的批量生产变为现实,激光切割金刚石锯片基体成型技术

锯片基体加工的传统方法为冲压和铣削,对于不同尺寸基体需要更换模具。激光切割基体不需要任何模具,适合切割不同尺寸、齿数、异型齿和包含复杂形状切缝的基体,没有刀具磨损,切割噪声小,自动化程度高,可以适应小批量、中批量和大批量的生产。激光切割装备及工艺取代传统的冲压工艺,极大的提高了基体的加工质量及供货速度,已成为基体制造厂技术改造的重点方向。

由于对高强度钢和铝材应用的持续提升,汽车部件的轻量化领域已经取得了显著的进步。然而,轻质零部件的大部分成本是原材料——特别是对于冲压落料的零件而言更是如此,由于在板件或卷材的切割过程中会产生废料,从而浪费大量的材料。此外,对于冲压落料工艺来说,每个部件都需要一款模具,因此,模具制造、模具更换和模具存储都是不可避免的。

最大限度地减少浪费以及降低与模具相关的成本不仅能够削减部件成本,同时还减少了材料生产过程中产生的能源和二氧化碳——这对于使用大量材料的汽车行业而言是面临的一个不小挑战。鉴于此,本田(Honda)的解决方案是开发了一款用于批量生产的无模(die-less)智能激光落料系统(ILBS)。

智能激光落料系统的目标

用模具进行冲压落料是一种被广泛用于汽车行业大批量生产的工艺。与其高生产率相反的是,使用模具的缺点是带来的昂贵制造成本和对长期存储空间的需求。此外,由于最小曲率引发的刀刃设计的限制,落料部件的材料回收率不是最佳的。

通过在汽车钣金生产中应用激光落料技术,便不再需要用到模具,并且可以避免冲压硬化,从而带来更高的设计自由度、更低的成本和更高的可成形性,这些都是激光落料超越常规冲压落料工艺的优点。然而,激光落料主要用于小批量的原型设计,因为与冲压落料相比,其工艺速度极其缓慢。

因而,提高激光落料的加工速度对于最大化其优于冲压落料的优势至关重要。本田利用ILBS进行批量生产,主要开发出三种关键技术:高速激光切割、高加速的H型龙门架系统,以及连续进料的输送系统(图1)。

高速激光切割

激光切割涉及通过施加热能来熔化金属板材,并通过施加气体来除去熔融金属。因此,通过增加热能密度和优化辅助气体条件来提高切割速度是非常重要的举措。本田使用了光斑直径为50μm的5kW光纤激光器来提高热能密度。对于辅助气体,主要使用氮气来代替压缩空气,以避免在切割表面产生氧化现象,从而能获得更好的质量。

首先,本田展示了使用具有优化的辅助气体条件和间隙(喷嘴头到工件距离)的大功率激光器,可以实现120m/min(板件厚度:0.6mm)的切割速度。间隙是激光切割的一个重要参数,因为这将对激光焦点和辅助气体流速产生直接的影响。当我们说“可能切割”时,这意味着该间隙在批量生产过程中有足够的公差来抵抗干扰。

在实际切割中,由于激光头振动和钣金波纹引起的间隙变化会导致激光焦点的散焦,由此产生切割问题。与使用相同光学性能的传统激光头相比,本田使用了一款重量比传统激光头减少三分之一,但光学性能相同的轻型激光加工头,从而降低了机架上的惯性力,以避免加速过程中的机器振动(图2)。

钣金波纹是间隙的重要因素。如同传统的系统一样,激光头尖端的电容式位移传感器不断地测量钣金件之间的距离,然后将其反馈到激光头的z轴电机以稳定其间隙。本田改进了测量频率和处理速度,以契合ILBS的切割速度,这比传统系统要快得多。

通过提高热能密度,稳定间隙和优化辅助气体条件,本田在大规模生产环境中实现了比常规激光切割系统快出3倍的切割速度。

高加速H型龙门架系统

激光头需要在2D平面中自由移动以切割出方形、弓形和复杂形状的坯料。随着激光头的轨线确定了尺寸精度,位置的重复性以及运动的精度变得愈发重要。

当切割复杂的形状时,加工时间显著增加,因为激光头需要沿着各种曲线移动,其中包括加速度。因此,激光头需要高加速、高精度的驱动系统。

通常,对于工业机器人来说,由于加速度不够高,因此得到保证的是位置的重复性,而不是其轨线。当使用线性电机驱动系统来提高每个轴的精度和加速度时,需要巨大的驱动力,从而导致连续运行时电机的高功耗和过热。根据运动定律,a=F/M(其中a=加速度,F=力和M=质量),减轻重量是改善加速度的最佳方式。

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