五轴激光切割技术在车模具制作中的应用

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在航空、航天工业中，五轴技术很闻名，如叶轮、叶片、结构件铣削等方面的应用，五轴联动经过多年的应用已成为一种成熟、前沿的技术。这项技术近年来在特殊项目及产品上也得到了广泛的应用，如五轴激光加工技术。近几年激光技术得到了快速发展，已成为主流的切割技术。因其具有较好的切割质量与精度，以及无与伦比的加工速度，板材行业普遍认为激光切割在将来极有可能取代冲压成为主流的钣金加工技术。
激光切割的原理
/ c% i3 \( _, I, t/ S  d# `激光切割的原理是：在激光束能量作用下（在氧助切割机制下，还要加上喷氧气与到达燃点的金属发生放热反应放出的热量），材料表面被迅速（感应范围内）加热到几千乃至上万度而熔化或汽化，随着汽化物逸出和熔融物体被辅助高压气体（氧气或氮气等）吹走，切缝产生。
在切割实际操作中有氧割和氮割之分，在保持同样切割精度前提下，氧割热量大、速度快，但是切边有褐色、薄氧化层；氮气需要用高压氮气，速度慢、成本高，但切边无氧化、呈银灰色，可以直接进行焊接，常用来切割要求较高的不锈钢一类材料。
. S9 ~. N7 ~" K' N五轴激光加工技术在现代模具制造中的优势
激光加工已成为现代汽车制造不可或缺的技术，代替传统的手工切割+冲裁模制造方式已成为国际上大力发展的一项先进技术。众所周知，在模具的制作过程中，修边、冲孔工序一直是模具制造过程中的难点，特别是一些结构复杂的斜切、斜冲、斜翻等大型汽车模具。修边线的确定如果采用传统的制作方式十分困难，且需反反复复摸索几次甚至十多次，给钳工、加工设备带来了极大的工作量，不但对钳工的技能水平提出了较高的要求，而且会严重地影响后工序模具的调试。且现实中有很多修边、冲孔模的切刃材质从成本上考虑采用了合金钢，如Cr12、Cr12MoV等，如果采用传统的修边模制作方法，就难免会对刃口进行多次堆焊，由于诸如上面的材料在进行多次堆焊的过程中，容易开裂而致使镶件报废，不得不重新补料再加工，这样，不但周期会被滞后，而且模具的制作成本也会大幅增加。如果采用激光切割技术，对于开发如图1所示的汽车零件，等拉延模样件（图2所示）试模成功后，就可以用激光切割来替代修边、冲孔工序，沿图2上所示的修边线进行切割，把切割所得的样件直接用于下一道翻边工序进行试模，把所得的最终样件与检具进行比较，如果有差异，通过计算机对上次的修边线进行修整再次切割，直至成功。整个过程节省了两道工序，完全改变了传统的单线串行制作方式，很大程度上缩短了工艺流程和降低了模具制作成本。基于五轴激光加工技术在现代模具制作的过程中有着这样明显的优势，因此，倍受很多模具企业的青睐，并得到了广泛、成功的应用。
1 c4 s. x$ W5 Z 多轴激光加工的工艺流程及编程策略
2 j9 {; @6 g0 b4 q! }# Y激光多轴切割与其它多轴数控加工一样，都会涉及到工件定位夹具的问题， 来自英国Camtek公司的PEPS软件解决这一问题的方法非常简单、实用。PEPS使用了一个夹具自动报表，首先通过CAD转换接口读入产品模型数据，并对碎面与破面等丢失或失真的数据进行修复，然后为加工模型设置参考位置进行固定，确定需要加工的范围、高度以及夹具材质、板厚等参数，系统会根据这些参数产生适当的产品截面轮廓线，生成实体轮廓图形支撑工件，在确定好夹具相应的间距后，这些实体的夹具会自动生成二维平面图形，按预先提供的夹具板材大小，生成自动排样好的图形文件与NC切割文件，使夹具的制作简便、快捷。但切割钣金件与加工模具或其它机加产品不同，由于夹具和被切割的产品都是一些相对较薄的钣金件，其强度比较弱，除了一些辅助措施（如在非干涉区域加定位销或压嵌夹）以提高产品的定位精度外，程序的编制也尤为关键。众所周知，板件冲压成型后，根据产品形状的不同有着不同程度的回弹，切割顺序的不同，在内部应力的释放和切割时的辅助高压气体的冲击下，回弹和变形的程度也有所不同，对后续切割产品的定位有着很大的影响，所以切割一般遵循先孔后边、先小后大、先内后外的原则，对于一些复杂的产品需做特殊处理的例外；刀轴矢量的控制一直是五轴加工技术中的重点和难点，在刀轴矢量的控制方面，PEPS五轴编程系统具有较智能化和便捷、灵活的控制模块，在程序的编制过程中，系统会根据产品曲面上的三维轮廓自动捕捉各节点的矢量方向，不需编程技术人员设置驱动面或驱动线而产生流畅的加工轨迹。对于一些形状复杂的产品，由于局部曲率有很大的变化，如R附近，切割时曲率的改变造成进给的减小，使激光的能量在有效的切割长度内集聚堆积而烧伤产品，严重影响产品的质量，这就需要对这些区域的刀轴矢量方向做适当的调整，使之产生理想的刀轨。
同许多大的航空公司和汽车公司目前使用的传统的复杂加工软件相比，PEPS五轴编程系统的连续五轴加工更加简便。其加工对象的相对单一和任意点矢量可调功能的成功开发，高效、准确的实体仿真，使它从烦琐的加工策略和程序调试中解脱出来，它的灵活、直观和易用性使得激光多轴程序的设计对技术工程师来说更易掌握，同时也对该项技术在生产中的应用和推广创造了有利条件。
虽然激光切割具有速度快、精度高等优点 ，激光切割技术是激光加工应用领域的重要部分，是当前世界上先进的切割工艺之一，但也有一定的局限性，不仅是其昂贵的设备和相应编程软件制约着它的发展，其激光器参数和切割参数的合理使用也需要进一步的研究与探索。
文章关键词： 激光、切割、模具