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摘要

目前，在車身熱沖壓成型領(lǐng)域，三維五軸激光切割機(jī)床的技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。隨著熱沖壓成型技術(shù)的日趨成熟，以及汽車制造商對(duì)熱沖壓零件供應(yīng)商壓低報(bào)價(jià)，汽車熱沖壓零部件供應(yīng)商對(duì)于三維五軸激光切割設(shè)備的需求也在發(fā)生變化。隨著熱沖壓市場(chǎng)的發(fā)展，客戶群和客戶需求也隨之改變，從開始時(shí)的追求高效率、高質(zhì)量切割、高精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性，到目前更傾向于兩個(gè)不同維度的要求：更低的投資成本和更高生產(chǎn)效率。此次研究得出的結(jié)果是基于：當(dāng)前熱沖壓市場(chǎng)不同客戶的需求，以及三維五軸激光切割加工中心新的技術(shù)創(chuàng)新。其中一個(gè)就是最新的二合一光纖應(yīng)用于三維五軸的切割，在相同的激光功率條件下，提高整個(gè)加工中心對(duì)于單件部件的切割效率，另一個(gè)是如何在滿足一些客戶需求的同時(shí)，降低設(shè)備的投資成本。

關(guān)鍵詞：激光工藝  三維五軸激光切割  熱沖壓零部件 

三維五軸激光切割技術(shù)在汽車熱沖壓領(lǐng)域已有多年的應(yīng)用。2006年，應(yīng)用在汽車熱沖壓領(lǐng)域的三維五軸激光切割技術(shù)引入中國(guó)市場(chǎng)，并且目前一直在持續(xù)發(fā)展。在過去的17年間，隨著該技術(shù)的發(fā)展越來越趨于成熟，熱成型沖壓件的成本已經(jīng)大幅降低，熱沖壓零件在汽車上的應(yīng)用比例也在逐步增高。三維激光切割已經(jīng)是熱沖壓工藝中的重要一環(huán)。熱沖壓零件的生產(chǎn)廠商對(duì)三維五軸激光切割設(shè)備的要求也越來越高。設(shè)備的采購成本和加工效率是客戶目前最關(guān)心的兩個(gè)因素。

圖1. 三維五軸激光切割加工中心的主要部件

這里介紹三維激光切割加工設(shè)備的主要部件，主要為：床身，激光光纖線纜，激光光源，切割頭。

(1)床身: 加工中心主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的支撐。

(2)光纖線纜: 激光的傳輸機(jī)構(gòu)，用于將光源生成的激光傳輸?shù)郊す馇懈铑^（圖1）

(3)激光光源: 激光的生成裝置，通常是固態(tài)光源。

切割頭: 將激光聚焦在生產(chǎn)或者加工處理零件的表面。

特殊光束質(zhì)量下的激光切割工藝分析

最新的激光技術(shù)是應(yīng)用于熱沖壓三維五軸激光切割的二合一光纖激光切割技術(shù)(BrightLine Speed)。二合一光纖線纜非常合理的匹配出2種直徑的光芯（內(nèi)部和外部光纖芯），光源產(chǎn)生的激光的光束質(zhì)量可以通過調(diào)節(jié)激光光束的內(nèi)芯和外芯直徑的組合而改變。在形成最適合三維激光切割的光束比之后，這個(gè)新技術(shù)可以有效提升加工中心系統(tǒng)的切割速度和負(fù)責(zé)型面的熱沖壓件切割質(zhì)量（圖2）。

圖2. 光束截面的能量分布。右側(cè)是普通單光源光束?100 μm,左側(cè)是二合一激光的光束質(zhì)量。

目前市場(chǎng)上的三維五軸激光切割設(shè)備均使用單光束，而通過使用二合一光纖，在相同的功率下能加快沖壓件的切割速度——我們采用通快三維五軸激光切割設(shè)備TruLaser Cell 8030測(cè)試兩種模式進(jìn)行對(duì)比：一種是二維平板切割，另一種是三維立體的熱沖壓件。

二維平板的切割測(cè)試數(shù)據(jù)

圖 3. 通快TruLaser Cell 8030二維平板切割測(cè)試

表1. 二合一環(huán)芯可調(diào)切割二維平板時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比。測(cè)試設(shè)備是TruLaser Cell 8030

表2. 3KW帶二合一環(huán)芯可調(diào)和4kw普通光束切割二維平板的速度對(duì)比。測(cè)試設(shè)備是TruLaser Cell 8030

如圖3、表1和表2所示的二維激光切割測(cè)試數(shù)據(jù)，我們得出的結(jié)論 1:

(1)使用3KW功率激光，二合一光纖激光切割2mm厚度鋼板，速度可以提升超過 30%。用于切割1mm厚度鋼板，速度可以提升接近50%。

(2)使用3KW功率激光，二合一光纖激光切割<2mm厚度材料，速度比4KW功率普通激光的光束稍快。

三維沖壓件的切割測(cè)試數(shù)據(jù)

二合一光纖帶來的切割速度提升和更好的激光光束質(zhì)量，新的光束波形只需更小的切割嘴，切割相同板料時(shí)，消耗的氣體更少，而切割質(zhì)量相同。表4是切割測(cè)試的比較（圖4，5和表3）

圖4.利用TruLaser Cell 8030進(jìn)行三維立體切割測(cè)試

表3. 3KW帶二合一環(huán)芯可調(diào)和4kw普通光束切割的速度對(duì)比。測(cè)試設(shè)備是TruLaser Cell 8030 3KW

表4. 切割氣體消耗量數(shù)據(jù)對(duì)比（切割氣體消耗量數(shù)據(jù)對(duì)比 [m3/m]）

結(jié)論2:

當(dāng)采用3kw功率激光，二合一光纖激光束切割1.5mm厚度工件，與4kw普通激光束比較可以提升8%的效率。二合一光纖激光束比較普通激光束，切割可節(jié)省50%的氣體消耗。

圖5. 標(biāo)準(zhǔn)X-Blast 噴嘴技術(shù)（左圖）和二合一環(huán)芯可調(diào)X-Blast 噴嘴技術(shù)氣體消耗的界面圖（右圖）

結(jié)論與展望

二合一光纖激光束切割技術(shù)對(duì)使用三維五軸激光切割的熱沖壓零件制造商，具有提升產(chǎn)能和節(jié)約成本的巨大潛力，具體如下：

(1) 采用二合一光纖激光切割技術(shù)加工2mm板料，可提升30%切割速度。加工1mm板料，可提升50%切割速度。

(2) 加工小于2 mm厚度的板料，3kw功率二合一光纖激光的切割速度快于4kw普通激光的切割速度。

(3) 加工1.5 mm厚度板料，3kw功率二合一光纖激光的切割效率可提升8%。

(4) 3kw功率二合一光纖激光的切割工藝相較普通激光可節(jié)省50%的氣體消耗。

隨著中國(guó)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)加劇，熱沖壓客戶越來越需要壓縮生產(chǎn)成本，在不遠(yuǎn)的將來，三維五軸激光工藝的發(fā)展將聚焦在設(shè)備的使用成本和性能的提升，與此同時(shí)，熱沖壓件在汽車上的使用比率還將進(jìn)一步提高。

（來源：《熱成形產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟》、熱沖壓；作者：通快）