激光下料给冲压带来的新机遇
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激光下料给冲压带来的新机遇 激光下料概念已经成熟，可作为替代机械下料的柔性生产方式 作者：提姆.赫斯顿（Tim Heston） 翻译：刘明星 2010 2010年9月16日 如果高速光纤激光取代传统的机械式落料压力机的话，就能为后续的成形工艺提供新的落料设计优化方案。
图1：在一个激光落料生产线里，大功率光纤激光器取代了机械式落料压力机。High Production Technology LLC公司供图。 能够设想在一个高速落料线厂房没有高大的穹顶，但有足够的起吊能力就能更换卷料吗？这是可以的。在这种新式厂房里没有机械式落料压力机，也没有笨重的基座，也没有其他压力机必需的辅助设备。 取而代之的是，高速激光器从喂料端就切割平板下料（见图1）。在传统工艺里，切下的板料堆积起来等待进入冲压或其他后续工序。在新的下料方式里，如果需要做出下料调整，或者生产一种新的零部件，工程师只需要修改激光器的数控程序而已，非常快捷方便。这样就没有必要去争分夺秒地更换下料模具，因为根本就没有模具了。 这个工艺，目前还是设想阶段，但是它的意义深远，不但改变了落料线的方式，也让模具设计人员更多把注意力放在落料后的成形工序。 成形下料的困境 如何让落料更加经济节省，是成形模具设计考虑的一个重要因素。剪切依然是最便宜的一种下料方式，下料的形状越接近简单的矩形或者剪床其他能剪出的形状，就越省钱。相比之下，下曲线形状的料就不那么合算了，因为加工复杂轮廓的坯料的话，模具价格昂贵。 但是矩形的落料有棱角，额外增加成形模具的应力，导致变薄或者开裂。所以模具加工人员不得不用拉伸凸缘和其他元素固定料材，让金属缓慢的流入模腔。但是，激光落料就不用这么煞费苦心，因为激光不用太费劲就能切出各种合适的轮廓，最大可能使得冲压工序变得容易。 一段短暂历史 杰.芬（Jay Finn）是俄亥俄州拿破仑市自动进料公司（Automatic Feed Co. in Napoleon, Ohio）的子公司高产技术有限公司（High Production Technology LLC）的应用工程师，他和液化空气工业公司休斯敦办公室的国际同事查尔斯.卡里斯坦（Charles Caristan）一道研发激光落料技术，后者事实上已经为激光下料的新概念下了十年以上的苦功。 那时候，激光下料的理念是源于汽车行业的高度竞争的需求，同时也是为了突破既有技术的限制。二氧化碳激光在小批量的金属板材切割领域占绝对地位，但是在大规模生产领域表现不佳。在很多年里，鉴于这样那样的借口，大多数的激光下料解决方案只能一年加工60,000件或者更少的落料，有人说，激光也只能切得这么快了。 在四年前，情况依旧如此。激光专家迈克尔.本本内克（MichaelBembenek）在2006的“工业激光解决方案”杂志（IndustrialLaser Solutions）中写到：“在生产投资 计划中，产量仍然是主要的考虑因素。速度和循环周期……仍然是决定性的因素。这大概是为什么板材生产商和使用商对于激光下料的反应是一样的：’这个并不能帮我们省钱。’” 时移势易，感谢电信行业的进步，产量不再是激光落料争论的焦点。他们研发出一种特殊的镀层光纤，激光行业很快就发现这种新发明用于生产一种新的、功率更强的激光：光纤激光。 光纤引发变革 卡里斯坦说：“大部分的白车身厚度在3毫米以下，所以非常适合用光纤激光来切割。”它高度聚集的光线特别适合快速切割薄板。光纤传导激光是固态激光，易于维护和集成。电源和辅助设备只占用几平方英尺的面积。这种激光器还有很好的扩展性。用光纤长距离传导能量的时候，光纤直径要足够大以容纳增加的能量，电源内的光纤模块也能集束在一起增加功率。 芬说：“我们用5KW的光纤激光做过实验，可以一分钟切80米1毫米后的铝板。我们也可以一分钟切67米1毫米厚的钢板。”排列几个大功率的光纤激光同时连续切零部件，其生产效率和一太高速落了线相当。 新的10KW的光纤激光可能会有更加快速的表现。这就是所谓的多模技术，集成了多波模式产生适合实际应用的最佳光线。新出现的单模光纤更是引爆了更大的兴趣，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。 “将来一个3KW的单模激光的切割速度将会和现在一个5KW多模激光的切得一样快。” 