侧围外板试制三维激光切割工艺优化研究

程远涛，贾盛宇，李轶靓，任建新，邹喜涛

侧围外板试制三维激光切割工艺优化研究

程远涛，贾盛宇，李轶靓，任建新，邹喜涛

（华晨汽车工程研究院试制控制处，辽宁 沈阳 110141）

针对汽车侧围外板试制三维激光切割精度差、过烧切边、切缝过宽、切割碰撞等问题，提出激光切割工艺工序、切割程序及切割参数的工艺优化研究。通过工艺工序优化，解决了因回弹、变形造成激光切割精度差的问题；通过切割程序优化，添加工艺点，调整激光入射方向，避免了切割头在制件转角位置发生碰撞；通过试验分析了切割参数对切割质量的影响，验证了切割参数的可行性。

侧围外板；三维激光切割；工艺优化

1 前言

汽车新车型研发中，为了节约成本，缩短生产周期，车身覆盖件试制阶段目前普遍采用试制模具完成拉延、整形等工序，采用三维五轴激光切割机替代传统模具中修边、冲孔等工序[1]。侧围外板是汽车覆盖件中典型的冷冲压薄板件，具有结构尺寸大，形面复杂，表面质量要求高等特点。侧围外板试制中存在激光切割精度差、过烧切边、切割碰撞等问题。本文针对某款SUV车型侧围外板试制激光切割工艺进行优化研究，确保了激光切割的加工质量，提高了制件质量，保证了白车身焊接质量。本文对汽车覆盖件的激光切割工艺提高具有一定的工程实践意义。

2 侧围激光切割工艺优化

2.1 工艺工序优化

侧围外板结构尺寸大，形面复杂，材料为超深冲用冷轧低碳钢DC06，厚度为0.7 mm，屈服强度为100-180 MPa，抗拉强度不小于250 MPa，r值不小于2.0，n值不小于0.22[2]。侧围外板制作工序复杂，冲压工艺要求高，A面要求光滑平顺，不允许出现滑移线等。根据经验，试制分为以下几个工序：①激光切割落料；②OP10拉延；③激光切割粗加工，修边余量10mm；④OP20翻边整形；⑤OP30顶盖前半部分侧向整形；⑥OP40顶盖后半部分及尾门搭接部分侧向整形；⑦激光切割精加工；⑧钣金修整激光切割无法加工的位置及各尖角。

图1 侧围外板试制工序示意图

上述侧围外板试制工序中存在以下问题：

（1）OP20整形后，尾灯部分的修边线进入了一个较狭小的空间，激光切割头无法进入对其精加工；

（2）OP40顶盖后半部分及尾门搭接部分侧向整形后，一方面因回弹、形变，导致激光切割精度难以保证；另一方面，由于激光切割机以定位支架为定位基准，因产品自身结构，会出现激光切割机无法加工的负角。

图2 侧围尾灯、尾门及顶盖搭接部分

经过多次验证，对激光切割的工艺工序进行优化，如下：

（1）在第一次粗加工时，单独对尾灯部分进行精切处理，从而使尾灯造型部分在OP20翻边整形时直接整形到位；

（2）在OP20翻边整形后，对尾门搭接部分进行精切处理，经过OP40侧整到位，解决了尾门搭接部分因回弹、变形造成激光切割精度差的问题，避免了激光切割机无法加工的负角问题。

图3 侧围尾灯、尾门搭接部分精切线

优化后的工序为：①落料；②OP10拉延；③激光切割粗加工，修边余量10mm，其中单独对尾灯部分进行精切处理；④OP20翻边整形；⑤对尾门搭接部分进行精切处理；⑥OP30顶盖前半部分侧整形；⑦OP40顶盖后半部分及尾门搭接部分侧整形；⑧激光切割精加工；⑨钣金修整尖角位置。

上述优化不仅提高了产品的质量，而且还极大减少了钣金修整的工作量，节约了人力成本，缩短了生产周期。

2.2 切割程序优化

侧围外板几何尺寸较大，空间曲面复杂，形面角度变化较急剧，若激光束完全垂直于切割表面，会导致切割头在制件转角位置经常发生碰撞。并且，在形面角度变化较急剧处经常会出现法线密集现象，致使制件此处激光能量积累，发生过烧现象[3]。

