不銹鋼彎管激光加工的研究

韓麗杰 李玉鳳

[摘要]隨著我國(guó)數(shù)控技術(shù)和激光技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)在數(shù)控激光切割機(jī)的研發(fā)上投入了巨大的人力物力，數(shù)控激光切割機(jī)的制造獲得了極大的發(fā)展。本文對(duì)汽車進(jìn)、排氣彎管的激光加工進(jìn)行了重點(diǎn)研究，指出了存在的問(wèn)題和設(shè)計(jì)的思路，探討了優(yōu)化措施，對(duì)激光加工技術(shù)的發(fā)展有一定借鑒意義。

[關(guān)鍵詞]不銹鋼彎管;激光加工;PLC技術(shù)

[中圖分類號(hào)] TG665

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)汽車、摩托車以及空調(diào)等裝備制造業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，不銹鋼彎管作為管路的重要組成零件，市場(chǎng)前景廣闊。由于各類彎管直徑、壁厚、彎曲半徑、角度等規(guī)格較多，采用激光切割的方式產(chǎn)品加工切換困難，傳統(tǒng)的不銹鋼彎管主要以線切割的方式生產(chǎn)，通過(guò)工人手動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)夾裝設(shè)備，這種加工方式生產(chǎn)效率低、表面粗糙度差、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，僅僅適用于小批量彎管的加工。而對(duì)于大批量的彎管生產(chǎn)，則采用激光切割的方式進(jìn)行，如何實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中各規(guī)格彎管產(chǎn)品快速切換成了一個(gè)只待解決的難題。隨著PLC技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得彎管的自動(dòng)化加工成為可能。本文以汽車進(jìn)、排氣彎管的激光加工為例，進(jìn)行深入的研究與探討。

1 數(shù)控激光切割機(jī)

激光切割是一種利用高能量密度的激光束加熱工件表面，極短的時(shí)間內(nèi)使材料氣化，通過(guò)激光束和材料的相對(duì)移動(dòng)，達(dá)到了切割材料的目的。相比于砂輪機(jī)切割，激光切割的零件不易出現(xiàn)毛邊和掛口，切割完成后也不用擔(dān)心切割使零件表面變色，省去了后續(xù)的打磨拋光工序，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。汽車進(jìn)、排氣彎管是一種薄壁不銹鋼管，這種管件采用砂輪機(jī)切割很難達(dá)到質(zhì)量要求，甚至在加工的過(guò)程中產(chǎn)生形變。如果采用激光加工，則切割口不會(huì)有機(jī)械應(yīng)力，沒(méi)有毛刺出現(xiàn)，精度也可以達(dá)到要求。為了排除外界因素的影響，激光技術(shù)與PLC技術(shù)相結(jié)合的數(shù)控激光機(jī)床被應(yīng)用于生產(chǎn)各種機(jī)械零件。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)了工件角度的自動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)夾緊、自動(dòng)切割、自動(dòng)停止以及松開(kāi)工件等一系列工序，適應(yīng)了不同需求的工件生產(chǎn)。激光數(shù)控機(jī)床不損傷材料表面結(jié)構(gòu)，重復(fù)性和精度極高，保證了零件的標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)控技術(shù)的運(yùn)用更是降低了人力成本，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2彎管激光切割的主要問(wèn)題

2.1 彎管在夾緊過(guò)程中的形變問(wèn)題

汽車的進(jìn)、排氣管管壁一般僅有l(wèi).Omm左右，壁厚較薄，極其容易發(fā)生形變，對(duì)工件的夾緊機(jī)構(gòu)提出了較高的要求。首先夾緊機(jī)構(gòu)必須保證定位準(zhǔn)確，不能出現(xiàn)工件的位移;其次，夾緊力的大小必須要可靠，既要保證位置不變，還要保證管件不發(fā)生嚴(yán)重形變;最后夾緊機(jī)構(gòu)要有一定的白鎖能力，不僅要能承受外力不移動(dòng)，外力突然消失時(shí)也不能發(fā)生位移。

2.2切割線的控制問(wèn)題

激光切割一般激光頭是固定的，要想讓彎管切割按照工藝要求進(jìn)行，就必須要通過(guò)夾具的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)切割線和激光頭在同一平面。這一點(diǎn)是較困難的，首先，必須進(jìn)行比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)繪制夾具的運(yùn)轉(zhuǎn)軌線，其次要通過(guò)PLC技術(shù)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)夾具運(yùn)轉(zhuǎn)，最后我們需要加工的彎管常常是不同規(guī)格、不同角度的彎頭，切割線的控制難度更大。

