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沖壓新挑戰(zhàn):自動(dòng)激光下料來(lái)襲
自動(dòng)激光下料技術(shù)來(lái)襲,挑戰(zhàn)傳統(tǒng)沖壓的“底線”。傳統(tǒng)的下料方式,無(wú)論你用什么方式剪切或者沖裁都會(huì)對(duì)板料的切口或者表面造成損傷或者細(xì)小的裂紋,如果是高度鋼下料損傷或著裂紋將會(huì)更明顯。而激光技術(shù)是一種無(wú)接觸的剪裁技術(shù),不會(huì)造成板料產(chǎn)生裂紋。能夠設(shè)想在一個(gè)高速落料線廠房沒(méi)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(méi)有機(jī)械式落料壓力機(jī),也沒(méi)有笨重的基座,也沒(méi)有其他壓力機(jī)必需的輔助設(shè)備。
取而代之的是,高速激光器從喂料端就切割平板下料(見(jiàn)圖1)。在傳統(tǒng)工藝?yán)?,切下的板料堆積起來(lái)等待進(jìn)入沖壓或其他后續(xù)工序。在新的下料方式里,如 果需要做出下料調(diào)整,或者生產(chǎn)一種新的零部件,工程師只需要修改激光器的數(shù)控程序而已,非常快捷方便。這樣就沒(méi)有必要去爭(zhēng)分奪秒地更換下料模具,因?yàn)楦?就沒(méi)有模具了。
這個(gè)工藝,目前還是設(shè)想階段,但是它的意義深遠(yuǎn),不但改變了落料線的方式,也讓模具設(shè)計(jì)人員更多把注意力放在落料后的成形工序。
如何讓落料更加經(jīng)濟(jì)節(jié)省,是成形模具設(shè)計(jì)考慮的一個(gè)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(jiǎn)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?yàn)榧庸?fù)雜輪廓的坯料的話,模具價(jià)格昂貴。
但是矩形的落料有棱角,額外增加成形模具的應(yīng)力,導(dǎo)致變薄或者開(kāi)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(fèi)苦心,因?yàn)榧す獠挥锰M(fèi)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。
杰.芬(Jay Finn)是俄亥俄州拿破侖市自動(dòng)進(jìn)料公司(Automatic Feed Co. in Napoleon, Ohio)的子公司高產(chǎn)技術(shù)有限公司(High Production Technology LLC)的應(yīng)用工程師,他和液化空氣工業(yè)公司休斯敦辦公室的國(guó)際同事查爾斯.卡里斯坦(Charles Caristan)一道研發(fā)激光落料技術(shù),后者事實(shí)上已經(jīng)為激光下料的新概念下了十年以上的苦功。
那時(shí)候,激光下料的理念是源于汽車行業(yè)的高度競(jìng)爭(zhēng)的需求,同時(shí)也是為了突破既有技術(shù)的限制。二氧化碳激光在小批量的金屬板材切割領(lǐng)域占絕對(duì)地位,但 是在大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域表現(xiàn)不佳。在很多年里,鑒于這樣那樣的借口,大多數(shù)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(shuō),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(nèi)克(MichaelBembenek)在2006的“工業(yè)激光解決方案”雜志 (IndustrialLaser Solutions)中寫到:“在生產(chǎn)投資 計(jì)劃中,產(chǎn)量仍然是主要的考慮因素。速度和循環(huán)周期……仍然是決定性的因素。這大概是為什么板材生產(chǎn)商和使用商對(duì)于激光下料的反應(yīng)是一樣的:’這個(gè)并不能 幫我們省錢。’”
