在激光切割市場(chǎng)中，通常認(rèn)為激光功率是決定產(chǎn)量的主要因素。 而且，在厚材料中切割直線時(shí)，在公差較低的情況下，功率越大，速度越快。 然而，在許多應(yīng)用 中，尤其是在更嚴(yán)格的公差下切割較薄的材料，不需要非常高的功率，實(shí)際上可能是一個(gè)缺點(diǎn)。 此外，在精密應(yīng)用中，機(jī)器機(jī)械因素以及使激光器與機(jī)械裝置同步的能力可能是吞吐量方面的最終速率限制因素。 本文探討了一家名為 Stiefelmayer Lasertechnik （ Denkendorf, 德國(guó)）的制造商如何解決這些問題，以優(yōu)化薄電工鋼的切割。
電工鋼是一種薄的（通常為0.1至1毫米）層壓材料，成型后堆疊，用于制造電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子，以及變壓器的鐵芯。這些疊層通常由幾百個(gè)獨(dú)立層組成，每個(gè)層都涂有一層不導(dǎo)電的外層。
通常，這些零件的沖壓量很大。沖壓可實(shí)現(xiàn)高重復(fù)性，但絕對(duì)精度有限。重復(fù)性很重要，因?yàn)楫?dāng)大量這些零件堆疊在一起時(shí)，它提供了一個(gè)平滑的邊緣表面。此外，沖壓不會(huì)產(chǎn)生邊緣毛刺，這會(huì)阻止零件在堆疊時(shí)完全接觸。磨削去除毛刺是不可取的，因?yàn)樗赡軙?huì)去除材料的外部分層。最后，沖壓不會(huì)加熱零件。加熱電鋼也會(huì)去除其外部疊片或影響大塊材料的磁性，這兩種情況都是不可取的影響。
沖壓的主要限制是需要昂貴的固定工具。這在批量生產(chǎn)中是可以接受的，但在原型制作過程中或在小批量生產(chǎn)運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)問題。
使用光纖激光器切割提供了一種替代沖壓的方法，可以避免模具成本，并且通?？梢蕴峁┍匾乃俣?，使其成為小批量運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)有效的選擇。然而，大多數(shù)基于光纖激光的刀具都有局限性，這使得它們無(wú)法成為切割薄電工鋼的可行選擇。
Stiefelmayer’s Effective cutter系列(來(lái)源:Stiefelmayer)
首先，大多數(shù)商用激光切割機(jī)在其工作區(qū)域有相對(duì)較大的、非恒定的公差偏差。因此，從一大塊材料的右前方切割的零件看起來(lái)可能與從左后方切割的零件不同。當(dāng)這些部件隨后堆疊時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生尺寸問題。
光纖激光切割的其他限制是，它可以蒸發(fā)零件的表面層壓，在邊緣產(chǎn)生浮渣，并在大塊材料中形成熱影響區(qū)（HAZ），從而改變其磁性。隨著切割功率的增加，這些問題通常會(huì)變得更嚴(yán)重。然而，正如一開始提到的，在傳統(tǒng)的激光機(jī)器中，速度和激光功率通常是同時(shí)進(jìn)行的。
更低的功率，更高的吞吐量
Stiefelmayer Lasertechnik制造激光機(jī)床并按合同制造，重點(diǎn)是將薄金屬板切割到嚴(yán)格的公差。他們的高效系列激光切割機(jī)經(jīng)過專門優(yōu)化，以生產(chǎn)高精度、高吞吐量的切割；他們的設(shè)計(jì)理念傾向于巧妙而非蠻力?？偨?jīng)理迪Dieter Bulling用賽車類比來(lái)解釋這種方法?！拔覀円呀?jīng)調(diào)整了我們的機(jī)器，以適應(yīng)摩納哥緊張的城市路線，而不是印第安納波利斯的巨大橢圓形。我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在曲線上實(shí)現(xiàn)最高可能的平均速度，而不是直線上的最高速度。對(duì)于我們通常生產(chǎn)的零件類型，這會(huì)產(chǎn)生更大的吞吐量?！?/p>
Coherent HighLight fiber激光器(來(lái)源:Coherent)
