不锈钢弯管激光加工的研究

韩丽杰 李玉凤

[摘要]随着我国数控技术和激光技术的进步，我国在数控激光切割机的研发上投入了巨大的人力物力，数控激光切割机的制造获得了极大的发展。本文对汽车进、排气弯管的激光加工进行了重点研究，指出了存在的问题和设计的思路，探讨了优化措施，对激光加工技术的发展有一定借鉴意义。

[关键词]不锈钢弯管;激光加工;PLC技术

[中图分类号] TG665

[文献标识码]A

近年来，国内汽车、摩托车以及空调等装备制造业发展势头迅猛，不锈钢弯管作为管路的重要组成零件，市场前景广阔。由于各类弯管直径、壁厚、弯曲半径、角度等规格较多，采用激光切割的方式产品加工切换困难，传统的不锈钢弯管主要以线切割的方式生产，通过工人手动来调节夹装设备，这种加工方式生产效率低、表面粗糙度差、产品质量不稳定、工人劳动强度大，费时又费力，仅仅适用于小批量弯管的加工。而对于大批量的弯管生产，则采用激光切割的方式进行，如何实现加工过程中各规格弯管产品快速切换成了一个只待解决的难题。随着PLC技术的不断进步，使得弯管的自动化加工成为可能。本文以汽车进、排气弯管的激光加工为例，进行深入的研究与探讨。

1 数控激光切割机

激光切割是一种利用高能量密度的激光束加热工件表面，极短的时间内使材料气化，通过激光束和材料的相对移动，达到了切割材料的目的。相比于砂轮机切割，激光切割的零件不易出现毛边和挂口，切割完成后也不用担心切割使零件表面变色，省去了后续的打磨抛光工序，降低了工人的劳动强度。汽车进、排气弯管是一种薄壁不锈钢管，这种管件采用砂轮机切割很难达到质量要求，甚至在加工的过程中产生形变。如果采用激光加工，则切割口不会有机械应力，没有毛刺出现，精度也可以达到要求。为了排除外界因素的影响，激光技术与PLC技术相结合的数控激光机床被应用于生产各种机械零件。数控机床实现了工件角度的自动调整、自动夹紧、自动切割、自动停止以及松开工件等一系列工序，适应了不同需求的工件生产。激光数控机床不损伤材料表面结构，重复性和精度极高，保证了零件的标准化，数控技术的运用更是降低了人力成本，产品质量明显提高，经济效益明显。

2弯管激光切割的主要问题

2.1 弯管在夹紧过程中的形变问题

汽车的进、排气管管壁一般仅有l.Omm左右，壁厚较薄，极其容易发生形变，对工件的夹紧机构提出了较高的要求。首先夹紧机构必须保证定位准确，不能出现工件的位移;其次，夹紧力的大小必须要可靠，既要保证位置不变，还要保证管件不发生严重形变;最后夹紧机构要有一定的白锁能力，不仅要能承受外力不移动，外力突然消失时也不能发生位移。

2.2切割线的控制问题

激光切割一般激光头是固定的，要想让弯管切割按照工艺要求进行，就必须要通过夹具的旋转来实现切割线和激光头在同一平面。这一点是较困难的，首先，必须进行比较复杂的数学运算来绘制夹具的运转轨线，其次要通過PLC技术控制电机的运转带动夹具运转，最后我们需要加工的弯管常常是不同规格、不同角度的弯头，切割线的控制难度更大。

2.3工件的控制问题

工件定位角度、调整角度以及旋转角度的控制，激光切割和松开工件的自动化控制如何控制，是保证激光加工自动化最核心的难题。要解决这一问题，需要我们详细分析研究工艺的过程，熟悉激光设备的结构原理以及各个关键参数，掌握PLC编程控制方法，能够准确根据工艺需求输入控制信息。

3弯管切割的优化设计

3.1 夹紧设计要点

不锈钢弯管管壁厚约1—0.8mm，采用普通加紧装置，容易造成因夹紧力过大而引起的变形，或因夹紧力过小而导致的工件在加工过程中位置变化，采用三爪气缸进行夹紧，三爪能实现弯管安装的自定心.并且能够实现自动夹紧、自动松开动作;气动可以预设夹紧力，保证工作的夹紧并防止变形;同时三爪气缸结构紧凑，并且重复装夹地精度较高。

为保证加紧安全可靠，夹紧部分不能过短，在保证夹爪不与弯管干涉的情况下，夹紧长度一般不小于30mm，为保证弯管加紧表面的精度，在夹爪的夹持部分可以装有夹持垫来防护排气管的表面不被破坏。

