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激光下料給衝壓帶來的新機遇

發布時間:2017/9/5     信息來源:http://www.mediaworksasia.com   作者:激光切割機    0

如果高速光纖激光取代傳統的機械式落料壓力機的話,就能為後續的成形工藝提供新的落料設計優化方案。

 

圖1:在一個激光落料生產線裏,大功率光纖激光器取代了機械式落料壓力機。High Production Technology LLC公司供圖。

能夠設想在一個高速落料線廠房沒有高大的穹頂,但有足夠的起吊能力就能更換卷料嗎?這是可以的。在這種新式廠房裏沒有機械式落料壓力機,也沒有笨重的基座,也沒有其他壓力機必需的輔助設備。

取而代之的是,高速激光器從喂料端就切割平板下料(見圖1)。在傳統工藝裏,切下的板料堆積起來等待進入衝壓或其他後續工序。在新的下料方式裏,如果需要做出下料調整,或者生產一種新的零部件,工程師隻需要修改激光器的數控程序而已,非常快捷方便。這樣就沒有必要去爭分奪秒地更換下料模具,因為根本就沒有模具了。

這個工藝,目前還是設想階段,但是它的意義深遠,不但改變了落料線的方式,也讓模具設計人員更多把注意力放在落料後的成形工序。

成形下料的困境

如何讓落料更加經濟節省,是成形模具設計考慮的一個重要因素。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麽合算了,因為加工複雜輪廓的坯料的話,模具價格昂貴。

但是矩形的落料有棱角,額外增加成形模具的應力,導致變薄或者開裂。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,激光落料就不用這麽煞費苦心,因為激光不用太費勁就能切出各種合適的輪廓,最大可能使得衝壓工序變得容易。

一段短暫曆史

傑.芬(Jay Finn)是俄亥俄州拿破侖市自動進料公司(Automatic Feed Co. in Napoleon, Ohio)的子公司高產技術有限公司(High Production Technology LLC)的應用工程師,他和液化空氣工業公司休斯敦辦公室的國際同事查爾斯.卡裏斯坦(Charles Caristan)一道研發激光落料技術,後者事實上已經為激光下料的新概念下了十年以上的苦功。

那時候,激光下料的理念是源於汽車行業的高度競爭的需求,同時也是為了突破既有技術的限製。二氧化碳激光在小批量的金屬板材切割領域占絕對地位,但是在大規模生產領域表現不佳。在很多年裏,鑒於這樣那樣的借口,大多數的激光下料解決方案隻能一年加工60,000件或者更少的落料,有人說,激光也隻能切得這麽快了。

在四年前,情況依舊如此。激光專家邁克爾.本本內克(MichaelBembenek)在2006的“工業激光解決方案”雜誌(IndustrialLaser Solutions)中寫到:“在生產投資 計劃中,產量仍然是主要的考慮因素。速度和循環周期……仍然是決定性的因素。這大概是為什麽板材生產商和使用商對於激光下料的反應是一樣的:’這個並不能幫AG亚游集团省錢。’”

時移勢易,感謝電信行業的進步,產量不再是激光落料爭論的焦點。他們研發出一種特殊的鍍層光纖,激光行業很快就發現這種新發明用於生產一種新的、功率更強的激光:光纖激光。

光纖引發變革

卡裏斯坦說:“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切割。”它高度聚集的光線特別適合快速切割薄板。光纖傳導激光是固態激光,易於維護和集成。電源和輔助設備隻占用幾平方英尺的麵積。這種激光器還有很好的擴展性。用光纖長距離傳導能量的時候,光纖直徑要足夠大以容納增加的能量,電源內的光纖模塊也能集束在一起增加功率。

芬說:“AG亚游集团用5KW的光纖激光做過實驗,可以一分鍾切80米1毫米後的鋁板。AG亚游集团也可以一分鍾切67米1毫米厚的鋼板。”排列幾個大功率的光纖激光同時連續切零部件,其生產效率和一太高速落了線相當。

新的10KW的光纖激光可能會有更加快速的表現。這就是所謂的多模技術,集成了多波模式產生適合實際應用的最佳光線。新出現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。

“將來一個3KW的單模激光的切割速度將會和現在一個5KW多模激光的切得一樣快。” 卡裏斯坦解釋說。

高強鋼的挑戰

高強鋼的工業應用也強化了激光下料的優勢。高強鋼對下料模傷害很大,使它們過早地磨損。而機械下料的動作會給切下的高強鋼坯料造成細小的裂紋,導致其在後續的衝壓過程中破裂。

