激光下料給沖壓帶來的新機遇
|
激光下料給沖壓帶來的新機遇 激光下料概念已經成熟，可作為替代機械下料的柔性生產方式 作者：提姆.赫斯頓（Tim Heston） 翻譯：劉明星 2010 2010年9月16日 如果高速光纖激光取代傳統的機械式落料壓力機的話，就能為后續的成形工藝提供新的落料設計優化方案。
圖1：在一個激光落料生產線里，大功率光纖激光器取代了機械式落料壓力機。High Production Technology LLC公司供圖。 能夠設想在一個高速落料線廠房沒有高大的穹頂，但有足夠的起吊能力就能更換卷料嗎？這是可以的。在這種新式廠房里沒有機械式落料壓力機，也沒有笨重的基座，也沒有其他壓力機必需的輔助設備。 取而代之的是，高速激光器從喂料端就切割平板下料（見圖1）。在傳統工藝里，切下的板料堆積起來等待進入沖壓或其他后續工序。在新的下料方式里，如果需要做出下料調整，或者生產一種新的零部件，工程師只需要修改激光器的數控程序而已，非?？旖莘奖恪＿@樣就沒有必要去爭分奪秒地更換下料模具，因為根本就沒有模具了。 這個工藝，目前還是設想階段，但是它的意義深遠，不但改變了落料線的方式，也讓模具設計人員更多把注意力放在落料后的成形工序。 成形下料的困境 如何讓落料更加經濟節省，是成形模具設計考慮的一個重要因素。剪切依然是最便宜的一種下料方式，下料的形狀越接近簡單的矩形或者剪床其他能剪出的形狀，就越省錢。相比之下，下曲線形狀的料就不那么合算了，因為加工復雜輪廓的坯料的話，模具價格昂貴。 但是矩形的落料有棱角，額外增加成形模具的應力，導致變薄或者開裂。所以模具加工人員不得不用拉伸凸緣和其他元素固定料材，讓金屬緩慢的流入模腔。但是，激光落料就不用這么煞費苦心，因為激光不用太費勁就能切出各種合適的輪廓，最大可能使得沖壓工序變得容易。 一段短暫歷史 杰.芬（Jay Finn）是俄亥俄州拿破侖市自動進料公司（Automatic Feed Co. in Napoleon, Ohio）的子公司高產技術有限公司（High Production Technology LLC）的應用工程師，他和液化空氣工業公司休斯敦辦公室的國際同事查爾斯.卡里斯坦（Charles Caristan）一道研發激光落料技術，后者事實上已經為激光下料的新概念下了十年以上的苦功。 那時候，激光下料的理念是源于汽車行業的高度競爭的需求，同時也是為了突破既有技術的限制。二氧化碳激光在小批量的金屬板材切割領域占絕對地位，但是在大規模生產領域表現不佳。在很多年里，鑒于這樣那樣的借口，大多數的激光下料解決方案只能一年加工60,000件或者更少的落料，有人說，激光也只能切得這么快了。 在四年前，情況依舊如此。激光專家邁克爾.本本內克（MichaelBembenek）在2006的“工業激光解決方案”雜志（IndustrialLaser Solutions）中寫到：“在生產投資 計劃中，產量仍然是主要的考慮因素。速度和循環周期……仍然是決定性的因素。這大概是為什么板材生產商和使用商對于激光下料的反應是一樣的：’這個并不能幫我們省錢?！?/P> 時移勢易，感謝電信行業的進步，產量不再是激光落料爭論的焦點。他們研發出一種特殊的鍍層光纖，激光行業很快就發現這種新發明用于生產一種新的、功率更強的激光：光纖激光。 光纖引發變革 卡里斯坦說：“大部分的白車身厚度在3毫米以下，所以非常適合用光纖激光來切割?！彼叨染奂墓饩€特別適合快速切割薄板。光纖傳導激光是固態激光，易于維護和集成。電源和輔助設備只占用幾平方英尺的面積。這種激光器還有很好的擴展性。用光纖長距離傳導能量的時候，光纖直徑要足夠大以容納增加的能量，電源內的光纖模塊也能集束在一起增加功率。 芬說：“我們用5KW的光纖激光做過實驗，可以一分鐘切80米1毫米后的鋁板。我們也可以一分鐘切67米1毫米厚的鋼板。”排列幾個大功率的光纖激光同時連續切零部件，其生產效率和一太高速落了線相當。 新的10KW的光纖激光可能會有更加快速的表現。這就是所謂的多模技術，集成了多波模式產生適合實際應用的最佳光線。新出現的單模光纖更是引爆了更大的興趣，它能放射出聚焦更加集中的激光，用更少的能量切割得更快。 “將來一個3KW的單模激光的切割速度將會和現在一個5KW多模激光的切得一樣快。” 卡里斯坦解釋說。 