使用一臺新的加工設備是否能夠改變一家已經(jīng)擁有50年歷史的公司的產(chǎn)品及組件的方法呢？如果這臺設備能夠縮短90%以上的加工時間，對氮氣的使用只相當于原來的一小部分成本的空氣輔助氣體進行切割的光纖激光系統(tǒng)呢？那么答案將是顯而易見的。“新的光纖激光切割機改變了游戲的規(guī)則，”道爾設備制造公司Doyle Equipment Manufacturing（Doyle; Quincy, IL）的生產(chǎn)經(jīng)理Stuart Rumple先生說。“這是我們公司的一個技術飛躍，并且是我們?yōu)榱颂岣呱a(chǎn)效率而做出的重大技術革新。它改變了我們對于產(chǎn)品制造的思維方式。”
道爾公司（Doyle）使用辛辛那提公司（Cincinnati Inc.）制造的CL-940光纖激光切割機替換了他們原有的兩臺舊的1500W和3000W CO2激光切割機，這一改變馬上就將生產(chǎn)的干散貨物料處理設備組件的處理加工時間從64小時縮短到4小時。這種光纖激光切割機不僅降低了運營的成本，同時還幫助該公司在保持使用現(xiàn)有制造技術的基礎上提高了生產(chǎn)效率。“我們從使用空氣輔助光纖激光切割機中得到的結果使得我們公司對于使用新的創(chuàng)意、設備和技術的態(tài)度更加開放。”Rumple先生說。“現(xiàn)在，我們把關注的重點放在了如何才能選擇合適的材料以及合適的設備來得到最有效的結果。”（見圖1）
道爾公司（Doyle）的工廠位于密蘇里州的巴爾米拉（Palmyra），這個是第四代家族企業(yè)了，專門生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的用于干肥料混合、輸送、維護和處理的設備。該公司由梅爾 • 道爾先生（Merle Doyle）創(chuàng)立，他是一位肥料處理設備行業(yè)創(chuàng)新的領袖人物，并且自1961年引入第一臺旋轉(zhuǎn)式攪拌機開始，道爾公司（Doyle）已經(jīng)成為了生產(chǎn)干肥料批量混合機的主要制造商。
現(xiàn)在，道爾公司（Doyle）的150多名員工正努力為干化肥行業(yè)全球的客戶制造干散貨物處理設備，并且它的垂直綜合產(chǎn)品線還包括輸送、混合、維護和處理設備。該公司能夠生產(chǎn)超過11,000種組件，每年的產(chǎn)量達到10,000件。超過90%該公司生產(chǎn)的組件——主要是不銹鋼——都是通過激光加工進行制造的，因此高效的激光切割是降低成本效益的一個關鍵因素。
更高的產(chǎn)量
用激光來對不銹鋼進行切割，大多采用高壓氮氣與激光束同軸注入的方法以吹走熔融的金屬而使得切割表面不會形成任何的氧化物。這是一個很好的方法，但是與傳統(tǒng)的氧氣切割相比成本更高。能夠替代純氮的一個方法是使用過濾后的車間壓縮空氣，它由78%的氮氣組成。在激光切割中使用過濾后的壓縮空氣比使用氧氣或氮氣的速度更快——一般為300ipm到320ipm，并且盡管需要對一些設備、過濾、壓縮空氣進行一定的初始投資，但是其長期的成本相對于“傳統(tǒng)”的輔助氣體成本來講還是較低的。激光能源現(xiàn)在正處于一個焦點的位置，并且使用壓縮空氣能夠在金屬的表面產(chǎn)生等離子體球，其效果類似于使用電力的數(shù)控等離子切割機所產(chǎn)生的切割效果。等離子體傳輸熱量的效果比光線更有效。
壓縮空氣輔助切割同時也能達到與使用氧或氮氣進行組件切割相同的邊緣質(zhì)量。切割的邊緣需要足夠地清潔才能使得大多數(shù)的粉末涂料能附著上去，不需要再進行二次清洗。在第一次選擇使用壓縮空氣進行輔助激光切割時，諧振器的大小是一個重大的限制。然而現(xiàn)在高瓦數(shù)激光切割機——一般為4000W以上——使得空氣輔助成為了切割鋼材、不銹鋼和厚度高達1/8英寸鋁材的有效方法。具有6000W諧振腔的激光切割機甚至可以切割厚度最高達到3/8英寸的材料。