時(shí)移勢(shì)易,感謝電信行業(yè)的進(jìn)步,產(chǎn)量不再是激光落料爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。他們研發(fā)出一種特殊的鍍層光纖,激光行業(yè)很快就發(fā)現(xiàn)這種新發(fā)明用于生產(chǎn)一種新的、功率更強(qiáng)的激光:光纖激光。
卡里斯坦說(shuō):“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(lái)切割。”它高度聚集的光線特別適合快速切割薄板。光纖傳導(dǎo)激光是固態(tài)激 光,易于維護(hù)和集成。電源和輔助設(shè)備只占用幾平方英尺的面積。這種激光器還有很好的擴(kuò)展性。用光纖長(zhǎng)距離傳導(dǎo)能量的時(shí)候,光纖直徑要足夠大以容納增加的能 量,電源內(nèi)的光纖模塊也能集束在一起增加功率。
芬說(shuō):“我們用5KW的光纖激光做過(guò)實(shí)驗(yàn),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(gè)大功率的光纖激光同時(shí)連續(xù)切零部件,其生產(chǎn)效率和一太高速落了線相當(dāng)。
新的10KW的光纖激光可能會(huì)有更加快速的表現(xiàn)。這就是所謂的多模技術(shù),集成了多波模式產(chǎn)生適合實(shí)際應(yīng)用的最佳光線。新出現(xiàn)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(lái)一個(gè)3KW的單模激光的切割速度將會(huì)和現(xiàn)在一個(gè)5KW多模激光的切得一樣快。” 卡里斯坦解釋說(shuō)。
高強(qiáng)鋼的工業(yè)應(yīng)用也強(qiáng)化了激光下料的優(yōu)勢(shì)。高強(qiáng)鋼對(duì)下料模傷害很大,使它們過(guò)早地磨損。而機(jī)械下料的動(dòng)作會(huì)給切下的高強(qiáng)鋼坯料造成細(xì)小的裂紋,導(dǎo)致其在后續(xù)的沖壓過(guò)程中破裂。
芬解釋說(shuō):“下料的時(shí)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(xì)小裂紋,而在給高速鋼下料的時(shí)候,這些細(xì)紋會(huì)更加明顯。”
激光切割則用不著考慮管金屬堅(jiān)硬與否,它主要和坯料的厚度和發(fā)射率(例如鋼和鋁的反射率就不同)等因素有關(guān)。實(shí)踐表明,光線激光可以毫不費(fèi)力地切開(kāi)高強(qiáng)鋼。
芬說(shuō):“激光才不在乎一塊金屬是1500,980或者560MPa,強(qiáng)度根本不是激光切割考慮的問(wèn)題。”
曾經(jīng)有段實(shí)踐,一些機(jī)構(gòu)限制用激光切割板材,甚至用來(lái)制造樣品也不行,因?yàn)閾?dān)心激光在切割邊緣的熱影響區(qū)會(huì)給壓力成形帶來(lái)麻煩。卡里斯坦回憶說(shuō),經(jīng) 過(guò)一些研究之后,行業(yè)很快發(fā)現(xiàn)恰恰激光切割的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手――下料模具問(wèn)題更嚴(yán)重:實(shí)際上,下料模在切邊產(chǎn)生的問(wèn)題要比激光切割還多。隨著激光切割運(yùn)動(dòng)更加迅 速,熱影響區(qū)的問(wèn)題就沒(méi)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(jìn)入批量生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)。
芬說(shuō):“使用了大功率光纖激光之后,熱影響區(qū)從切口位置的深度已經(jīng)很少超過(guò)0.2毫米了,隨著速度提升,這個(gè)影響將會(huì)越來(lái)越小。”
激光可以很容易在板料上切出適合成形輪廓。事實(shí)上,激光更喜歡曲線的輪廓,因?yàn)橐谐鲆粋€(gè)角來(lái),線性驅(qū)動(dòng)器必需減緩切頭的速度,停頓片刻,然后再次啟動(dòng)轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向,或者繞過(guò)拐角,然后繞回來(lái)。而切一個(gè)曲線,激光頭不需要停止運(yùn)動(dòng)。(見(jiàn)圖2)
