复杂三维钣金件激光切割工艺处理的研究

复杂三维钣金件激光切割工艺处理的研究

文兵

龙工（上海）挖掘机制造有限公司技术研究院

随着汽车、航空等行业的发展，三维钣金覆盖件的需求也越来越大。通常三维钣金件都是相对复杂的，其轮廓也会包括一些特殊的结构。因此，三维钣金件的加工除了需要对各个轮廓环进行切割轨迹的规划，还需要对一些特殊结构的工艺进行处理。本文针对一些常见的特殊工艺处理包括激光头姿态设定、安全位置处引线过渡、半径补偿、尖角处理、打孔点设置、切割点引入路径设置等进行了处理，从而在适应三维钣金件加工中的一些较为常见的特殊结构的同时，提高钣金件的加工质量。

1光束半径补偿

三维钣金件的激光切割，需要将激光束聚焦成一个较小的光斑，以获得较高的功率密度。一般用于三维激光切割的激光束聚焦后光斑都比较小，大约0.1mm。但是对于加工要求较高的工件，为了满足其切割精度，仍需要对光束半径进行补偿。通常光束半径补偿的方法有两种，一种是将切割轨迹进行偏置，向废料方向偏置光斑半径的距离，即切内轮廓时向内偏置，切外轮廓时向外偏置；另外一种方法是采用加工系统中内置的偏置方法。对于三维复杂钣金件来说，待加工的轮廓较为复杂，对其轮廓进行偏置的难度也较大。这里采用数控系统补偿的方法。数控系统补偿方法较为简单，即采用G代码进行补偿。但是G代码的偏置指令只有四种：上偏置、下偏置、左偏置和右偏置。因此，要想使用该方法进行补偿还需要对轮廓环进行进一步处理。

三维复杂轮廓可采用数控系统中左偏置和右偏置来实现。目前，大多企业生产加工时也采用这种方式进行半径补偿，由于轮廓选择是逐条选取，轮廓加工方向也是人工设定的，所以刀具补偿也需要逐个设定。这里设定内轮廓环切割为顺时针加工，外轮廓环切割为逆时针加工，则整个路径都采用右偏置即可完成光束半径补偿。具体实现方法如下：首先判断各轮廓环初始方向。在轮廓环上选取三个具有一定间隔的点，构成两个向量进行叉乘，根据叉乘结果的正负即可判断环的方向。若内轮廓环初始方向为顺时针，则点序不变，若为逆时针则将点序颠倒。外环反之。

2辅助路径设置

2.1尖角处理

在三维钣金件激光切割中，由于功能的需要，会有一些了轮廓上存在角度较小的尖角。当激光切割到这些尖角处，如果不采取任何措施，以切割平面的加工参数切割尖角部位时，尖角处受热时间相对较长，而且不能充分散热。尖角处容易使热量集中，从而使局部温度上升，使工件发生热变形，从而影响零件的加工精度和质量，甚至会导致工件尖角处发生过烧或烧毁。在实际加工中解决这种问题的方法通常有两种，一是在尖角处设置辅助路径；二是调整加工参数。辅助路径的设置可以在保证尖角切割质量的同时，采用同样的激光切割参数，设置较为方便，且不会影响生产效率。具体实现步骤如下：首先根据相邻三个离散点构成的两个向量判断是否为尖角，再将找到的尖角处的两个边线向轮廓外延长一定距离，并将新的边线的端点作为离散点编入路径，这种方法只适用于外轮廓上尖角的切割，加工内轮廓尖角时辅助路径无法合理的设置，只能采用调整激光加工参数的方法，降低激光功率，适当提高加工速度。这种方法需要有经验的操作者多次调整，激光功率不能太低，太低容易使得板材切不透，加工速度也不能太高，速度高了，也会使板材切割质量下降。加工参数调整的不合理的话，会产生挂渣、过烧等缺陷。

2.2打孔点及引入路径设置

和二维板材切割一样，激光在进行三维钣金件切割时，在实际轮廓切割前需要先在板材上打一个通孔。激光束在打孔时需要在打孔点处停留一段时间，以使板件穿透。因此，打孔点处的热影响区也相对较大。激光实际切缝宽度要比打孔点处的孔径小，正常切割的质量比打孔点处的质量要好，因此，合理设置打孔点位置有利于提高工件切割质量。在切割精度要求不高或者没有精度要求的钣金件时，打孔点位置可以直接设置在工件的加工轮廓上。但对于加工精度要求较高的钣金件，不能在加工轮廓上设置打孔点，而是要把打孔点位置设置在轮廓切割起点附近的废料上。

引入路径就是打孔点和加工轮廓起点之间的路径。对于加工精度要求较高的工件，打孔点不能设置在切割轮廓上，只能设置在起点附近的废料上，因此需要设置引入路径。一般打孔吋采用的激光是高功率的脉冲激光，正常切割轮廓吋采用的是连续激光，两者加工参数也不同。引入路径的设置可以帮助正常轮廓切割时激光质量和加工参数的调整，同时打孔点对轮廓切割质量的影响得以改善。引入路径的类型有两种：直线引入和圆弧引入。圆弧引入路径，引入线与切割轮廓间过渡圆滑，但引线相对较长，在局部会产生较多的热量，容易爆孔飞溅，使工件表面质量下降。直线引入路径，引入线和切割轮廓间过渡不圆滑，轮廓上起点处切割质量相对圆弧引入方式略差，但引线较短，可以提高加工效率。

2.3安全位置及引上引下线设置

三维钣金件进行激光切割时，通常形状各异的切割轮廓环分布在多个不同的曲面上。因此，在完成一个轮廓环的切割后，切割头需要抬高一定距离，远离工件表面。当激光头抬高到一个安全位置后，再下降到工作位置进行下一个轮廓环的加工，从而避免激光头和工件发生碰撞。引上引下线就是指切割头向上移动到安全位置和从安全位置向下移动到工件表面附近的辅助路径。避免切割头和工件发生碰撞的一个工艺方法就是安全位置和引上引下线的设置。合理的设置引上引下线对于整个钣金件的加工非常重要。若没有达到安全位置，则激光头和工件的碰撞仍可能在切割过程中发生；若安全位置离工件太远，则引上引下线变长，增加了激光头的空行程，降低了激光切割的效率。在生成加工路径前，通过算法控制，可以自动生成安全加工面及引上引下线，保证激光头在整个加工过程中的正常进行。这里辅助路径的运动方式如下：在前一个环结束时，沿曲面当前法线抬高到安全距离，移动到下一个环对应点处法线的安全位置，同时将激光头调整到即将切割的环所需姿态，然后回到加工位置进行切割加工。

通过相关实验，充分证明了复杂三维钣金件激光切割路径智能规划及工艺系统在路径规划和工艺处理中的可行性和优势。三维钣金件激光切割路径规划和工艺处理研究对实际生产中提高三维钣金件激光切割质量和效率具有指导和借鉴作用。

参考文献

【1】许都．基于三角网格曲面的数控高速加工刀具轨迹规划研究［Ｄ］．湘潭大学，2016．

【2】付林泊．面向余料板材的节约型激光切割计算机辅助工艺研究［Ｄ］．河南科技大学，2015．

【3】张青锋．激光切割路径优化方法研究及应用［Ｄ］．华中科技大学，2014．

作者简介：

文兵（1981.10.27~）男，湖南衡阳市人，本科，主要从事履带式液压挖掘机驾驶室，座椅系统，覆盖件系统造型及结构开发设计工作。