芬解釋說:“下料的時候,不管你用什麽方式剪切或者衝裁,最後得到的板料切口附近總有一係列的細小裂紋,而在給高速鋼下料的時候,這些細紋會更加明顯。”

激光切割則用不著考慮管金屬堅硬與否,它主要和坯料的厚度和發射率(例如鋼和鋁的反射率就不同)等因素有關。實踐表明,光線激光可以毫不費力地切開高強鋼。

芬說:“激光才不在乎一塊金屬是1500,980或者560MPa,強度根本不是激光切割考慮的問題。”

曾經有段實踐,一些機構限製用激光切割板材,甚至用來製造樣品也不行,因為擔心激光在切割邊緣的熱影響區會給壓力成形帶來麻煩。卡裏斯坦回憶說,經過一些研究之後,行業很快發現恰恰激光切割的競爭對手――下料模具問題更嚴重:實際上,下料模在切邊產生的問題要比激光切割還多。隨著激光切割運動更加迅速,熱影響區的問題就沒什麽人提了。自那之後,激光切割成為了製造樣品的下料方案之一。今天,人們希望激光切割能夠進入批量生產的現場。

芬說:“使用了大功率光纖激光之後,熱影響區從切口位置的深度已經很少超過0.2毫米了,隨著速度提升,這個影響將會越來越小。”

下料的輪廓控製

激光可以很容易在板料上切出適合成形輪廓。事實上,激光更喜歡曲線的輪廓,因為要切出一個角來,線性驅動器必需減緩切頭的速度,停頓片刻,然後再次啟動轉向另一個方向,或者繞過拐角,然後繞回來。而切一個曲線,激光頭不需要停止運動。(見圖2)

圖2:激光切割更喜歡曲線的形狀。加工一個拐角,激光頭要麽停下來換一個方向(左圖),要麽繞一個圈再返回回來(右圖)。而加工一個曲線,激光頭的速度可以保持恒定。(圖由查爾斯.卡裏斯坦提供)

圖片翻譯:cuttingspeed 切割速度

Corner AngleProcessing 尖角加工

Corner Radius Processing 圓角加工

卡裏斯坦說“在衝壓時,這些曲線形的坯料更有助於金屬的流動,而且會減少變薄的程度。”

(圖3)這個圖顯示了三個潛在的落料形狀,它們重疊在一起:一個尖角(成形性最差),一個是圓角(成型性好一些),一個有暈線(成型性最好)查爾斯.卡裏斯坦供圖。

圖片翻譯:Cornerangle尖角    punch 衝頭 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作的模擬實驗。左邊的矩形板料在成形時更容易變薄(35%),而右邊曲線輪廓的板料變薄程度則是21%。圖由查爾斯.卡裏斯坦提供。

圖4中的兩塊坯料重疊在一起,用來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) 簡單下料形狀

BlankB(Laser Cut Blank optimum Shape) :激光下料的最優形狀


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:適合成形的優化曲線

落料4:最優的形狀,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,加工費並不貴,但是這種形狀會產生大量的廢料。落料2需要下料模具,但是仍會產生很多的廢料。落料3也可以用下料模具加工,但是昂貴的價格可能讓應用不合算。激光可以輕鬆地切出落料3和落料4。落料4 可能會多耗一點激光加工時間,但是會在後續的因此消除的切削環節把時間賺回來。

在若幹年前,卡裏斯坦和泰蘭.阿爾坦(Taylan Altan)博士和舍哈特.卡亞(Serhat Kaya)一起在俄亥俄州(見圖3、圖4、圖5)開始這個方向的研究。正如卡裏斯坦解釋的,這項研究表明,激光下料有助於把模具設計人員從下料模的束縛中解放出來。不久之後,坯料不必一定再切成梯形或者其他簡單的尖角形狀。現在,坯料的形狀輪廓可以更加自由地設計,讓衝壓更加容易。衝壓工解決衝壓問題的時候,所用的手段就不僅僅是重新設計尺寸,微調整角度,用拉伸凸緣進行補償,或者其他的一些模具的技巧,而且可以重新設計非常複雜的輪廓。不需要拉伸凸緣的話,也意味著小噸位的壓力機也能加工零件。

激光落料線噴薄欲出

有消息說,第一條激光落料線有可能在未來幾年內出現。芬預言將來有一天,快速激光柔性落料係統將應用於生產,同時為多條衝壓生產線進料。他說:“你將看到一條激光生產線同時為四到五條衝壓線供料。”他補充說,這樣的柔性能力將集成到將來的衝壓線中。大規模的個性化定製時代已經到了。

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