得到了飞速发展，市场需求高速增长，华工激光生产的三维五轴激光切割设备，切割效率比肩国外进口设备，价格仅占进口设备70%左右，而且具有交货期短、服务成本低等优势。核心单元切割头和光源国产化，相对进口设备一台节约超一百万，而一条热成形线需要配备4-6台这样的汽车热成形三维五轴激光切割机，一条线可为用户节约近千万的设备投入成本，目前已被热成形企业大批量采购。

华工激光AUTOBOT3015三维五轴激光切割机

AUTOBOT3015三维五轴激光切割机主要解决成形件的切孔和修边问题,其特点是精度高、速度快、动态性能好,配备高性能旋转工作台,可满足汽车行业高节拍要求。

产品特点：

l 稳定性：采用龙门双驱结构,稳定性好可保证长期高速高精稳定

l 高效率：最大合成定位速度170m/min,最大合成加速度1.7G,旋转工作台3s可完成单次变位。

l 安全性：机床安全防护符合CE国际安全标准。

l 性价比：性能不逊于进口设备,更短的交货期，更少的成本投入,更低的使用维护成本。

该设备将亮相2019（上海）中国国际金属成形展，欢迎前往参观体验。

（本文主要内容由华工激光提供）