仙浩強 劉鵬 王蓉娟 蔡曉 彭世杰

摘 要：激光切割加工作為一種非接觸式特種加工方式廣泛應(yīng)用于各種金屬材料的切割加工。通過分析設(shè)備系統(tǒng)功能，優(yōu)化加工軟件程序，提出一種基于圖論和數(shù)控編程相結(jié)合的陣列矩形激光“分步式”共邊切割方法，旨在提高材料利用率，節(jié)約能源，減少切割路徑和切割時間，提高工作效率，達到“切得快”、“切得省”、“切得好”目的。將“分步式”共邊切割應(yīng)用于2mm厚的DC01不銹鋼矩形板加工，對比研究表明排版成型數(shù)量提高了86%，切割時間減少了44%，材料利用率提高了42%，電、氧、氮、氦等能量消耗減少了32%，解決了小矩形工件大批量生產(chǎn)時的材料利用率低、生產(chǎn)效率低，能源消耗大等問題。進而為將此方法推廣到水切割機、數(shù)控沖床、火焰切割機等其它類似設(shè)備提供了參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：激光共邊切割;分步式切割;矩形工件;切割效率;BYBASE

0 引言

隨著新型加工技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，激光切割加工已經(jīng)運用到越來越多的行業(yè)[1]，適用于各種金屬材料的高精度切割，如模具鋼、銅板、不銹鋼、碳鋼、鋁板等[2]。配屬先進飛行光路和直啟螺旋電機驅(qū)動系統(tǒng)的瑞士百超激光Bystronic3015以其高生產(chǎn)效率作為軌道交通變流器箱體、充電機箱體等產(chǎn)品加工的關(guān)鍵設(shè)備之一。激光切割加工作為一種非接觸式加工方式，它以其加工效率高、切割速度快、易于自動化控制、適用范圍廣、加工成本低、加工質(zhì)量高的優(yōu)勢漸漸有取代傳統(tǒng)刀具的趨勢。陳更明[3]等以機器人切割平臺為樣本，研究并開發(fā)多平臺三維鈑金激光切割過程仿真系統(tǒng)。馮巧波[4]等對1 mm厚的304不銹鋼薄板進行了YAG脈沖激光切割正交工藝試驗，研究了激光切割工藝參數(shù)對切口表面的切縫寬度、端面粗糙度和宏觀形貌的影響規(guī)律，并對切割工藝參數(shù)進行了優(yōu)化得到最佳工藝參數(shù)。

國內(nèi)外對通過對激光加工機床設(shè)備軟件系統(tǒng)優(yōu)化提出新工藝技術(shù)以提高加工效率的研究較少。設(shè)備軟件功能實際上很大程度上決定了系統(tǒng)的功能，激光切的自動化編程軟件固然高效快捷，但是軟件的功能有一定的局限性，制約著設(shè)備加工能力的發(fā)揮，加工程序仍有優(yōu)化的空間。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，為響應(yīng)綜合考慮環(huán)境資源效益的綠色制造模式，提高加工生產(chǎn)效率，降低能源消耗，通過分析設(shè)備系統(tǒng)功能，優(yōu)化加工軟件程序，提出了一種基于圖論和數(shù)控編程相結(jié)合的陣列矩形“分步式”共邊切割方法。以公司大批量加工生產(chǎn)的充電機箱體上2mm厚的DC01不銹鋼薄板零件的編程、加工過程對這一新技術(shù)的使用方法進行說明，進而將新技術(shù)推廣到其它類似產(chǎn)品，解決小型矩形工件大批量生產(chǎn)時的材料利用率低、生產(chǎn)效率低，能源消耗大為加工時間長等問題。

1 激光“共邊切割”加工技術(shù)

共邊切割是在優(yōu)化排版時按照一定規(guī)律將長寬比大的工件盡可能按長邊對長邊的方式排列，兩零件切割時共用1條邊，確保工件之間無間隔，在生成切割加工指令時對這些零件外輪廓的公共邊部分只進行一次切割。本文提出了基于視圖理論和數(shù)控編程相結(jié)合的陣列矩形的 “分步式”共邊切割方法，提高材料利用率，減少切割路徑和切割時間，節(jié)約原材料及能源，縮短加工零件的時間，提高工作效率。解決小型矩形工件大批量生產(chǎn)時的材料利用率低、生產(chǎn)效率低，能源消耗大等問題。

