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，管材展會匯聚所有關注管材及管材加工設備行業的專業人士，展示管材制造完整產業鏈相關產品、技術及服務。

中國鋸業及激光切割技術展覽會（Saw and Laser Cutting China）將與Tube China管材展同期舉辦，在以往鋸切產品的基礎上，加入了激光切割相關的設備與技術解決方案，進一步完善管材加工的上下游產業鏈。

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今天的制造工廠面臨著降低成本、提高質量和優化產量的巨大壓力。 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準抗衡，而且管材輪廓形狀、尺寸、零件復雜性、孔幾何形狀、特殊切割和更嚴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量和效率。 為了確保最高精度，工廠需要考慮一些事項。

原料

許多被廣泛認可的組織制定了標準來指定金屬的材料、化學、機械和冶金性能。這些機構包括鋁業協會 (AA)、美國鋼鐵創始人協會 (ACI)、美國鋼鐵協會 (AISI)、SAE 航空航天材料規范 (AMS)、美國機械工程師協會 (ASME)、ASTM 國際 (ASTM)、美國焊接協會 (AWS)、聯邦規范 (QQ)、軍用規范編號 (MIL-S) 和汽車工程師協會 (SAE)。相關標準適用于普通金屬合金的全稱。然而，在激光管材切割方面，僅僅因為管材符合這些標準并不意味著它們始終是最佳選擇。

密歇根州諾維 BLM Group USA 北美激光產品經理 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 標準，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 個半徑的尺寸將保持一致，而其中一個半徑將因焊接側而有很大不同。”

原材料將在成品零件的整體精度中發揮重要作用。這是基于符合適當標準的部分，但還有一些其他問題需要解決。

使用激光切割時，材料厚度很重要。例如，當切割 2 英寸、0.120 英寸的壁或 11 ga 的材料時，可能會碰到比規定更厚的管子部分，機器必須能夠對此進行補償。

伊利諾伊州埃爾金市 Mazak Optics Corp. 應用工程師 Tyler Van Wyhe 說：“準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更好的零件。獲得優質零件的第一步是使用優質的管材。根據所需的精度和公差，可能值得調查在哪里購買材料最好。”

隨著整個制造業的供應鏈問題不斷涌現，獲得高質量的管材可能是一項挑戰。但重要的是要注意，并非所有的管磨機產出都是相同的，找到滿足公差要求的管磨機可能需要在傳統選項之外進行進一步的討論和詢問。

來自康涅狄格州法明頓 通快公司（TRUMPF） 的 TruLaser Tube激光切割機產品經理 Adi Buerkler 說：“歐洲和北美的管材廠之間有一個重要的區別。當我與歐洲同行交談時，就我們在歐洲看到的管子質量而言，北美工廠管材的質量還可以。在我看來，它們的扭曲較少，這是制造商必須應對的最大因素或挑戰之一。當與工廠交談時，請確保您要求提供能負擔得起的最佳質量的產品。在，A、B 或 C 等級產品中，我通常推薦 B 級，但如果你有能力花更多的錢，A 級是最好的。”

物料搬運和加工

雖然任何生產過程都需要適當的材料處理和儲存，但它在管材加工操作中起著重要作用。

“材料存儲是商店考慮的一個重要因素，”Buerkler 說。 “如果沒有適當的處理和儲存，就有可能發生變形。我們始終推薦使用管式存儲系統。它不僅有助于確保原材料的質量，而且可以與管式激光機搭配使用，以緩解任何材料處理問題。”

除了存儲和原材料處理之外，還需要解決機器裝卸問題。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挑選和支撐。

“這個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支撐管材，同時裝載和加工，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角線上旋轉，找到一臺可以解決任何支撐問題的機器都是一個很好的起點。有些機器具有通用支架，可以垂直和橫向處理管材，這樣您就可以在零件中產生最佳公差。”通用支撐適用于封閉截面，但隨截面上下移動的滾輪最適用于角形或槽形等開放型材。”

當涉及到處理時，管材長度會發揮作用。 尤其是使用超過 4 英尺長管時，制造商更容易遇到彎曲和扭曲的情況。

“對于長管，重要的是要找到一臺可以處理整個零件長度的機器，”Van Wyhe 說。 “例如，具有四卡盤設計的機器非常適合加工 I 型或 H 型鋼、C 型鋼、角鋼和高速鋼等結構材料。 保持對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。 在雙卡盤系統中，背面沒有卡盤會使處理不準確的問題更具挑戰性。”

測量

根據管材的直徑和壁厚以及在加工過程中它在整個機器中的支撐程度，仍然可能會增加材料的下垂、折曲和彎曲。這無疑會擴大管材的現有公差范圍，使其處于不利的極限。

當今的許多激光切管機都在切割過程中內置了補償循環，以幫助確保位置和尺寸精度，特別是對于具有需要嚴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。

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

Van Wyhe 補充說，接觸式探頭和激光傳感器等機器選項有助于糾正材料問題。傳感器可以找到材料的當前位置和方向，并使用該數據來改變程序或將材料轉向正確。

相機和視覺系統。雖然探測是激光管切割系統最常見的測量形式，但相機和視覺系統提供了另一種數據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，它可以在切割點進行掃描，”Adelman 說。 “系統可以在 0.6 秒內確定管子該區域的彎曲量和扭曲量。然后機器使用這些信息來補償并將孔放置在管的中心，因為我們已經捕獲了一個 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，而且比傳統探測具有更高的精度，因為在補償過程中管材可以保持靜止。”

軟件。當大多數程序員開始在 CAM 軟件中對零件進行編程時，他們不一定需要知道他們收到的材料的狀態或質量。他們知道的一件事就是零件的公差。

Adelman給出了一個客戶案例，該客戶有一個 12 英尺長的管件，該管件帶有許多排水孔以及三個相距 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 系統中，程序員可以選擇這三個具有高公差水平的針孔，并且可以將它們設置為高精度，”他說。“操作員只需在機器中打開補償，它不會花任何時間檢查排水孔。然而，一旦機器到達那個針孔，就在它切割針孔之前，它會識別出它是一個高精度的孔。然后它將對其進行掃描和補償，確保高精度孔是正確的。能夠區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以及如何使用補償系統。”

機器特性

當今的激光切管機具有許多功能，是否需要某個功能本質上是基于應用程序的。但是制造商在購買之前應該評估機器本身的一些常見考慮因素。

例如，如前所述，關于長管，卡盤設計對整體質量很重要。

“制造商可能還需要考慮進料/直通卡盤的設計，該卡盤允許在整個夾持范圍內加工管材，而無需更換任何卡爪，”Buerkler 說。 “這種獨特的夾緊方法通過機械連接鉗口自動將管定心，無需任何單獨的鉗口校準。了解夾緊方法將有助于確定機器是否適合車間的需求。”

有多種選擇，例如氣動和液壓鉗口，因此更好地了解夾緊機制的工作原理是一個很好的起點。

平板制造商可能不了解焊縫對激光切割的影響程度。該零件特征的表面較厚，需要激光切割機進行補償。而且，肉眼檢測焊縫并不總是那么容易。管子上經常有油，有標記，或者有一點點銹跡，很難找到接縫。

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

來源：Canadian Fabricating & Welding