熱成形件激光切割毛刺問題解析

現(xiàn)如今汽車車身零件越來越多的使用熱成形件，熱成形件的生產(chǎn)要經(jīng)過模具成形的各個(gè)階段，需要修整模具，以將金屬成形為零件。因?yàn)闊岢尚瘟慵苡?，幾乎不可能在模具中進(jìn)行修整，并且需要進(jìn)行機(jī)械加工才能形成正確的形狀，不僅增加了生產(chǎn)成本，還降低了生產(chǎn)效率。由于激光束對(duì)工件不施加任何力，無(wú)接觸切割工具，這就意味著工件無(wú)機(jī)械變形、無(wú)刀具磨損，也談不上刀具的替換問題、切割材料無(wú)需考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料硬度影響，任何硬度的材料都可切割。目前，針對(duì)高強(qiáng)鋼熱成形件的切孔、修邊最有效的加工手段仍然是激光切割。

在激光切割過程中，針對(duì)復(fù)雜曲面的切割，不可避免地會(huì)出現(xiàn)切割毛刺問題，零件的切割毛刺對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量有較大的影響。本次研究的主要目的是分析切割毛刺產(chǎn)生的原因和提出可行的解決方案，旨在保證零件的質(zhì)量和安全性能。

經(jīng)過大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和分析，我們總結(jié)了以下幾點(diǎn)。

1 切割拐角高度與焦點(diǎn)影響

焦點(diǎn)位置是激光焦點(diǎn)到工件表面的距離，它直接影響到切面粗糙度、切縫的坡度和寬度以及熔融殘?jiān)母街鵂顩r。如果焦點(diǎn)位置太超前，這樣會(huì)使被切割的工件下端所吸收的熱量增多，在切割速度和輔助氣壓一定的情況下，會(huì)導(dǎo)致被切割的材料和切縫附近被熔化的材料呈液態(tài)在下表面流動(dòng)，冷卻后被熔化的材料則會(huì)呈球狀粘附在工件的下表面；若位置滯后，被切割的材料下端面所能吸收的熱量減小，這樣切縫中材料就不能完全熔化，在板材下表面就會(huì)粘附一些尖銳的殘?jiān)ＭǔＧ闆r下，焦點(diǎn)位置應(yīng)在工件表面或稍微偏下一點(diǎn)，但不同的材料要求不一樣，切割碳鋼時(shí)，焦點(diǎn)在板材表面時(shí)切割質(zhì)量較好;而不銹鋼切割時(shí)，焦點(diǎn)應(yīng)在板材厚度的1/2左右時(shí)效果更佳。

經(jīng)過測(cè)試，在功率、速度參數(shù)相同的情況下，改變高度和焦點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)會(huì)影響拐角毛刺大小。但實(shí)際三維工件切割過程中，我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在設(shè)備一般均為自動(dòng)調(diào)焦、采用電容式高度傳感器，在生產(chǎn)過程中焦點(diǎn)和高度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以基本排除其對(duì)切割毛刺的影響。

2 切割噴嘴及切割氣壓氣流方面的影響

普通噴嘴，如果噴出的氣流壓力 Pn和周圍環(huán)境的壓力Pa之比Pn/Pa＞⒈89(對(duì)于雙原子分子而言)時(shí)，那么噴嘴噴出的氣流就是未充分膨脹的超音速氣流，且氣流中產(chǎn)生激波。氣流突然膨脹形成激波，激波可分為正激波(MSD)和斜激波(Oblique Shock),流場(chǎng)中存在正激波時(shí)對(duì)切割工藝的影響更大。

激光切割過程中，激光束要穿過噴嘴產(chǎn)生的氣體流場(chǎng)。眾所周知激光的折射率和氣流的密度有關(guān)，在流場(chǎng)中產(chǎn)生激波時(shí)，在激波處氣流的密度會(huì)發(fā)生突變，這樣激光的折射率就會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致焦點(diǎn)位置發(fā)生變化。焦點(diǎn)位置發(fā)生變化，那么切割速度和切縫寬度均會(huì)受到很大影響。

選用超音速噴嘴的特殊結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑤o助氣體的壓力幾乎全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)力學(xué)能，吹除熔渣，實(shí)現(xiàn)較為完美的激光切割面。切割參數(shù)不變的情況下，更改切割噴嘴類型可以改善切割毛刺。

