如何大幅度地提高激光管材切割精度

Tube China 2022中國國際管材展覽會(huì)將于2022年9月26-29日在上海新國際博覽中心舉辦，管材展會(huì)匯聚所有關(guān)注管材及管材加工設(shè)備行業(yè)的專業(yè)人士，展示管材制造完整產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)產(chǎn)品、技術(shù)及服務(wù)。

中國鋸業(yè)及激光切割技術(shù)展覽會(huì)（Saw and Laser Cutting China）將與Tube China管材展同期舉辦，在以往鋸切產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，加入了激光切割相關(guān)的設(shè)備與技術(shù)解決方案，進(jìn)一步完善管材加工的上下游產(chǎn)業(yè)鏈。

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今天的制造工廠面臨著降低成本、提高質(zhì)量和優(yōu)化產(chǎn)量的巨大壓力。 激光管材切割操作需要有與更常見的板材切割操作截然不同的思維方式。 制造商不僅需要與這些基本的車間標(biāo)準(zhǔn)抗衡，而且管材輪廓形狀、尺寸、零件復(fù)雜性、孔幾何形狀、特殊切割和更嚴(yán)格的公差正在促使制造商重新考慮他們的激光管材切割工藝，以幫助最大限度地提高質(zhì)量和效率。 為了確保最高精度，工廠需要考慮一些事項(xiàng)。

原料

許多被廣泛認(rèn)可的組織制定了標(biāo)準(zhǔn)來指定金屬的材料、化學(xué)、機(jī)械和冶金性能。這些機(jī)構(gòu)包括鋁業(yè)協(xié)會(huì) (AA)、美國鋼鐵創(chuàng)始人協(xié)會(huì) (ACI)、美國鋼鐵協(xié)會(huì) (AISI)、SAE 航空航天材料規(guī)范 (AMS)、美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì) (ASME)、ASTM 國際 (ASTM)、美國焊接協(xié)會(huì) (AWS)、聯(lián)邦規(guī)范 (QQ)、軍用規(guī)范編號(hào) (MIL-S) 和汽車工程師協(xié)會(huì) (SAE)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)適用于普通金屬合金的全稱。然而，在激光管材切割方面，僅僅因?yàn)楣懿姆线@些標(biāo)準(zhǔn)并不意味著它們始終是最佳選擇。

密歇根州諾維 BLM Group USA 北美激光產(chǎn)品經(jīng)理 Robert Adelman 說：“與平板或板材相比，管材需要考慮的公差要多得多。一般來說，它們遵循 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)，但我們知道管子并不完全是它所列出的 2 英寸正方形，它可能略大或略小，甚至可能不是正方形，而是帶有凸或凹的梯形面。 此外，它有一定程度的彎曲和扭曲。 最后，我們知道有 3 個(gè)半徑的尺寸將保持一致，而其中一個(gè)半徑將因焊接側(cè)而有很大不同。”

原材料將在成品零件的整體精度中發(fā)揮重要作用。這是基于符合適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的部分，但還有一些其他問題需要解決。

使用激光切割時(shí)，材料厚度很重要。例如，當(dāng)切割 2 英寸、0.120 英寸的壁或 11 ga 的材料時(shí)，可能會(huì)碰到比規(guī)定更厚的管子部分，機(jī)器必須能夠?qū)Υ诉M(jìn)行補(bǔ)償。

伊利諾伊州埃爾金市 Mazak Optics Corp. 應(yīng)用工程師 Tyler Van Wyhe 說：“準(zhǔn)確度真的取決于你從什么開始。如果材料尺寸過大或過小，這是一回事，但彎曲和扭曲也將是一個(gè)重要的因素。如果原材料不能保持公差——比如±0.03英寸——那么你就不能指望用這種材料制造出比那個(gè)更好的零件。獲得優(yōu)質(zhì)零件的第一步是使用優(yōu)質(zhì)的管材。根據(jù)所需的精度和公差，可能值得調(diào)查在哪里購買材料最好。”

隨著整個(gè)制造業(yè)的供應(yīng)鏈問題不斷涌現(xiàn)，獲得高質(zhì)量的管材可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。但重要的是要注意，并非所有的管磨機(jī)產(chǎn)出都是相同的，找到滿足公差要求的管磨機(jī)可能需要在傳統(tǒng)選項(xiàng)之外進(jìn)行進(jìn)一步的討論和詢問。

