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五軸激光切割技術(shù)在車模具制作中的應(yīng)用

在航空、航天工業(yè)中，五軸技術(shù)很聞名，如葉輪、葉片、結(jié)構(gòu)件銑削等方面的應(yīng)用，五軸聯(lián)動(dòng)經(jīng)過多年的應(yīng)用已成為一種成熟、前沿的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)近年來在特殊項(xiàng)目及產(chǎn)品上也得到了廣泛的應(yīng)用，如五軸激光加工技術(shù)。近幾年激光技術(shù)得到了快速發(fā)展，已成為主流的切割技術(shù)。因其具有較好的切割質(zhì)量與精度，以及無與倫比的加工速度，板材行業(yè)普遍認(rèn)為石家莊激光切割在將來極有可能取代沖壓成為主流的鈑金加工技術(shù)。 

激光切割的原理 

激光切割的原理是：在激光束能量作用下（在氧助切割機(jī)制下，還要加上噴氧氣與到達(dá)燃點(diǎn)的金屬發(fā)生放熱反應(yīng)放出的熱量），材料表面被迅速（感應(yīng)范圍內(nèi)）加熱到幾千乃至上萬度而熔化或汽化，隨著汽化物逸出和熔融物體被輔助高壓氣體（氧氣或氮?dú)獾龋┐底?，切縫產(chǎn)生。 

在切割實(shí)際操作中有氧割和氮割之分，在保持同樣切割精度前提下，氧割熱量大、速度快，但是切邊有褐色、薄氧化層；氮?dú)庑枰酶邏旱獨(dú)?，速度慢、成本高，但切邊無氧化、呈銀灰色，可以直接進(jìn)行焊接，常用來切割要求較高的不銹鋼一類材料。 

五軸激光加工技術(shù)在現(xiàn)代模具制造中的優(yōu)勢 

激光加工已成為現(xiàn)代汽車制造不可或缺的技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工切割+沖裁模制造方式已成為國際上大力發(fā)展的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。眾所周知，在模具的制作過程中，修邊、沖孔工序一直是模具制造過程中的難點(diǎn)，特別是一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的斜切、斜沖、斜翻等大型汽車模具。修邊線的確定如果采用傳統(tǒng)的制作方式十分困難，且需反反復(fù)復(fù)摸索幾次甚至十多次，給鉗工、加工設(shè)備帶來了極大的工作量，不但對(duì)鉗工的技能水平提出了較高的要求，而且會(huì)嚴(yán)重地影響后工序模具的調(diào)試。且現(xiàn)實(shí)中有很多修邊、沖孔模的切刃材質(zhì)從成本上考慮采用了合金鋼，如Cr12、Cr12MoV等，如果采用傳統(tǒng)的修邊模制作方法，就難免會(huì)對(duì)刃口進(jìn)行多次堆焊，由于諸如上面的材料在進(jìn)行多次堆焊的過程中，容易開裂而致使鑲件報(bào)廢，不得不重新補(bǔ)料再加工，這樣，不但周期會(huì)被滯后，而且模具的制作成本也會(huì)大幅增加。如果采用激光切割技術(shù)，對(duì)于開發(fā)如圖1所示的汽車零件，等拉延模樣件（圖2所示）試模成功后，就可以用激光切割來替代修邊、沖孔工序，沿圖2上所示的修邊線進(jìn)行切割，把切割所得的樣件直接用于下一道翻邊工序進(jìn)行試模，把所得的較終樣件與檢具進(jìn)行比較，如果有差異，通過計(jì)算機(jī)對(duì)上次的修邊線進(jìn)行修整再次切割，直至成功。整個(gè)過程節(jié)省了兩道工序，完全改變了傳統(tǒng)的單線串行制作方式，很大程度上縮短了工藝流程和降低了模具制作成本。基于五軸激光加工技術(shù)在現(xiàn)代模具制作的過程中有著這樣明顯的優(yōu)勢，因此，倍受很多模具企業(yè)的青睞，并得到了廣泛、成功的應(yīng)用。 