Rumple先生和道爾公司（Doyle）的團隊意識到將空氣輔助切割應用在光纖激光器上的可能性，并且將其直接應用在了辛辛那提公司（Cincinnati Inc.）的測試實驗上。“我們認為這是可行的，但不知道應該使用哪種材料以及材料所能達到的厚度。” Rumple先生說。“我們還認為低壓的車間壓縮空氣將會是一個限制的因素，因此我們決定使用正常的空氣進行切割測試，看看是否能夠奏效。”為了使用現(xiàn)有的100 psi的車間空氣，該公司通過在高壓接收器、過濾器和冷凍干燥機上添加一個高壓增壓機（最大能達到450 psi）以及過濾器，最終得到350 psi符合清潔標準的干燥空氣用于激光切割（見圖2）。
“我們花了五個小時來測試所有的組件和材料，并且對結果非常滿意，” Rumple先生說。“我們所擔心的問題是組件切割后的焊接質(zhì)量。我們需要一個干凈、清潔的邊緣來進行焊接,并且這些處理在使用空氣輔助的光纖激光切割機上達到了完美的效果。”道爾公司（Doyle）現(xiàn)在已經(jīng)開始使用高壓空氣輔助的方法切割他們四分之一英寸厚的304不銹鋼來制造18級規(guī)格的產(chǎn)品，以及使用規(guī)格為10的低碳鋼來制造14級規(guī)格的產(chǎn)品。只有在切割1/4英寸厚的低碳鋼時，光纖激光切割機還是會使用少量的氧氣來進行操作。“我們95%的光纖激光切割都是使用車間空氣來對不銹鋼進行切割”，他補充道。
除了能夠獲得更高的產(chǎn)量，新的光纖激光切割系統(tǒng)也由于空氣相比于氮氣成本更低，也能節(jié)省很大一部分的成本。Rumple先生說，氮氣系統(tǒng)需要大功率的50HP壓縮機來生成必要的壓力，用了空氣輔助后，現(xiàn)在只需要使用15HP的壓縮機就能達到同樣的效果（圖3）。“我們現(xiàn)在運行光纖激光切割機的成本每小時還不到4美元，使用空氣作為輔助氣體相比氮氣約便宜了90%，”Rumple先生說，“并且辛辛那提公司（Cincinnati Inc.）在激光鏡頭的上方和下方添加了一個蓋子，延長了鏡頭的使用壽命。鏡頭的更換成本通常是光纖激光設備中的第二大成本，現(xiàn)在這也不再是一個問題了。”
始于一臺折彎機
光纖激光系統(tǒng)并非道爾公司（Doyle）與辛辛那提公司（Cincinnati Inc.）共同研發(fā)的第一臺設備。該公司與辛辛那提公司（Cincinnati Inc.）的“伙伴關系”始于90年代后期，從他們購買了一臺能將半英寸厚的低碳不銹鋼彎曲成型的230噸折彎機開始。從那時起，道爾公司（Doyle）在他們位于昆西（Quincy）的工廠分別添置了一臺辛辛那提生產(chǎn)的135噸和90噸的折彎機，并也在巴爾米拉（Palmyra）的工廠也添置了一臺135噸的折彎機。2011年末，這家工廠還引入了一臺5000W的辛辛那提CO2激光切割機以此來提高吞吐量和縮短交貨期。
“該工廠通過切割一英寸厚的低碳鋼以及四分之一英寸厚的304不銹鋼來制造我們所有14級規(guī)格的產(chǎn)品，” Rumple先生說。“我們和辛辛那提公司（Cincinnati Inc.）合作得很愉快，并且是合作伙伴關系。
我們提出了很多希望能在他們設備上能夠?qū)崿F(xiàn)的要求，他們會進行反饋，并會去實現(xiàn)它。操作人員通過簡單學習，便能掌握如何操作這些折彎機。使用CO2激光器具有很大的靈活性，因為它也可以切割木材和ABS材料。（見圖4）
道爾公司（Doyle）也使用辛辛那提公司（Cincinnati Inc.）的軟件模塊來提高激光和折彎機的性能。“我們希望能夠在設備上進行組件的簡單切割，這些軟件能夠幫助我們做到這一點，”Rumple先生說：“我們通常在研發(fā)組件/產(chǎn)品時使用彎曲模擬器，它能讓操作過程變得簡便。”
使用空氣輔助激光切割機的成功促使道爾公司（Doyle）又訂購了第二臺光纖激光切割系統(tǒng)，并于2015年7月交付使用。這臺設備安裝在該公司位于巴爾米拉（Palmyra）新的195,000平方英尺的工廠中。
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