3.2电机的科学管控

单电机的科学管控涉及到的PLC技术，需要具备PDRVA、PLSV以及DRVI功能。其中PLSV功能是随着时间改变速度也相应改变的变速运行命令，对于定位工作无法完成，但是它仍然是一种十分灵活的管控命令。DRVI与PLSV不同，主要是完成定位任务，方位确定后，电机将会暂停等待下个命令。在实际的运行过程中，常常是以PLSV技术为主，PDRVA、DRVI命令为辅，这样可以保证电机获得的命令明确，设备运行稳定。在设计PLC系统时需要准确把握不同命令形式的功能划分，对电机进行科学管控。首先，需要保证程序运行合理。对起绕点进行合理的定位，保证按下按钮后电机能够按照设定好的程序快速运行、往返运行、缓慢暂停或者是快速停止。然后应该做好PLC的调控。对于运行有关的速度设置、定位有关的起止点设置，要与伺服电机的单圈脉冲数进行紧密融合。对于双电机的管控较为复杂，研究的重点是两组电机的运行情况和速度的匹配问题，并进行精准定位。

3.3随动机构设置

为了确定激光平面与工作面在同一位置，需要将切割头的高度进行调整，激光头位置决定了缝隙的大小以及切割质量的好坏。这就要求我们需要将随动机构进行合理化的设置，保证切割精度和随动速度的要求，误差应控制在±O.Olmm，随动速度应该在5 m/min，一般不能过快或者过慢。

3.4运动机构优化

评价数控切割机的好坏主要看运动机构设计是否合理，负载惯量比值是否在最优区间内。一般通用的电机负载惯量比值在1：10。但是在实际的生产设计中，为了使电机运行在最佳状态，可将负载惯量控制在1：3左右。

3.5激光切割机的优化分析技巧

激光切割机的设计通常会采用两种方法进行设计和优化，或者两种设计优化方法结合使用。一是经验分析法，结合过去的加工经验以及国内外的相关产品加工经验，进行优化设计。也可以结合一些生产单位提供的设计思路，比如山东鹏沃激光科技有限公司提出设计方案较为可取。二是实践反思法，积极的与学校教师和相关企业技术员沟通，进行理论研究，理论研究进行到一定阶段后做出实物进行实践，根據实物实践过程中出现的问题，思考解决办法，不断提高和改善。在整个设计工作中，我们可以按照设计方案、可行性分析、图纸设计、样机制作、试运行以及调整验收的思路运行，最终得到满意的产品。

3弯管的激光加工设计

以弯管激光加工为例，在初步设计过程中，可供参考的技术路线有如下几种：（1）线切割，工件固定不动，这种方案速度慢，耗时较长。（2）通过设计多种不同角度、不同尺寸的装置进行立式激光机切割，这种加工方式不适合汽车弯管这种大规模生产的部件。（3）用卧式激光机切割，工件通过夹紧装置夹紧后，激光头进行运动，改变激光头的运行轨迹来切割工件。这种加工方式常常会导致价值昂贵的激光部件损坏，设备维修成本极高，工件质量也很不稳定。（4）通过旋转夹紧装置来实现激光头和工件的相对运动，这种方式采用的是立式激光切割机进行操作，特别适合于汽车弯管这种工件量大，效率较高的产品，这种思路较为实用。为了实现这种思路，进行可行性分析。这种方式是由激光切割机、工件回转和夹紧装置构成的。这种结构的特点是激光头固定，工件回转。要想实现工件回转调整，就必须有两台伺服电机，一台实现工件的进退，另一台控制工件旋转。其加工过程如下：首先是角度的调整，先用伺服电机将角度调整至工艺要求范围。随后夹紧工件，夹紧装置收到信号后自动将工件夹紧，夹紧力不可过大或过小。然后启动工件回转装置，按照工艺要求和激光脉冲数的匹配要求进行工件的回转，使管件绕轴线回转运动，与此同时，激光切割机启动，完成管件切割。

4结语

弯管的激光加工适用于多种直径和尺寸的弯管，一方面克服了传统切割质量不稳定、耗时时间长的缺点，另一方面，通过PLC技术实现了自动、半自动控制，从而实现了自动化生产流程。降低了操作成本、劳动强度，提高了资源利用率，极大地改善了生产环境。与此同时，也应该看到我国的激光加工技术还未达到世界先进水平，机床的稳定性、光束性能等都还有很大差距，也没有将人机关系考虑在内。我们还要认清差距，在此方向上不断努力，进行深入的研究，提高创新能力，促使我国的数控激光技术做大做强，提高我国产品的国际竞争力。

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