圖2:激光切割更喜歡曲線的形狀。加工一個(gè)拐角,激光頭要么停下來(lái)?yè)Q一個(gè)方向(左圖),要么繞一個(gè)圈再返回回來(lái)(右圖)。而加工一個(gè)曲線,激光頭的速度可以保持恒定。(圖由查爾斯.卡里斯坦提供)
卡里斯坦說(shuō)“在沖壓時(shí),這些曲線形的坯料更有助于金屬的流動(dòng),而且會(huì)減少變薄的程度。”
(圖3)這個(gè)圖顯示了三個(gè)潛在的落料形狀,它們重疊在一起:一個(gè)尖角(成形性最差),一個(gè)是圓角(成型性好一些),一個(gè)有暈線(成型性最好)查爾斯.卡里斯坦供圖。
圖片翻譯:Cornerangle尖角 punch 沖頭 die 模具 binder 壓邊
Cornerradius 圓角
Relieffeature 暈線
35% Max.Thinning(35%最大的變薄度)
21%Max.Thinning(21%最大的變薄度)
圖4 這些是在俄亥俄州立大學(xué)作的模擬實(shí)驗(yàn)。左邊的矩形板料在成形時(shí)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(lái)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(jiǎn)單下料形狀
BlankB(Laser Cut Blank optimum Shape) :激光下料的最優(yōu)形狀
落料1:不需要下料模具;成形難度大;大量加工廢料
落料2:需要落料模具。
落料3:適合成形的優(yōu)化曲線
落料4:最優(yōu)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(fèi)并不貴,但是這種形狀會(huì)產(chǎn)生大量的廢料。落料2需要下料模具,但是仍會(huì)產(chǎn)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(jià)格可能讓應(yīng)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(huì)多耗一點(diǎn)激光加工時(shí)間,但是會(huì)在后續(xù)的因此消除的切削環(huán)節(jié)把時(shí)間賺回來(lái)。
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(jiàn)圖3、圖4、圖5)開(kāi)始這個(gè)方向的研究。正如卡里斯坦解釋的,這項(xiàng)研究表明,激光下料有助于把模具設(shè)計(jì)人員從下料模的束縛中 解放出來(lái)。不久之后,坯料不必一定再切成梯形或者其他簡(jiǎn)單的尖角形狀。現(xiàn)在,坯料的形狀輪廓可以更加自由地設(shè)計(jì),讓沖壓更加容易。沖壓工解決沖壓?jiǎn)栴}的時(shí) 候,所用的手段就不僅僅是重新設(shè)計(jì)尺寸,微調(diào)整角度,用拉伸凸緣進(jìn)行補(bǔ)償,或者其他的一些模具的技巧,而且可以重新設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的輪廓。不需要拉伸凸緣的 話,也意味著小噸位的壓力機(jī)也能加工零件。
有消息說(shuō),第一條激光落料線有可能在未來(lái)幾年內(nèi)出現(xiàn)。芬預(yù)言將來(lái)有一天,快速激光柔性落料系統(tǒng)將應(yīng)用于生產(chǎn),同時(shí)為多條沖壓生產(chǎn)線進(jìn)料。他說(shuō):“你 將看到一條激光生產(chǎn)線同時(shí)為四到五條沖壓線供料。”他補(bǔ)充說(shuō),這樣的柔性能力將集成到將來(lái)的沖壓線中。大規(guī)模的個(gè)性化定制時(shí)代已經(jīng)到了。
大族粵銘激光專業(yè)的激光設(shè)備制造商,產(chǎn)品有紫外激光打標(biāo)機(jī),CO2激光打標(biāo)機(jī),光纖激光打標(biāo)機(jī),光纖激光切割機(jī)等等。
(本文由大族粵銘激光原創(chuàng),轉(zhuǎn)載須注明出處:rengzui.cn,珍惜別人的勞動(dòng)成果,就是在尊重自己)
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