在高效刀具中，有兩個(gè)整體方面可以實(shí)現(xiàn)這種性能——卓越的機(jī)械性能和激光與這些機(jī)械性能的精確同步。Stiefelmayer Laser-technik使用直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)來(lái)提供切割頭的x和y運(yùn)動(dòng)。這消除了與其他系統(tǒng)中使用的齒輪齒條傳動(dòng)裝置相關(guān)的反間隙。此外，支撐梁輸送頭的橋梁由碳纖維而非金屬制成，以在不犧牲剛性的情況下最小化其慣性。這種輕量橋架使機(jī)器能夠達(dá)到高加速度(加速度變化率)。Dieter Bulling澄清了這一點(diǎn)的重要性：“沒有一臺(tái)機(jī)器能夠從靜止?fàn)顟B(tài)立即達(dá)到4或6克的加速度（這在物理上是不可能的）。因此，具有緊湊輪廓的高生產(chǎn)率的關(guān)鍵在于機(jī)器達(dá)到所需加速度的速度有多快——換言之，加速度?！?/p>
Bulling補(bǔ)充說，激光器輸出和機(jī)架移動(dòng)之間的高度同步對(duì)機(jī)器精度和吞吐量都同樣重要。所有拐角都以小半徑切割，因?yàn)檫@樣就不需要在頂點(diǎn)處使梁完全停止。在Stiefelmayer Effective機(jī)器中，該角半徑可以是40μm，或大到0.2 mm。Bulling解釋說，“我們可以實(shí)現(xiàn)如此小的邊緣半徑有兩個(gè)原因。一個(gè)是機(jī)器的高運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)性，另一個(gè)是激光輸出與機(jī)架運(yùn)動(dòng)的高同步性。具體來(lái)說，當(dāng)光束速度減慢時(shí)，激光功率必須下降，以保持給定光斑的總輸出功率恒定。我們通過連續(xù)運(yùn)行激光器（cw）來(lái)解決這一問題。然后在角落使用一種特殊的脈沖輸出。因此，激光器必須能夠在不同的工作模式之間進(jìn)行快速切換。當(dāng)時(shí)，我們最初設(shè)計(jì)的Effective是我們目標(biāo)功率范圍內(nèi)唯一一臺(tái)提供這一關(guān)鍵功能的2至3 kW光纖激光器。此外，光纖激光器使用的控制軟件與已經(jīng)在其他產(chǎn)品中使用的CO2激光器相同，因此這縮短了開發(fā)時(shí)間?！?/p>
在STIEFELMAYER effective L中，最先進(jìn)的技術(shù)和獨(dú)特的工作臺(tái)系統(tǒng)結(jié)合在一起，形成了具有最高水平的精度、動(dòng)力學(xué)和生產(chǎn)率的機(jī)器。
在該公司的Effective切割機(jī)中，Coherent HighLight FL光纖激光器的高質(zhì)量輸出光束聚焦到工件上約60至65μm的光斑，約為該尺寸機(jī)器典型光斑直徑的一半。為了在許多切割應(yīng)用中產(chǎn)生所需的小特征尺寸，光斑大小是必要的。此外，特別是對(duì)于電鋼的切割，這種光束尺寸和功率的組合使熱影響區(qū)最小化。它還減少了熔化材料的數(shù)量(將光束直徑減少2倍，熔化材料的數(shù)量減少4倍)，這些熔化材料被氣體吹離基板，以產(chǎn)生無(wú)浮渣的邊緣。
結(jié)論
Bullling總結(jié)道， “激光切割市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手越來(lái)越多。高成本的機(jī)器通常強(qiáng)調(diào)激光功率。但是，例如，從6kW提高到12kW并不能顯著減少每件的切割時(shí)間。你可以通過更快的零件加載/卸載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更多。相反，低價(jià)格的激光機(jī)器沒有高精度的機(jī)械裝置；它們可能會(huì)指定機(jī)器的可重復(fù)性——雖然通常只在一個(gè)軸上——但不要解釋這如何轉(zhuǎn)化為成品零件的精度。為了能夠切割更厚的材料，討論將越來(lái)越激烈。厚料精度要求較低，薄料精度要求較高。這是對(duì)機(jī)器完全不同的要求。由于更好的機(jī)械結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的激光同步，我們通過提供精度、高總吞吐量和保證零件重復(fù)性的獨(dú)特組合來(lái)區(qū)分Efficient——我們規(guī)定，Effective可以在整個(gè)1.25 × 2.5 m的床上切割直徑為30 mm的孔，可重復(fù)性為±25μm。對(duì)于切割薄金屬，我們認(rèn)為這是未來(lái)的正確方向?！?/p>
來(lái)源：Photonics Views - 2019 - High Precision Laser Cutting of ElectricalSteel
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