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              首頁 ? 激光應用? 行業應用

              高速激光切割激光落料系統使“無模具”的批量生產變為現實

              由于對高強度鋼和鋁材應用的持續提升,汽車部件的輕量化領域已經取得了顯著的進步。然而,輕質零部件的大部分成本是原材料——特別是對于沖壓落料的零件而言更是如此,由于在板件或卷材的切割過程中會產生廢料,從而浪費大量的材料。此外,對于沖壓落料工藝來說,每個部件都需要一款模具,因此,模具制造、模具更換和模具存儲都是不可避免的。

              最大限度地減少浪費以及降低與模具相關的成本不僅能夠削減部件成本,同時還減少了材料生產過程中產生的能源和二氧化碳——這對于使用大量材料的汽車行業而言是面臨的一個不小挑戰。鑒于此,本田(Honda)的解決方案是開發了一款用于批量生產的無模(die-less)智能激光落料系統(ILBS)。

              智能激光落料系統的目標

              用模具進行沖壓落料是一種被廣泛用于汽車行業大批量生產的工藝。與其高生產率相反的是,使用模具的缺點是帶來的昂貴制造成本和對長期存儲空間的需求。此外,由于最小曲率引發的刀刃設計的限制,落料部件的材料回收率不是最佳的。

              通過在汽車鈑金生產中應用激光落料技術,便不再需要用到模具,并且可以避免沖壓硬化,從而帶來更高的設計自由度、更低的成本和更高的可成形性,這些都是激光落料超越常規沖壓落料工藝的優點。然而,激光落料主要用于小批量的原型設計,因為與沖壓落料相比,其工藝速度極其緩慢。


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              圖2. 高速激光切割頭的重量比傳統激光頭減少三分之一,但光學性能保持不變。

               因而,提高激光落料的加工速度對于最大化其優于沖壓落料的優勢至關重要。本田利用ILBS進行批量生產,主要開發出三種關鍵技術:高速激光切割、高加速的H型龍門架系統,以及連續進料的輸送系統(圖1)。

                高速激光切割

                激光切割涉及通過施加熱能來熔化金屬板材,并通過施加氣體來除去熔融金屬。因此,通過增加熱能密度和優化輔助氣體條件來提高切割速度是非常重要的舉措。本田使用了光斑直徑為50μm的5kW光纖激光器來提高熱能密度。對于輔助氣體,主要使用氮氣來代替壓縮空氣,以避免在切割表面產生氧化現象,從而能獲得更好的質量。

                首先,本田展示了使用具有優化的輔助氣體條件和間隙(噴嘴頭到工件距離)的大功率激光器,可以實現120m/min(板件厚度:0.6mm)的切割速度。間隙是激光切割的一個重要參數,因為這將對激光焦點和輔助氣體流速產生直接的影響。當我們說“可能切割”時,這意味著該間隙在批量生產過程中有足夠的公差來抵抗干擾。

                在實際切割中,由于激光頭振動和鈑金波紋引起的間隙變化會導致激光焦點的散焦,由此產生切割問題。與使用相同光學性能的傳統激光頭相比,本田使用了一款重量比傳統激光頭減少三分之一,但光學性能相同的輕型激光加工頭,從而降低了機架上的慣性力,以避免加速過程中的機器振動(圖2)。

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              圖2. 高速激光切割頭的重量比傳統激光頭減少三分之一,但光學性能保持不變。

              鈑金波紋是間隙的重要因素。如同傳統的系統一樣,激光頭尖端的電容式位移傳感器不斷地測量鈑金件之間的距離,然后將其反饋到激光頭的z軸電機以穩定其間隙。本田改進了測量頻率和處理速度,以契合ILBS的切割速度,這比傳統系統要快得多。

                通過提高熱能密度,穩定間隙和優化輔助氣體條件,本田在大規模生產環境中實現了比常規激光切割系統快出3倍的切割速度。

                高加速H型龍門架系統

                激光頭需要在2D平面中自由移動以切割出方形、弓形和復雜形狀的坯料。隨著激光頭的軌線確定了尺寸精度,位置的重復性以及運動的精度變得愈發重要。

                當切割復雜的形狀時,加工時間顯著增加,因為激光頭需要沿著各種曲線移動,其中包括加速度。因此,激光頭需要高加速、高精度的驅動系統。

                通常,對于工業機器人來說,由于加速度不夠高,因此得到保證的是位置的重復性,而不是其軌線。當使用線性電機驅動系統來提高每個軸的精度和加速度時,需要巨大的驅動力,從而導致連續運行時電機的高功耗和過熱。根據運動定律,a=F/M(其中a=加速度,F=力和M=質量),減輕重量是改善加速度的最佳方式。