2.3工件的控制問(wèn)題

工件定位角度、調(diào)整角度以及旋轉(zhuǎn)角度的控制，激光切割和松開(kāi)工件的自動(dòng)化控制如何控制，是保證激光加工自動(dòng)化最核心的難題。要解決這一問(wèn)題，需要我們?cè)敿?xì)分析研究工藝的過(guò)程，熟悉激光設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理以及各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，掌握PLC編程控制方法，能夠準(zhǔn)確根據(jù)工藝需求輸入控制信息。

3彎管切割的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 夾緊設(shè)計(jì)要點(diǎn)

不銹鋼彎管管壁厚約1—0.8mm，采用普通加緊裝置，容易造成因夾緊力過(guò)大而引起的變形，或因夾緊力過(guò)小而導(dǎo)致的工件在加工過(guò)程中位置變化，采用三爪氣缸進(jìn)行夾緊，三爪能實(shí)現(xiàn)彎管安裝的自定心.并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)夾緊、自動(dòng)松開(kāi)動(dòng)作;氣動(dòng)可以預(yù)設(shè)夾緊力，保證工作的夾緊并防止變形;同時(shí)三爪氣缸結(jié)構(gòu)緊湊，并且重復(fù)裝夾地精度較高。

為保證加緊安全可靠，夾緊部分不能過(guò)短，在保證夾爪不與彎管干涉的情況下，夾緊長(zhǎng)度一般不小于30mm，為保證彎管加緊表面的精度，在夾爪的夾持部分可以裝有夾持墊來(lái)防護(hù)排氣管的表面不被破壞。

3.2電機(jī)的科學(xué)管控

單電機(jī)的科學(xué)管控涉及到的PLC技術(shù)，需要具備PDRVA、PLSV以及DRVI功能。其中PLSV功能是隨著時(shí)間改變速度也相應(yīng)改變的變速運(yùn)行命令，對(duì)于定位工作無(wú)法完成，但是它仍然是一種十分靈活的管控命令。DRVI與PLSV不同，主要是完成定位任務(wù)，方位確定后，電機(jī)將會(huì)暫停等待下個(gè)命令。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，常常是以PLSV技術(shù)為主，PDRVA、DRVI命令為輔，這樣可以保證電機(jī)獲得的命令明確，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)PLC系統(tǒng)時(shí)需要準(zhǔn)確把握不同命令形式的功能劃分，對(duì)電機(jī)進(jìn)行科學(xué)管控。首先，需要保證程序運(yùn)行合理。對(duì)起繞點(diǎn)進(jìn)行合理的定位，保證按下按鈕后電機(jī)能夠按照設(shè)定好的程序快速運(yùn)行、往返運(yùn)行、緩慢暫?；蛘呤强焖偻Ｖ?。然后應(yīng)該做好PLC的調(diào)控。對(duì)于運(yùn)行有關(guān)的速度設(shè)置、定位有關(guān)的起止點(diǎn)設(shè)置，要與伺服電機(jī)的單圈脈沖數(shù)進(jìn)行緊密融合。對(duì)于雙電機(jī)的管控較為復(fù)雜，研究的重點(diǎn)是兩組電機(jī)的運(yùn)行情況和速度的匹配問(wèn)題，并進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

3.3隨動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置

為了確定激光平面與工作面在同一位置，需要將切割頭的高度進(jìn)行調(diào)整，激光頭位置決定了縫隙的大小以及切割質(zhì)量的好壞。這就要求我們需要將隨動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理化的設(shè)置，保證切割精度和隨動(dòng)速度的要求，誤差應(yīng)控制在±O.Olmm，隨動(dòng)速度應(yīng)該在5 m/min，一般不能過(guò)快或者過(guò)慢。

3.4運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化

評(píng)價(jià)數(shù)控切割機(jī)的好壞主要看運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，負(fù)載慣量比值是否在最優(yōu)區(qū)間內(nèi)。一般通用的電機(jī)負(fù)載慣量比值在1：10。但是在實(shí)際的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，為了使電機(jī)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，可將負(fù)載慣量控制在1：3左右。

