激光切割钢板效率研究*

司立众

（南京工程高等职业学校电子工程系，江苏南京 211135）

激光切割是激光加工中最重要的一项应用技术，它占整个激光加工市场的70%以上，已成为一种竞争力很强的高新技术［1］。与线切割、水切割等其他切割方法相比，激光切割最显著的特点是精度高、速度快、效率高。但若从有效切割时间占总时间的百分比来说，二维激光切割有效切割时间所占的百分率并不高。如配备了NEL－2000A轴快流CO2激光器的SLCM－1225数控激光切割机，对于大多数图形，其有效切割时间约在20% ～50%左右;可见，单从设备利用率来讲，二维数控激光切割机效率的提升还有很大的挖掘空间。

1 二维激光切割时间分解

1.1 二维激光切割一般路径

2010年4 月，江苏南京举行了第六届中国数控机床展览会，会上展出了上海团结普瑞玛、济南捷迈、深圳大族等国内多家知名企业生产的二维数控激光切割机，经现场观察，这些数控激光割机在切割过程中的路径基本是这样的（以上海团结普瑞玛数控激光割机为例）:从起点出发空行程到第一个待切割连续曲线的起刀点（G00或G01割嘴与板面保持一定的距离，Z轴数控M16）→Z轴随动（M10，即采用Z浮结构控制割嘴与板面的距离［2］）→打开机械光闸（M12）→打开电子光闸（M20）→出光打孔延时（M15）→有效切割（完成第一段有效切割路径）→解除Z轴随动（M16）→Z轴抬升（约40 mm）→空行程到第二个待切割连续曲线的起刀点……如此循环往复，这就是二维数控激光切割的一般路径。

1.2 激光切割时间分解

在上述所讲的激光切割路径中包含了用于去除或分离材料的切割路径和空程路径，显然用于去除或分离材料的切割路径是有效路径，它所消耗的时间称为有效切割时间，而空程路径则是无效路径，它所消耗的时间理应归属无效切割时间。当然，除了无效路径所消耗的时间外，切割过程中的停顿、打孔等消耗的时间，也应归结为无效切割时间。如M12指令在执行时，要等待机械光闸打开，才能执行下一个指令，它的执行时间长短取决于控制机械光闸开关的伸缩气缸的充气速率，这种停顿属于指令执行停顿，一般只有几秒钟;再如外光路调整、聚焦光束垂直度调整等［3］，这种停顿属于工艺调节停顿，有时可能只需要几分钟（如同轴度微调），有时可能需要几个小时甚至更长的时间（当然这种较长时间的工艺调节有时也会作为故障进行处理）。

对于一台特定的数控激光切割机，当使用其最大功率切割某一特定材质（如A3板）、特定厚度（如8 mm）的钢板时，在保证切割质量的前提下，其有效切割速度是一定的，即对于一特定的零件，其有效切割时间是一定的。那么要想提高切割效率，缩短无效切割时间便是一条重要的途径。当然，在二维激光切割路径优化研究中，缩短XY二维平面内空程路径的研究成果较多［4－7］，它也是缩短无效切割时间研究的一个重要方向。但在有些情况下，当采用某些特殊工艺处理时，有时增加XY二维平面内的特殊空程路径时反而能缩短无效切割时间［8］。下面本文将通过缩短打孔时间的研究，来阐述另一种能缩短无效切割时间提高切割效率的工艺方法。

2 切割路径起点打孔的工艺处理

2.1 激光器打孔时间

不管是线切割、水切割，还是激光切割，切割路径起刀处打孔是必须的。激光切割可以自行打孔，且速度较快，一般在几秒到几十秒不等。如采用NEL－A系列激光器与SLCM－1225数控机床联机切割8 mm厚的A3板，用占空比30%频率为25 Hz的门脉冲打孔，在激光器出光模式和喷嘴同轴度均较理想的情况下，相对于1 500 W的打孔功率，有效打孔时间约为9～10 s。

在激光切割A3板的过程中，由于工艺的需要，为防止打孔时爆孔影响切割质量，在打孔时需要用较低的氧气压力，而在切割时则采用稍高一点的氧气压力，所以每次打孔前后都需要这样的过程:选择氧气（M55）→开低压（M50）→关低压（M51）→开高压（M52）。在这一过程中，每个命令都是通过继电器驱动气动电磁阀来实现的，每个阀的驱动到位时间约在1～2 s，经测试这一过程合计时间约5～6 s，与有效打孔时间合并得8 mm厚的A3板的总打孔时间约为15 s。若以有效切割时切割速度为1 500 mm/min计算，15 s可以切割出长度为375 mm的割缝。

2.2 常规切割路径

如图1所示，为需要切割加工的机械零件平面图，要求材质为Q235碳钢板，厚度8 mm，精度±0.2 mm，数量200只。

根据机械零件及备料板材的形状和尺寸，可以画出切割加工图，此处仅以加工5个这样的工件为例进行说明。如图2所示，为常规排料法排出的切割加工路径图（为便于观察，部分废料区被放大）。图中1～5处的半圆弧为引割线，在废料上，A点为编程原点，也是切割加工时的起点，从A点空行程到1点，打孔，通过引割线加工第一个零件;第一个工件加工完成后，空行程到2点，打孔，加工第二个工件。如此依次重复空行程、打孔、引割线引入、切割，直至完成所有五个工件的加工。在该程序执行过程中，共有5次打孔，合计打孔耗时75 s，折合切割行程1 875 mm，另有1到2、2到3、3到4、4到5四个空程（图中虚线）。