來自康涅狄格州法明頓 通快公司（TRUMPF） 的 TruLaser Tube激光切割機(jī)產(chǎn)品經(jīng)理 Adi Buerkler 說：“歐洲和北美的管材廠之間有一個(gè)重要的區(qū)別。當(dāng)我與歐洲同行交談時(shí)，就我們在歐洲看到的管子質(zhì)量而言，北美工廠管材的質(zhì)量還可以。在我看來，它們的扭曲較少，這是制造商必須應(yīng)對(duì)的最大因素或挑戰(zhàn)之一。當(dāng)與工廠交談時(shí)，請(qǐng)確保您要求提供能負(fù)擔(dān)得起的最佳質(zhì)量的產(chǎn)品。在，A、B 或 C 等級(jí)產(chǎn)品中，我通常推薦 B 級(jí)，但如果你有能力花更多的錢，A 級(jí)是最好的。”

物料搬運(yùn)和加工

雖然任何生產(chǎn)過程都需要適當(dāng)?shù)牟牧咸幚砗蛢?chǔ)存，但它在管材加工操作中起著重要作用。

“材料存儲(chǔ)是商店考慮的一個(gè)重要因素，”Buerkler 說。 “如果沒有適當(dāng)?shù)奶幚砗蛢?chǔ)存，就有可能發(fā)生變形。我們始終推薦使用管式存儲(chǔ)系統(tǒng)。它不僅有助于確保原材料的質(zhì)量，而且可以與管式激光機(jī)搭配使用，以緩解任何材料處理問題。”

除了存儲(chǔ)和原材料處理之外，還需要解決機(jī)器裝卸問題。與板材不同，管材是成捆裝載的，每一件都需要在一開始、切割過程和卸載過程中單獨(dú)挑選和支撐。

“這個(gè)過程的每一步都需要一種支撐方式，”阿德爾曼說。“首先是需要在原材料側(cè)支撐管材，同時(shí)裝載和加工，以及在加工和卸載過程中的零件。無論方管是平放還是在對(duì)角線上旋轉(zhuǎn)，找到一臺(tái)可以解決任何支撐問題的機(jī)器都是一個(gè)很好的起點(diǎn)。有些機(jī)器具有通用支架，可以垂直和橫向處理管材，這樣您就可以在零件中產(chǎn)生最佳公差。”通用支撐適用于封閉截面，但隨截面上下移動(dòng)的滾輪最適用于角形或槽形等開放型材。”

當(dāng)涉及到處理時(shí)，管材長度會(huì)發(fā)揮作用。 尤其是使用超過 4 英尺長管時(shí)，制造商更容易遇到彎曲和扭曲的情況。

“對(duì)于長管，重要的是要找到一臺(tái)可以處理整個(gè)零件長度的機(jī)器，”Van Wyhe 說。 “例如，具有四卡盤設(shè)計(jì)的機(jī)器非常適合加工 I 型或 H 型鋼、C 型鋼、角鋼和高速鋼等結(jié)構(gòu)材料。 保持對(duì)材料的完全控制有助于解決不一致問題。 自定心有助于在切割前使材料保持一致，從而制造非常精確的零件。 在雙卡盤系統(tǒng)中，背面沒有卡盤會(huì)使處理不準(zhǔn)確的問題更具挑戰(zhàn)性。”

測量

根據(jù)管材的直徑和壁厚以及在加工過程中它在整個(gè)機(jī)器中的支撐程度，仍然可能會(huì)增加材料的下垂、折曲和彎曲。這無疑會(huì)擴(kuò)大管材的現(xiàn)有公差范圍，使其處于不利的極限。

當(dāng)今的許多激光切管機(jī)都在切割過程中內(nèi)置了補(bǔ)償循環(huán)，以幫助確保位置和尺寸精度，特別是對(duì)于具有需要嚴(yán)格公差的孔和槽的零件。

探頭和傳感器。測頭和激光傳感器是常用的測量方法，有助于確保激光切割過程中的尺寸精度。

“一些機(jī)器具有內(nèi)置的測量周期，其中電容式高度傳感器測量管的寬度和管的真實(shí)位置，”Buerkler 說。 “這個(gè)測量周期通常在機(jī)器將管子拉入并夾住它時(shí)完成。如果零件需要從管外壁到孔或槽的一定公差，我們也有一個(gè)測量周期。使用收集的數(shù)據(jù)，機(jī)器能夠計(jì)算偏移量以保持所需的公差。”

Van Wyhe 補(bǔ)充說，接觸式探頭和激光傳感器等機(jī)器選項(xiàng)有助于糾正材料問題。傳感器可以找到材料的當(dāng)前位置和方向，并使用該數(shù)據(jù)來改變程序或?qū)⒉牧限D(zhuǎn)向正確。