                H型龍門架由四臺固定式伺服電機和傳動皮帶組成。通過控制左右伺服電機的旋轉,傳動皮帶使激光頭沿著x軸和y軸方向移動。這是一個獨特的驅動系統,在驅動部件上沒有作動器,從而實現了輕量化的設計。

                此外,通過使用輕質,高剛性的碳纖維增強塑料(CFRP)來減輕框架的重量和變形,與傳統鋼架3G的加速度相比,本田實現了10G的加速度。同時,通過使用帶碳纖維芯的聚氨酯傳動帶,由此獲得的延伸率幫助減少了50%的精度問題。

                通過優化影響H型龍門架剛度的關鍵要素,本田實現了高加速度,并且提高了軌跡精度。

                連續進料的輸送系統

                在常規的沖壓落料工藝中,將材料送入壓機中并且以一定的長度中止進料,而板件獲得落料,重復該步驟直到全部的卷材被壓平和排出。這意味著在進料過程中,模具不起作用。借助智能激光落料系統,本田通過連續進料輸送系統來提高生產線的效率,從而消除了這一停機時間。

                為了建立連續的激光切割過程,確保激光頭下方的空間并穩定進料是關鍵問題。一般來說,激光切割下方位置的鋸齒支架能夠在切割過程中保持板件的平整。鋸齒支架的問題是鋸齒本身同時被切割,因而在高速切割期間會由于熔融金屬排出造成的堵塞而發生切割失效。

                因此,本田開發了可以保護激光頭下方空間的傳送系統。一個飛濺箱被放置在激光頭下面,與激光頭的y軸運動保持同步,從而使其可以自始至終安全地收集飛濺物。這種使用了CFRP的獨特傳送系統旨在減輕重量并增加與高加速H型龍門架系統保持同步的剛度。

                基于這種同步系統,本田可以在2×2m的工藝區內切割長度大于3m的側面板(SPO)等大型零件,以及后內板等小型部件。

                飛濺物收集器和自動清洗系統

                ILBS在一天內能夠切割10-20噸的卷材,從而使每天要收集數十公斤的飛濺物受到關注。在傳統的激光切割工藝中,煙霧收集器僅用于收集微小的飛濺物。相較之下,ILBS使用飛濺箱來收集和防止飛濺物飛散,飛濺箱與一款設計用于收集不同尺寸的飛濺物的煙霧收集器進行連接。

                本田通過減少過濾器的堵塞來提高飛濺物的收集效率并保持吸力,這通常需要定期維護。他們還通過使用自動清潔系統來最大限度地減少對生產率的影響,自動清潔系統在卷材更換期間對過濾器進行清潔處理。

                ILBS的實施結果

                自2015年10月以來,本田已經使用ILBS(這是汽車行業首款無模落料線)(圖3),對例如SPO和覆蓋件等在內的許多部件進行了落料加工。當前模型的模具依然存在,因為在實施智能激光落料系統之前已經開始生產,但是從現在開始的模型無須再使用模具,因此不需要存儲空間或周轉設備。之前型號的模具必須在零件生產結束后存儲10年——然而使用了ILBS,所需的數據幾乎可以永久保存。

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              圖3 顯示了使用無模的落料生產線揀選廢料。

                通常,坯料被設計成具有一定的余量,以應對沖壓成形過程中落料設置可能發生的校準不當的問題。此外,通過重寫程序,可以即刻借助落料設計的優化來解決諸如裂紋等沖壓成形問題。 其他優點,如沖壓成形性的提高和沖壓負荷的降低,推動將高強度鋼的沖壓落料工藝替換為智能激光落料系統的進程。


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                結語

                通過開發ILBS,本田徹底革新了汽車行業的制造過程(圖4)。并且,公司希望與用戶攜手合作,不斷改進ILBS,以幫助消除全球各國落料線上的模具使用。


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