2.3 切割路径打孔少的工艺处理

由以上分析知，切割路径的起刀点需要打孔，而打孔并不能产生对钢板的有效切割，所以打孔耗时属于一种无效耗时，若能减少打孔次数且不产生更多的其他无效耗时，则就能提高切割效率。能够实现少打孔的切割路径编排方式很多，在此举两例来说明少打孔切割路径的工艺处理方法及其注意事项。

如图3所示，为经过处理的切割加工路径图。图中A点为编程原点，也是切割加工时的起点，从A点空行程到1点，打孔，通过废料区的粗实线的引割线引入，首先切割第一个工件的粗圆弧线，顺着零件轮廓进行切割，直至第一个工件的最后一条虚线的轮廓线。当该虚线的轮廓线切割完成后，切割头并不抬起，而是在虚线轮廓线的尾端上翘进入废料区，顺着粗实线继续上行切割，在第二个工件的同一位置引入切割第二个工件的粗圆弧线，如此循环，直至完成最后一个工件的切割。

与常规切割路径相比，经过工艺处理后的切割路径只有1个打孔，除1点的引割线外，增加了4条无效切割线，去掉了介于5个工件之间的4个空程。经计算，4条无效切割线（与引割线一样，都可称为辅助切割线）合计总长约180 mm，约耗用7.2 s切割时间。实际上，常规切割路径中的4个空程总长大约也是180 mm，按G00指令速度10 m/min计算，约耗用1 s时间，再加上多打4个孔耗时60 s，理论上常规切割要多耗时约54 s。当然，在激光切割中的每一次打孔必含有一次切割头的下降和抬升的过程，即含有2个Z轴行程;而在激光切割过程中，Z轴速度最慢，且每一次Z轴进给与XY平面内的进给转换都需要有减速、停顿、加速的过程，经过多次试验测得SLCM－1225数控激光切割机每次打孔耗在Z轴行程和进给转换停顿的时间约10 s。由此可见，这种减少打孔的切割工艺所节约的时间远不止54 s。

再如图4所示，将第二个工件引割线的起点放在第一个工件的割缝上，同样处理第三、四、五个引割线的起点，这样图4的切割路径基本与图2一致，但在点2、3、4、5处却不需要打孔，这样节约切割的时间约为60 s。不过，这一工艺处理方式在Z轴行程耗时和停顿耗时方面都没有贡献，节约的时间也只有大约60 s。

3 结语

本文将激光切割时间分为有效切割时间与无效切割时间，并从实践上对有效切割时间与无效切割时间进行了合理的界定，提出了在有效切割时间不变的情况下，缩短无效切割时间是提高切割效率的主要努力方向，并指出最短路径方面的研究只解决了无效切割时间缩短的一个方面，而缩短无效切割时间的其他方面研究也会对效率的提高作出一定的贡献。

为了说明在其他方面缩短无效切割时间从而提高切割效率的可行性，本文提出了少打孔切割工艺处理方案。经过实验验证，少打孔切割是一种可行的能够提高切割效率的方法，其切割效率提升的幅度不仅与零件图形的自身特点有关，还与零件图形的排版、切割加工的先后顺序以及辅助切割线的添加方式等有关。本文的图3、图4分别给出了2种不同的少打孔切割工艺路径图，显然图3较图4的效率提升更为显著。当然，并不是所有的图形都能按照图3的方式来处理，而且由于4条辅助切割线的引入，图3还增加了激光器的总能量输出（经过综合经济效益计算，图3的效益还是远好于图4）。所以，要想提高激光切割机切割效率和综合经济效益，不仅要研究最短空程问题，还要研究打孔耗时、切割停顿耗时以及Z轴行程耗时等问题，需要拓展我们的研究范围，为激光切割行业的发展添砖加瓦。

［1］张永强，陈武柱，张旭东，等.激光切割过程火花簇射行为的研究［J］.中国激光，2007，34（s1）:310－313.

［2］缪震华.激光切割机电容式Z浮的研究［D］.武汉:华中科技大学，2005.

［3］司立众.激光切割模切板割缝垂直度问题研究［J］.激光与光电子学进展，2011，48（7）:123－128.

［4］阎启，刘丰.工艺参数对激光切割工艺质量的影响［J］.应用激光，2006，26（3）:151－153.

［5］徐路宁，王霄，张永康.激光切割板材的工艺处理［J］.应用激光，2002，22（6）:533－538.

［6］刘会霞，王霄，周明，等.共边排样件激光切割路径的规划［J］.中国激光，2004，31（10）:1269－1274.

［7］刘会霞，王霄，蔡兰.分层实体制造激光头切割路径的建模与优化［J］.中国激光，2004，31（9）:1137－1142.

［8］司立众.激光切割钢板Z轴全程随动路径研究［J］.制造技术与机床，2011（10）:30－33.