卡里斯坦解释说。 高强钢的挑战 高强钢的工业应用也强化了激光下料的优势。高强钢对下料模伤害很大，使它们过早地磨损。而机械下料的动作会给切下的高强钢坯料造成细小的裂纹，导致其在后续的冲压过程中破裂。 芬解释说：“下料的时候，不管你用什么方式剪切或者冲裁，最后得到的板料切口附近总有一系列的细小裂纹，而在给高速钢下料的时候，这些细纹会更加明显。” 激光切割则用不着考虑管金属坚硬与否，它主要和坯料的厚度和发射率（例如钢和铝的反射率就不同）等因素有关。实践表明，光线激光可以毫不费力地切开高强钢。 芬说：“激光才不在乎一块金属是1500，980或者560MPa，强度根本不是激光切割考虑的问题。” 曾经有段实践，一些机构限制用激光切割板材，甚至用来制造样品也不行，因为担心激光在切割边缘的热影响区会给压力成形带来麻烦。卡里斯坦回忆说，经过一些研究之后，行业很快发现恰恰激光切割的竞争对手??下料模具问题更严重：实际上，下料模在切边产生的问题要比激光切割还多。随着激光切割运动更加迅速，热影响区的问题就没什么人提了。自那之后，激光切割成为了制造样品的下料方案之一。今天，人们希望激光切割能够进入批量生产的现场。 芬说：“使用了大功率光纤激光之后，热影响区从切口位置的深度已经很少超过0.2毫米了，随着速度提升，这个影响将会越来越小。” 下料的轮廓控制 激光可以很容易在板料上切出适合成形轮廓。事实上，激光更喜欢曲线的轮廓，因为要切出一个角来，线性驱动器必需减缓切头的速度，停顿片刻，然后再次启动转向另一个方向，或者绕过拐角，然后绕回来。而切一个曲线，激光头不需要停止运动。（见图2）
图片翻译：cuttingspeed 切割速度 Corner AngleProcessing 尖角加工 Corner Radius Processing 圆角加工 卡里斯坦说“在冲压时，这些曲线形的坯料更有助于金属的流动，而且会减少变薄的程度。”
图片翻译：Cornerangle尖角 punch 冲头 die 模具 binder 压边 Cornerradius 圆角 Relieffeature 晕线
21％Max.Thinning（21%最大的变薄度） 图4 这些是在俄亥俄州立大学作的模拟实验。左边的矩形板料在成形时更容易变薄（35%），而右边曲线轮廓的板料变薄程度则是21%。图由查尔斯.卡里斯坦提供。
图4中的两块坯料重叠在一起，用来显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）：成形零件俯视图 PartDepth（75mm）：零件深度－75mm BlankA（Simple blank shape） 简单下料形状 BlankB（Laser Cut Blank optimum Shape） ：激光下料的最优形状
落料2：需要落料模具。 落料3：适合成形的优化曲线 落料4：最优的形状，可以减少褶皱、翘曲，提供材料利用率
图6 落料1可以用剪刀下料，加工费并不贵，但是这种形状会产生大量的废料。落料2需要下料模具，但是仍会产生很多的废料。落料3也可以用下料模具加工，但是昂贵的价格可能让应用不合算。激光可以轻松地切出落料3和落料4。落料4 可能会多耗一点激光加工时间，但是会在后续的因此消除的切削环节把时间赚回来。 在若干年前，卡里斯坦和泰兰.阿尔坦（Taylan Altan）博士和舍哈特.卡亚（Serhat Kaya）一起在俄亥俄州（见图3、图4、图5）开始这个方向的研究。正如卡里斯坦解释的，这项研究表明，激光下料有助于把模具设计人员从下料模的束缚中解放出来。不久之后，坯料不必一定再切成梯形或者其他简单的尖角形状。现在，坯料的形状轮廓可以更加自由地设计，让冲压更加容易。冲压工解决冲压问题的时候，所用的手段就不仅仅是重新设计尺寸，微调整角度，用拉伸凸缘进行补偿，或者其他的一些模具的技巧，而且可以重新设计非常复杂的轮廓。不需要拉伸凸缘的话，也意味着小吨位的压力机也能加工零件。 激光落料线喷薄欲出 有消息说，第一条激光落料线有可能在未来几年内出现。芬预言将来有一天，快速激光柔性落料系统将应用于生产，同时为多条冲压生产线进料。他说：“你将看到一条激光生产线同时为四到五条冲压线供料。”他补充说，这样的柔性能力将集成到将来的冲压线中。大规模的个性化定制时代已经到了。 |
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