激光切割鋼板效率研究*

司立眾

（南京工程高等職業學校電子工程系，江蘇南京 211135）

激光切割是激光加工中最重要的一項應用技術，它占整個激光加工市場的70%以上，已成為一種競爭力很強的高新技術［1］。與線切割、水切割等其他切割方法相比，激光切割最顯著的特點是精度高、速度快、效率高。但若從有效切割時間占總時間的百分比來說，二維激光切割有效切割時間所占的百分率并不高。如配備了NEL－2000A軸快流CO2激光器的SLCM－1225數控激光切割機，對于大多數圖形，其有效切割時間約在20% ～50%左右;可見，單從設備利用率來講，二維數控激光切割機效率的提升還有很大的挖掘空間。

1 二維激光切割時間分解

1.1 二維激光切割一般路徑

2010年4 月，江蘇南京舉行了第六屆中國數控機床展覽會，會上展出了上海團結普瑞瑪、濟南捷邁、深圳大族等國內多家知名企業生產的二維數控激光切割機，經現場觀察，這些數控激光割機在切割過程中的路徑基本是這樣的（以上海團結普瑞瑪數控激光割機為例）:從起點出發空行程到第一個待切割連續曲線的起刀點（G00或G01割嘴與板面保持一定的距離，Z軸數控M16）→Z軸隨動（M10，即采用Z浮結構控制割嘴與板面的距離［2］）→打開機械光閘（M12）→打開電子光閘（M20）→出光打孔延時（M15）→有效切割（完成第一段有效切割路徑）→解除Z軸隨動（M16）→Z軸抬升（約40 mm）→空行程到第二個待切割連續曲線的起刀點……如此循環往復，這就是二維數控激光切割的一般路徑。

1.2 激光切割時間分解

在上述所講的激光切割路徑中包含了用于去除或分離材料的切割路徑和空程路徑，顯然用于去除或分離材料的切割路徑是有效路徑，它所消耗的時間稱為有效切割時間，而空程路徑則是無效路徑，它所消耗的時間理應歸屬無效切割時間。當然，除了無效路徑所消耗的時間外，切割過程中的停頓、打孔等消耗的時間，也應歸結為無效切割時間。如M12指令在執行時，要等待機械光閘打開，才能執行下一個指令，它的執行時間長短取決于控制機械光閘開關的伸縮氣缸的充氣速率，這種停頓屬于指令執行停頓，一般只有幾秒鐘;再如外光路調整、聚焦光束垂直度調整等［3］，這種停頓屬于工藝調節停頓，有時可能只需要幾分鐘（如同軸度微調），有時可能需要幾個小時甚至更長的時間（當然這種較長時間的工藝調節有時也會作為故障進行處理）。

對于一臺特定的數控激光切割機，當使用其最大功率切割某一特定材質（如A3板）、特定厚度（如8 mm）的鋼板時，在保證切割質量的前提下，其有效切割速度是一定的，即對于一特定的零件，其有效切割時間是一定的。那么要想提高切割效率，縮短無效切割時間便是一條重要的途徑。當然，在二維激光切割路徑優化研究中，縮短XY二維平面內空程路徑的研究成果較多［4－7］，它也是縮短無效切割時間研究的一個重要方向。但在有些情況下，當采用某些特殊工藝處理時，有時增加XY二維平面內的特殊空程路徑時反而能縮短無效切割時間［8］。下面本文將通過縮短打孔時間的研究，來闡述另一種能縮短無效切割時間提高切割效率的工藝方法。

2 切割路徑起點打孔的工藝處理

2.1 激光器打孔時間

不管是線切割、水切割，還是激光切割，切割路徑起刀處打孔是必須的。激光切割可以自行打孔，且速度較快，一般在幾秒到幾十秒不等。如采用NEL－A系列激光器與SLCM－1225數控機床聯機切割8 mm厚的A3板，用占空比30%頻率為25 Hz的門脈沖打孔，在激光器出光模式和噴嘴同軸度均較理想的情況下，相對于1 500 W的打孔功率，有效打孔時間約為9～10 s。

在激光切割A3板的過程中，由于工藝的需要，為防止打孔時爆孔影響切割質量，在打孔時需要用較低的氧氣壓力，而在切割時則采用稍高一點的氧氣壓力，所以每次打孔前后都需要這樣的過程:選擇氧氣（M55）→開低壓（M50）→關低壓（M51）→開高壓（M52）。在這一過程中，每個命令都是通過繼電器驅動氣動電磁閥來實現的，每個閥的驅動到位時間約在1～2 s，經測試這一過程合計時間約5～6 s，與有效打孔時間合并得8 mm厚的A3板的總打孔時間約為15 s。若以有效切割時切割速度為1 500 mm/min計算，15 s可以切割出長度為375 mm的割縫。

2.2 常規切割路徑

如圖1所示，為需要切割加工的機械零件平面圖，要求材質為Q235碳鋼板，厚度8 mm，精度±0.2 mm，數量200只。

根據機械零件及備料板材的形狀和尺寸，可以畫出切割加工圖，此處僅以加工5個這樣的工件為例進行說明。如圖2所示，為常規排料法排出的切割加工路徑圖（為便于觀察，部分廢料區被放大）。圖中1～5處的半圓弧為引割線，在廢料上，A點為編程原點，也是切割加工時的起點，從A點空行程到1點，打孔，通過引割線加工第一個零件;第一個工件加工完成后，空行程到2點，打孔，加工第二個工件。如此依次重復空行程、打孔、引割線引入、切割，直至完成所有五個工件的加工。在該程序執行過程中，共有5次打孔，合計打孔耗時75 s，折合切割行程1 875 mm，另有1到2、2到3、3到4、4到5四個空程（圖中虛線）。