高強鋼的挑戰 高強鋼的工業應用也強化了激光下料的優勢。高強鋼對下料模傷害很大，使它們過早地磨損。而機械下料的動作會給切下的高強鋼坯料造成細小的裂紋，導致其在后續的沖壓過程中破裂。 芬解釋說：“下料的時候，不管你用什么方式剪切或者沖裁，最后得到的板料切口附近總有一系列的細小裂紋，而在給高速鋼下料的時候，這些細紋會更加明顯?！?/P> 激光切割則用不著考慮管金屬堅硬與否，它主要和坯料的厚度和發射率（例如鋼和鋁的反射率就不同）等因素有關。實踐表明，光線激光可以毫不費力地切開高強鋼。 芬說：“激光才不在乎一塊金屬是1500，980或者560MPa，強度根本不是激光切割考慮的問題?！?/P> 曾經有段實踐，一些機構限制用激光切割板材，甚至用來制造樣品也不行，因為擔心激光在切割邊緣的熱影響區會給壓力成形帶來麻煩?？ɡ锼固够貞浾f，經過一些研究之后，行業很快發現恰恰激光切割的競爭對手??下料模具問題更嚴重：實際上，下料模在切邊產生的問題要比激光切割還多。隨著激光切割運動更加迅速，熱影響區的問題就沒什么人提了。自那之后，激光切割成為了制造樣品的下料方案之一。今天，人們希望激光切割能夠進入批量生產的現場。 芬說：“使用了大功率光纖激光之后，熱影響區從切口位置的深度已經很少超過0.2毫米了，隨著速度提升，這個影響將會越來越小?！?/P> 下料的輪廓控制 激光可以很容易在板料上切出適合成形輪廓。事實上，激光更喜歡曲線的輪廓，因為要切出一個角來，線性驅動器必需減緩切頭的速度，停頓片刻，然后再次啟動轉向另一個方向，或者繞過拐角，然后繞回來。而切一個曲線，激光頭不需要停止運動。（見圖2）
圖片翻譯：cuttingspeed 切割速度 Corner AngleProcessing 尖角加工 Corner Radius Processing 圓角加工 卡里斯坦說“在沖壓時，這些曲線形的坯料更有助于金屬的流動，而且會減少變薄的程度?！?/P>
圖片翻譯：Cornerangle尖角 punch 沖頭 die 模具 binder 壓邊 Cornerradius 圓角 Relieffeature 暈線
21％Max.Thinning（21%最大的變薄度） 圖4 這些是在俄亥俄州立大學作的模擬實驗。左邊的矩形板料在成形時更容易變?。?5%），而右邊曲線輪廓的板料變薄程度則是21%。圖由查爾斯.卡里斯坦提供。
圖4中的兩塊坯料重疊在一起，用來顯示最佳的材料利用率。板材B比板材A少用11.6的材料。 FormedPart（top View）：成形零件俯視圖 PartDepth（75mm）：零件深度－75mm BlankA（Simple blank shape） 簡單下料形狀 BlankB（Laser Cut Blank optimum Shape） ：激光下料的最優形狀
落料2：需要落料模具。 落料3：適合成形的優化曲線 落料4：最優的形狀，可以減少褶皺、翹曲，提供材料利用率
圖6 落料1可以用剪刀下料，加工費并不貴，但是這種形狀會產生大量的廢料。落料2需要下料模具，但是仍會產生很多的廢料。落料3也可以用下料模具加工，但是昂貴的價格可能讓應用不合算。激光可以輕松地切出落料3和落料4。落料4 可能會多耗一點激光加工時間，但是會在后續的因此消除的切削環節把時間賺回來。 在若干年前，卡里斯坦和泰蘭.阿爾坦（Taylan Altan）博士和舍哈特.卡亞（Serhat Kaya）一起在俄亥俄州（見圖3、圖4、圖5）開始這個方向的研究。正如卡里斯坦解釋的，這項研究表明，激光下料有助于把模具設計人員從下料模的束縛中解放出來。不久之后，坯料不必一定再切成梯形或者其他簡單的尖角形狀?，F在，坯料的形狀輪廓可以更加自由地設計，讓沖壓更加容易。沖壓工解決沖壓問題的時候，所用的手段就不僅僅是重新設計尺寸，微調整角度，用拉伸凸緣進行補償，或者其他的一些模具的技巧，而且可以重新設計非常復雜的輪廓。不需要拉伸凸緣的話，也意味著小噸位的壓力機也能加工零件。 激光落料線噴薄欲出 有消息說，第一條激光落料線有可能在未來幾年內出現。芬預言將來有一天，快速激光柔性落料系統將應用于生產，同時為多條沖壓生產線進料。他說：“你將看到一條激光生產線同時為四到五條沖壓線供料?！彼a充說，這樣的柔性能力將集成到將來的沖壓線中。大規模的個性化定制時代已經到了。 |
圖4