3 數(shù)模與實(shí)際工件偏差影響

熱成形零件的生產(chǎn)過程由以下三步來完成。

⑴落料片的生產(chǎn)。落料片是在開卷落料線上生產(chǎn)出來特定輪廓的料片，然后將其運(yùn)送至熱成形線，由機(jī)器人通過真空吸盤將落料片送至打碼機(jī)打碼之后，放至輸送線上傳送至加熱爐。

⑵金相組織奧氏體化。初始硼鋼的金相組織是鐵素體和珠光體。先加溫至930～950℃再保溫，使得板料內(nèi)部組織完全奧氏體化，奧氏體組織的塑性非常好，強(qiáng)度低，非常適合沖壓加工。

⑶熱沖壓加工。從加熱爐出來的板料會(huì)迅速被機(jī)械手夾鉗送至熱成形模具型腔進(jìn)行沖壓加工，熱成形模具相比冷沖壓模具關(guān)鍵區(qū)別在于多了水路冷卻系統(tǒng)，保壓冷卻的過程中(淬火)，板料的金相組織會(huì)完全變?yōu)轳R氏體組織。馬氏體組織的強(qiáng)度、硬度非常高，熱成形件的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1500MPa，零件表面硬度可達(dá)到52HRC。

零件實(shí)際生產(chǎn)過程中，受熱壓回彈、投料等因素影響，工件存在不同的狀態(tài)，數(shù)模編程與實(shí)際工件存在一定誤差，是導(dǎo)致拐角(圖8)質(zhì)量較差和燒傷的原因。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)測(cè)試，相同切割參數(shù)，同一批次零件多次測(cè)量，發(fā)現(xiàn)對(duì)毛刺影響較小。

4 工件夾具定位之間產(chǎn)生的影響

工件加工中定位常出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象有兩種：“欠定位”和“過定位”。工件實(shí)際定位所限制的自由度個(gè)數(shù)，少于按該工序加工要求必須限制的自由度數(shù)目稱為欠定位。欠定位出現(xiàn)，將無(wú)法保證加工要求。工件定位時(shí)，如果出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的定位支撐點(diǎn)重復(fù)限制工件上的同一自由度則稱為過定位。過定位會(huì)導(dǎo)致重復(fù)限制同一個(gè)自由度的定位支撐點(diǎn)之間產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，從而導(dǎo)致定位不穩(wěn)定，破壞定位精度，造成工件或定位元件受力變形，甚至出現(xiàn)部分工件無(wú)法安裝的情況。

工件與夾具之間定位，極大影響切割零件的精度，在切割過程中較高壓力的切割氣體參與切割，吹動(dòng)工件，可能是導(dǎo)致拐角毛刺產(chǎn)生的原因之一。

相同切割參數(shù)，同一批次零件多次測(cè)量，增加壓鉗及靠面，可提高生產(chǎn)尺寸穩(wěn)定性，但對(duì)改善毛刺影響較小。

5 切割功率和拐角速度影響

激光功率的大小對(duì)切割速度、切縫寬度、切割厚度和切割質(zhì)量都有相當(dāng)大的影響。所需功率的大小是根據(jù)材料的特性和切割機(jī)理而定的。比如導(dǎo)熱性能好和熔點(diǎn)高以及切割表面反射率高的材料需要較大的激光功率。一般在其他條件一定的情況下，激光切割加工中有一個(gè)獲得最佳切割質(zhì)量的激光功率，進(jìn)一步降低或提高功率就會(huì)產(chǎn)生掛渣或過燒現(xiàn)象而導(dǎo)致加工質(zhì)量下降。

經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在速度相同的情況下，改變拐角速度，會(huì)影響拐角毛刺大小。