2.3 切割路徑打孔少的工藝處理

由以上分析知，切割路徑的起刀點需要打孔，而打孔并不能產生對鋼板的有效切割，所以打孔耗時屬于一種無效耗時，若能減少打孔次數且不產生更多的其他無效耗時，則就能提高切割效率。能夠實現少打孔的切割路徑編排方式很多，在此舉兩例來說明少打孔切割路徑的工藝處理方法及其注意事項。

如圖3所示，為經過處理的切割加工路徑圖。圖中A點為編程原點，也是切割加工時的起點，從A點空行程到1點，打孔，通過廢料區的粗實線的引割線引入，首先切割第一個工件的粗圓弧線，順著零件輪廓進行切割，直至第一個工件的最后一條虛線的輪廓線。當該虛線的輪廓線切割完成后，切割頭并不抬起，而是在虛線輪廓線的尾端上翹進入廢料區，順著粗實線繼續上行切割，在第二個工件的同一位置引入切割第二個工件的粗圓弧線，如此循環，直至完成最后一個工件的切割。

與常規切割路徑相比，經過工藝處理后的切割路徑只有1個打孔，除1點的引割線外，增加了4條無效切割線，去掉了介于5個工件之間的4個空程。經計算，4條無效切割線（與引割線一樣，都可稱為輔助切割線）合計總長約180 mm，約耗用7.2 s切割時間。實際上，常規切割路徑中的4個空程總長大約也是180 mm，按G00指令速度10 m/min計算，約耗用1 s時間，再加上多打4個孔耗時60 s，理論上常規切割要多耗時約54 s。當然，在激光切割中的每一次打孔必含有一次切割頭的下降和抬升的過程，即含有2個Z軸行程;而在激光切割過程中，Z軸速度最慢，且每一次Z軸進給與XY平面內的進給轉換都需要有減速、停頓、加速的過程，經過多次試驗測得SLCM－1225數控激光切割機每次打孔耗在Z軸行程和進給轉換停頓的時間約10 s。由此可見，這種減少打孔的切割工藝所節約的時間遠不止54 s。

再如圖4所示，將第二個工件引割線的起點放在第一個工件的割縫上，同樣處理第三、四、五個引割線的起點，這樣圖4的切割路徑基本與圖2一致，但在點2、3、4、5處卻不需要打孔，這樣節約切割的時間約為60 s。不過，這一工藝處理方式在Z軸行程耗時和停頓耗時方面都沒有貢獻，節約的時間也只有大約60 s。

3 結語

本文將激光切割時間分為有效切割時間與無效切割時間，并從實踐上對有效切割時間與無效切割時間進行了合理的界定，提出了在有效切割時間不變的情況下，縮短無效切割時間是提高切割效率的主要努力方向，并指出最短路徑方面的研究只解決了無效切割時間縮短的一個方面，而縮短無效切割時間的其他方面研究也會對效率的提高作出一定的貢獻。

為了說明在其他方面縮短無效切割時間從而提高切割效率的可行性，本文提出了少打孔切割工藝處理方案。經過實驗驗證，少打孔切割是一種可行的能夠提高切割效率的方法，其切割效率提升的幅度不僅與零件圖形的自身特點有關，還與零件圖形的排版、切割加工的先后順序以及輔助切割線的添加方式等有關。本文的圖3、圖4分別給出了2種不同的少打孔切割工藝路徑圖，顯然圖3較圖4的效率提升更為顯著。當然，并不是所有的圖形都能按照圖3的方式來處理，而且由于4條輔助切割線的引入，圖3還增加了激光器的總能量輸出（經過綜合經濟效益計算，圖3的效益還是遠好于圖4）。所以，要想提高激光切割機切割效率和綜合經濟效益，不僅要研究最短空程問題，還要研究打孔耗時、切割停頓耗時以及Z軸行程耗時等問題，需要拓展我們的研究范圍，為激光切割行業的發展添磚加瓦。

［1］張永強，陳武柱，張旭東，等.激光切割過程火花簇射行為的研究［J］.中國激光，2007，34（s1）:310－313.

［2］繆震華.激光切割機電容式Z浮的研究［D］.武漢:華中科技大學，2005.

［3］司立眾.激光切割模切板割縫垂直度問題研究［J］.激光與光電子學進展，2011，48（7）:123－128.

［4］閻啟，劉豐.工藝參數對激光切割工藝質量的影響［J］.應用激光，2006，26（3）:151－153.

［5］徐路寧，王霄，張永康.激光切割板材的工藝處理［J］.應用激光，2002，22（6）:533－538.

［6］劉會霞，王霄，周明，等.共邊排樣件激光切割路徑的規劃［J］.中國激光，2004，31（10）:1269－1274.

［7］劉會霞，王霄，蔡蘭.分層實體制造激光頭切割路徑的建模與優化［J］.中國激光，2004，31（9）:1137－1142.

［8］司立眾.激光切割鋼板Z軸全程隨動路徑研究［J］.制造技術與機床，2011（10）:30－33.