相機(jī)和視覺系統(tǒng)。雖然探測是激光管切割系統(tǒng)最常見的測量形式，但相機(jī)和視覺系統(tǒng)提供了另一種數(shù)據(jù)捕獲和精度保證方法。

“例如，一組激光刀片和攝像頭被放置在切割頭的正前方，它可以在切割點(diǎn)進(jìn)行掃描，”Adelman 說。 “系統(tǒng)可以在 0.6 秒內(nèi)確定管子該區(qū)域的彎曲量和扭曲量。然后機(jī)器使用這些信息來補(bǔ)償并將孔放置在管的中心，因?yàn)槲覀円呀?jīng)捕獲了一個(gè) 1 度的扭曲并且它向左彎曲了 0.01 英寸。這種方法不僅速度更快，而且比傳統(tǒng)探測具有更高的精度，因?yàn)樵谘a(bǔ)償過程中管材可以保持靜止。”

軟件。當(dāng)大多數(shù)程序員開始在 CAM 軟件中對(duì)零件進(jìn)行編程時(shí)，他們不一定需要知道他們收到的材料的狀態(tài)或質(zhì)量。他們知道的一件事就是零件的公差。

Adelman給出了一個(gè)客戶案例，該客戶有一個(gè) 12 英尺長的管件，該管件帶有許多排水孔以及三個(gè)相距 24 英寸的針孔。針孔的公差為 ±0.004 英寸，可在管件中居中。“在 CAD/CAM 系統(tǒng)中，程序員可以選擇這三個(gè)具有高公差水平的針孔，并且可以將它們設(shè)置為高精度，”他說。“操作員只需在機(jī)器中打開補(bǔ)償，它不會(huì)花任何時(shí)間檢查排水孔。然而，一旦機(jī)器到達(dá)那個(gè)針孔，就在它切割針孔之前，它會(huì)識(shí)別出它是一個(gè)高精度的孔。然后它將對(duì)其進(jìn)行掃描和補(bǔ)償，確保高精度孔是正確的。能夠區(qū)分高公差孔和高精度孔非常重要，但操作員仍然可以靈活地控制他們何時(shí)以及如何使用補(bǔ)償系統(tǒng)。”

機(jī)器特性

當(dāng)今的激光切管機(jī)具有許多功能，是否需要某個(gè)功能本質(zhì)上是基于應(yīng)用程序的。但是制造商在購買之前應(yīng)該評(píng)估機(jī)器本身的一些常見考慮因素。

例如，如前所述，關(guān)于長管，卡盤設(shè)計(jì)對(duì)整體質(zhì)量很重要。

“制造商可能還需要考慮進(jìn)料/直通卡盤的設(shè)計(jì)，該卡盤允許在整個(gè)夾持范圍內(nèi)加工管材，而無需更換任何卡爪，”Buerkler 說。 “這種獨(dú)特的夾緊方法通過機(jī)械連接鉗口自動(dòng)將管定心，無需任何單獨(dú)的鉗口校準(zhǔn)。了解夾緊方法將有助于確定機(jī)器是否適合車間的需求。”

有多種選擇，例如氣動(dòng)和液壓鉗口，因此更好地了解夾緊機(jī)制的工作原理是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

平板制造商可能不了解焊縫對(duì)激光切割的影響程度。該零件特征的表面較厚，需要激光切割機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償。而且，肉眼檢測焊縫并不總是那么容易。管子上經(jīng)常有油，有標(biāo)記，或者有一點(diǎn)點(diǎn)銹跡，很難找到接縫。

“攝像頭焊縫檢測系統(tǒng)可以在內(nèi)部檢查管子通常更清潔并且沒有在運(yùn)輸過程中被刮傷的地方，”阿德爾曼說。 “該系統(tǒng)可以從捕獲的圖像中檢測焊縫，然后將其存儲(chǔ)起來以進(jìn)行完整的鋼筋嵌套。 傳統(tǒng)上，我們依靠操作員來補(bǔ)償功率或速度作為一種變通方法，以確保焊縫切割一致。 今天的系統(tǒng)能夠通過調(diào)整機(jī)器的功率或速度來自動(dòng)調(diào)整幾何形狀位于焊縫上的參數(shù)。 這意味著機(jī)器保持全速運(yùn)行，但當(dāng)它接近位于焊縫上的幾何形狀時(shí)，它會(huì)自行減速或增加功率。

來源：Canadian Fabricating & Welding