激光切割加工中，切割速度對(duì)切割材料的質(zhì)量有相當(dāng)大的影響，理想中的切割速度會(huì)使切割面呈現(xiàn)比較平穩(wěn)的線條，且材料下部不會(huì)出現(xiàn)熔渣。當(dāng)輔助氣體氣壓和激光功率一定時(shí)，切割速度與切縫寬度呈現(xiàn)出一種非線性的反比關(guān)系，當(dāng)切割速度比較慢時(shí)，激光能量在切縫的作用時(shí)間延長(zhǎng)，從而導(dǎo)致切縫寬度增大，當(dāng)速度過慢時(shí)，激光束作用時(shí)間太長(zhǎng)，工件的上切縫和下切縫相差就會(huì)很大，切割的質(zhì)量下降，生產(chǎn)效率也將大大降低。隨著切割速度的升高，激光束能量在工件上的作用時(shí)間變短，這樣便使得熱擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)效應(yīng)變小，從而切縫的寬度也相應(yīng)變小。當(dāng)速度過快時(shí)，被切割的工件就會(huì)由于切割熱量輸入的不足出現(xiàn)切不透的情況，這種現(xiàn)象屬于不完全切割，并且熔化的材料不能及時(shí)被吹掉，這些熔融物將會(huì)使切縫重新焊接。

經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在功率相同的情況下，改變速度，會(huì)影響拐角毛刺大小。

綜上我們發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際生產(chǎn)中，功率和速度等參數(shù)變化對(duì)毛刺影響較大。同一個(gè)零件采取多種不同切割數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)用不同切割參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)拐角毛刺和燒傷的優(yōu)化。三維零件轉(zhuǎn)角毛刺，能夠做到專用的參數(shù)來減小毛刺，同樣的毛刺減小后，切割速度功率降低，切割效率會(huì)大幅度地降低，該方法編程更加繁瑣，同時(shí)對(duì)操作人員工藝水平要求較高。

切割三維工件時(shí)并不一直是直線切割，在切割過程中會(huì)有大量的拐角、凸起或變向，機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行速度是在不斷變化的。為此，我們采集了實(shí)時(shí)路徑速度、激光器功率、頻率、占空比等參數(shù)數(shù)據(jù)，根據(jù)其變化匹配出的最佳切割參數(shù)，找其相對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)輸出變量將時(shí)刻變化的參數(shù)揉到機(jī)床的運(yùn)動(dòng)中，實(shí)現(xiàn)效率不減，切割質(zhì)量上升，或者效率略降，切割質(zhì)量提升。將該公式寫入系統(tǒng)程序中，通過人機(jī)交互界面直接激活功能即可使用。

激光功率和進(jìn)給路徑速度組成一個(gè)函數(shù)：使用FCTDEF可以定義三階多項(xiàng)式，形式為y=f(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3；直線段多項(xiàng)式舉例：上限為1000、下限為-1000、縱坐標(biāo)線段為a0=$AA_IM[x]且斜率為1的多項(xiàng)式定義：FCTDEF(1,-1000,1000,$AA_IM[x],1)。

根據(jù)此多項(xiàng)式，在激光切割中，運(yùn)用直線段表達(dá)式控制激光器功率輸出，以軌跡速度為依據(jù)來控制激光功率模擬量輸出。

以3000W激光器為例，激光器最大功率3000W，因此功率輸出上限值為3000，在穿孔或者速度為0時(shí)，激光器輸出功率依舊能切割材料，設(shè)定此時(shí)輸出功率300W，即輸出功率下限值，設(shè)定機(jī)床加工速度X，實(shí)際加工路徑速度X1，那么：a0=(300-0)×1=300，a1=(3000-300)/(X-0)=2700/X，a2=a3=0(此 圖 無(wú) 二次項(xiàng)和三次項(xiàng))，所以Y=300+(2700/X)×X1，可簡(jiǎn)化成Y=a0+a1×X。

此時(shí)，激光器輸出功率隨著加工路徑速度不同而改變。利用跟蹤功能，可見激光器輸出功率在未開啟修調(diào)時(shí)，按固定值輸出，開啟修調(diào)后，激光器輸出功率是隨著實(shí)際路徑速度自動(dòng)調(diào)整的。

激活坡調(diào)功能后，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集可以看出激光器實(shí)際輸出功率、頻率、占空比均可以跟隨路徑速度實(shí)時(shí)變化，三種坡調(diào)功能可根據(jù)實(shí)際需求分別開啟，對(duì)比工件實(shí)際切割效果，切割毛刺改善明顯。

經(jīng)過以上5點(diǎn)分析和措施大幅度地減小了轉(zhuǎn)角毛刺，毛刺減少80%以上，同時(shí)還可解決切割零件燒傷的問題，另外，簡(jiǎn)化了零件調(diào)試過程，提高零件調(diào)試效率達(dá)30%。

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