3.5激光切割機(jī)的優(yōu)化分析技巧

激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)通常會(huì)采用兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，或者兩種設(shè)計(jì)優(yōu)化方法結(jié)合使用。一是經(jīng)驗(yàn)分析法，結(jié)合過(guò)去的加工經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)內(nèi)外的相關(guān)產(chǎn)品加工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。也可以結(jié)合一些生產(chǎn)單位提供的設(shè)計(jì)思路，比如山東鵬沃激光科技有限公司提出設(shè)計(jì)方案較為可取。二是實(shí)踐反思法，積極的與學(xué)校教師和相關(guān)企業(yè)技術(shù)員溝通，進(jìn)行理論研究，理論研究進(jìn)行到一定階段后做出實(shí)物進(jìn)行實(shí)踐，根據(jù)實(shí)物實(shí)踐過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，思考解決辦法，不斷提高和改善。在整個(gè)設(shè)計(jì)工作中，我們可以按照設(shè)計(jì)方案、可行性分析、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、樣機(jī)制作、試運(yùn)行以及調(diào)整驗(yàn)收的思路運(yùn)行，最終得到滿意的產(chǎn)品。

3彎管的激光加工設(shè)計(jì)

以彎管激光加工為例，在初步設(shè)計(jì)過(guò)程中，可供參考的技術(shù)路線有如下幾種：（1）線切割，工件固定不動(dòng)，這種方案速度慢，耗時(shí)較長(zhǎng)。（2）通過(guò)設(shè)計(jì)多種不同角度、不同尺寸的裝置進(jìn)行立式激光機(jī)切割，這種加工方式不適合汽車彎管這種大規(guī)模生產(chǎn)的部件。（3）用臥式激光機(jī)切割，工件通過(guò)夾緊裝置夾緊后，激光頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，改變激光頭的運(yùn)行軌跡來(lái)切割工件。這種加工方式常常會(huì)導(dǎo)致價(jià)值昂貴的激光部件損壞，設(shè)備維修成本極高，工件質(zhì)量也很不穩(wěn)定。（4）通過(guò)旋轉(zhuǎn)夾緊裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)激光頭和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種方式采用的是立式激光切割機(jī)進(jìn)行操作，特別適合于汽車彎管這種工件量大，效率較高的產(chǎn)品，這種思路較為實(shí)用。為了實(shí)現(xiàn)這種思路，進(jìn)行可行性分析。這種方式是由激光切割機(jī)、工件回轉(zhuǎn)和夾緊裝置構(gòu)成的。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是激光頭固定，工件回轉(zhuǎn)。要想實(shí)現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)調(diào)整，就必須有兩臺(tái)伺服電機(jī)，一臺(tái)實(shí)現(xiàn)工件的進(jìn)退，另一臺(tái)控制工件旋轉(zhuǎn)。其加工過(guò)程如下：首先是角度的調(diào)整，先用伺服電機(jī)將角度調(diào)整至工藝要求范圍。隨后夾緊工件，夾緊裝置收到信號(hào)后自動(dòng)將工件夾緊，夾緊力不可過(guò)大或過(guò)小。然后啟動(dòng)工件回轉(zhuǎn)裝置，按照工藝要求和激光脈沖數(shù)的匹配要求進(jìn)行工件的回轉(zhuǎn)，使管件繞軸線回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，激光切割機(jī)啟動(dòng)，完成管件切割。

4結(jié)語(yǔ)

彎管的激光加工適用于多種直徑和尺寸的彎管，一方面克服了傳統(tǒng)切割質(zhì)量不穩(wěn)定、耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，另一方面，通過(guò)PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)、半自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)流程。降低了操作成本、勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了資源利用率，極大地改善了生產(chǎn)環(huán)境。與此同時(shí)，也應(yīng)該看到我國(guó)的激光加工技術(shù)還未達(dá)到世界先進(jìn)水平，機(jī)床的穩(wěn)定性、光束性能等都還有很大差距，也沒(méi)有將人機(jī)關(guān)系考慮在內(nèi)。我們還要認(rèn)清差距，在此方向上不斷努力，進(jìn)行深入的研究，提高創(chuàng)新能力，促使我國(guó)的數(shù)控激光技術(shù)做大做強(qiáng)，提高我國(guó)產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

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