以在長方體2500mm×1250mm×2mm的零件切割288.2mm×10mm×2mm的工件為例，采用共邊切割排版，相鄰長方形長邊共用，無廢料存在。通過對比，使用傳統(tǒng)的排版方式，零件之間都留有10mm的安全距離（即廢料），先切割3個孔，再切割外輪廓，逐個切割完成。對于此類零件的加工，傳統(tǒng)排版存在以下缺點：材料的利用率低于50%;數(shù)控機床切割空程長，能耗浪費嚴重;落料有翹起，切割頭通過已加工區(qū)域，翹起的零件易碰切割頭。矩形件共邊切割優(yōu)化排版方法提高了矩形原材料利用率，節(jié)約加工成本，縮短了切割加工總路徑，提高切割加工效率，這對于矩形件的生產(chǎn)加工具有重大的實用價值。

2 “分步式”共邊切割方法

基于上述缺陷，通過改變傳統(tǒng)的繪圖方式、調(diào)整切割順序、設(shè)置補償參數(shù)等措施，提出了一種基于圖論和數(shù)控編程相結(jié)合的陣列矩形“分步式”共邊切割方法。以充電機箱體的零件的編程、加工過程為例進行說明這一新技術(shù)的應(yīng)用。配件尺寸為288.2mm×10mm，板厚2mm，材料DC01。

圖1為激光“分步式”共邊切割圖論表達，“分步式”共邊切割方案具體步驟為：

1）根據(jù)板材的大小，在AUTOCAD中繪制排版圖，板材左下角為坐標原點，邊上留出安全距離，將整張板分成若干個區(qū)域，為了消除穿孔區(qū)的影響，獲得棱角分明的產(chǎn)品，所有橫線兩端應(yīng)超出豎線3mm～5mm）;

2）在分成若干個區(qū)域?qū)⒘慵?、橫線、豎線分步式進行排版;

3）優(yōu)化路徑，合理設(shè)置切割補償，先切割所有零件的孔，再切割所有橫線，再切割兩條豎線使所有零件脫離板料。

3 矩形件加工實例

對比分析兩種方案加工效果，驗證激光“分步式”共邊切割工藝技術(shù)的高效性和可行性。對表中工件分別進行傳統(tǒng)切割，按照圖1排版進行“分步式”共邊切割。

表1為兩種排版方案的加工相關(guān)參數(shù)，對比分析兩種加工方法的性能參數(shù)可知，通過公式（1）計算。

結(jié)果表明，成型數(shù)量提高了86%，材料利用率提高了42%，通過對“共邊切割”新工藝技術(shù)應(yīng)用前后的參，切割時間減少了44%，電、氧、氮、氦等能量消耗減少了44%。因此，所提的矩形件優(yōu)化下料方法具有可行性和有效性。

4 結(jié)論與展望

充分發(fā)揮設(shè)備系統(tǒng)功能，以圖論為理論依據(jù)，優(yōu)化加工軟件程序，通過零件拆分繪圖、分解編程整合排版、優(yōu)化路徑合理補償?shù)却胧岢隽艘环N面向小矩形件大批量“分步式”激光共邊切割加工方法。結(jié)合實例對2mm厚的DC01不銹鋼薄板進行加工實例，與傳統(tǒng)切割方法對比結(jié)果表明，此方法在產(chǎn)品質(zhì)量保證的前提下切割速度上明顯提升、空行程明顯減少、材料利用率顯著提高、能量能源消耗減少。解決了小矩形工件大批量加工時的材料利用率低、生產(chǎn)效率低，能源消耗大、加工時間長等問題。對板料加工具有長遠而廣泛的影響。在此研究應(yīng)用基礎(chǔ)上，將面向異形復(fù)雜零件開展“分步式”共邊切割方面的研究，進而為將新方法推廣到水切割機、數(shù)控沖床、火焰切割機等其它類似設(shè)備提供了參考和依據(jù)。

參考文獻：

[1]李興，管迎春.淺述幾種典型激光加工技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].航空制造技術(shù)，2019，62（22）：38-45+65.

[2]孫曉，蔣明，陳聰，高明，曾曉雁.三維激光切割在機械加工機床中的集成研究[J].制造技術(shù)與床，2015（01）：29-32+37.

[3]陳更明，仇曉黎，幸研.多平臺三維鈑金激光切割過程仿真系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].航空制造技術(shù)，2018，61（16）：51-58+66.

[4]馮巧波，趙旺初，李永兵.工藝參數(shù)對不銹鋼薄板激光切割質(zhì)量的影響[J].機械設(shè)計與研究，2017，33（06）：118-121.

（中車永濟電機有限公司? 山西? 永濟? 044502）