多軸激光加工的工藝流程及編程策略 

激光多軸切割與其它多軸數(shù)控加工一樣，都會(huì)涉及到工件定位夾具的問題， 來自英國Camtek公司的PEPS軟件解決這一問題的方法非常簡單、實(shí)用。PEPS使用了一個(gè)夾具自動(dòng)報(bào)表，首先通過CAD轉(zhuǎn)換接口讀入產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)，并對(duì)碎面與破面等丟失或失真的數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)，然后為加工模型設(shè)置參考位置進(jìn)行固定，確定需要加工的范圍、高度以及夾具材質(zhì)、板厚等參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這些參數(shù)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品截面輪廓線，生成實(shí)體輪廓圖形支撐工件，在確定好夾具相應(yīng)的間距后，這些實(shí)體的夾具會(huì)自動(dòng)生成二維平面圖形，按預(yù)先提供的夾具板材大小，生成自動(dòng)排樣好的圖形文件與NC切割文件，使夾具的制作簡便、快捷。但切割鈑金件與加工模具或其它機(jī)加產(chǎn)品不同，由于夾具和被切割的產(chǎn)品都是一些相對(duì)較薄的鈑金件，其強(qiáng)度比較弱，除了一些輔助措施（如在非干涉區(qū)域加定位銷或壓嵌夾）以提高產(chǎn)品的定位精度外，程序的編制也尤為關(guān)鍵。眾所周知，板件沖壓成型后，根據(jù)產(chǎn)品形狀的不同有著不同程度的回彈，切割順序的不同，在內(nèi)部應(yīng)力的釋放和切割時(shí)的輔助高壓氣體的沖擊下，回彈和變形的程度也有所不同，對(duì)后續(xù)切割產(chǎn)品的定位有著很大的影響，所以切割一般遵循先孔后邊、先小后大、先內(nèi)后外的原則，對(duì)于一些復(fù)雜的產(chǎn)品需做特殊處理的例外；刀軸矢量的控制一直是五軸加工技術(shù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在刀軸矢量的控制方面，PEPS五軸編程系統(tǒng)具有較智能化和便捷、靈活的控制模塊，在程序的編制過程中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)產(chǎn)品曲面上的三維輪廓自動(dòng)捕捉各節(jié)點(diǎn)的矢量方向，不需編程技術(shù)人員設(shè)置驅(qū)動(dòng)面或驅(qū)動(dòng)線而產(chǎn)生流暢的加工軌跡。對(duì)于一些形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，由于局部曲率有很大的變化，如R附近，切割時(shí)曲率的改變造成進(jìn)給的減小，使激光的能量在有效的切割長度內(nèi)集聚堆積而燒傷產(chǎn)品，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，這就需要對(duì)這些區(qū)域的刀軸矢量方向做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使之產(chǎn)生理想的刀軌。 

同許多大的航空公司和汽車公司目前使用的傳統(tǒng)的復(fù)雜加工軟件相比，PEPS五軸編程系統(tǒng)的連續(xù)五軸加工更加簡便。其加工對(duì)象的相對(duì)單一和任意點(diǎn)矢量可調(diào)功能的成功開發(fā)，高效、準(zhǔn)確的實(shí)體仿真，使它從煩瑣的加工策略和程序調(diào)試中解脫出來，它的靈活、直觀和易用性使得激光多軸程序的設(shè)計(jì)對(duì)技術(shù)工程師來說更易掌握，同時(shí)也對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用和推廣創(chuàng)造了有利條件。 

雖然激光切割具有速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn) ，激光切割技術(shù)是激光加工應(yīng)用領(lǐng)域的重要部分，是當(dāng)前世界上先進(jìn)的切割工藝之一，但也有一定的局限性，不僅是其昂貴的設(shè)備和相應(yīng)編程軟件制約著它的發(fā)展，其激光器參數(shù)和切割參數(shù)的合理使用也需要進(jìn)一步的研究與探索。 

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