针对以上问题，就需要在编程时对拐角处手动添加工艺点，调整激光入射方向，使其偏离切割面的法线方向，避免干涉，但要保证入射角小于20度，并在此处调整切割功率、减小切割速度[4]，使其仍能达到良好的切割质量。

2.3 切割参数优化

2.3.1 切割参数的选定

由于切割速度、切割功率及切割频率等切割参数对切割质量影响较大。所以，本文通过试验的方式验证切割速度、切割功率、切割频率对拐角周围切割质量的影响，以达到良好的切割质量要求。

2.3.2 切割标准的选定

切割过程中主要存在的缺陷有：未切断、切缝过宽、过烧等，本文通过单因素试验方法，每种参数选取7个水平因子，获得切割样件，并对其进行质量评价。

3 激光切割试验方案

3.1 试验设备

本设备为日本NTC公司生产的三维五轴激光切割机，最大功率为2000W，最大切割尺寸：长度4300mm，宽度1900mm，高度800mm。激光束照射范围：水平方向360度，垂直方向±90度。定位精度±0.04mm以内/300mm。

图4 NTC三维五轴激光切割机

3.2 试验因素及试验方法

表1 试验参数

试验采用单因素法，每种因素有A、B、C、D、E、F七组数据，具体试验参数如上表。

3.3 具体试验实施

3.3.1 切割速度对切割质量的影响

初选切割功率150W、切割频率100Hz。试验七组切割速度对切割质量的影响，其切割效果图如下：

图5 切割速度对切割质量影响效果图

从上图可以看出，当切割速度小于等于500mm/min时，随着切割速度降低，拐角周围切割质量变差，切割速度为100mm/min时，出现切缝变宽现象。当切割速度大于500mm/min时，随着切割速度增加，拐角周围切割质量变差，切割速度达到750mm/min时，出现变色且板料底层未切断现象。

3.3.2 切割功率对切割质量的影响

根据上述试验选定切割速度500mm/min，初选切割频率100Hz。试验七组切割功率对拐角周围切割质量的影响，其切割效果图如下：

图6 切割功率切割质量影响效果图

从上图可以看出，当切割功率小于等于150W时，随着切割功率降低，拐角周围切割质量变差，其中切割功率为50W时，出现变色严重未切断现象。当切割功率大于150W时，随着切割功率增加，切缝变宽，切割功率达到200W时，出现过烧现象。

3.3.3 切割频率对切割质量的影响

根据上述试验选定切割速度500mm/min，切割功率150W。试验七组切割频率对拐角周围切割质量的影响，其切割效果图如下：

图7 切割频率对切割质量影响效果图

从上图可以看出，当切割频率小于等于100Hz时，随着切割频率降低，拐角周围切割质量变差，切割频率为50Hz时，切缝变宽。切割频率为25Hz时，出现变色且间断性未切断现象。当切割频率大于100Hz时，随着切割速度增加，切缝越来越窄，并且有局部为切断现象。

3.4 试验结果评定

根据3.3具体试验结果，当切割频率一定时，切割速度过小、切割功率过大，拐角周围会出现切缝变宽、过烧现象，这是因为材料吸收的能量积累导致的；当切割速度过大、切割功率过小，拐角处会出现未切断现象，这是因为实际输入工件材料的激光能量减少导致。

当切割速度、功率一定时，频率越小，则每个激光输出的能量就越大，导致周围变色且间断性未切断现象。反之，切割频率越大，则每个激光输出的能量就越小，导致周围切缝越来越窄，并且有局部为切断现象。

图8 侧围外板试制实物检测

通过以上试验，拐角处无干涉且角度变化较小时，选定切割速度500mm/min、功率150W、频率100Hz。在形面角度变化较急剧处，应适当降低切割功率、减小切割速度、优化切割程序等措施提高切割质量。同时，为提高切割效率，较平缓处应提高切割速度、功率及频率，控制切割速度范围为2000~2500mm/min、切割功率范围为360~500W、切割频率范围为1500~1800Hz。最终得到合格的侧围外板如图8所示。

4 结论

本文通过对工艺工序的优化，解决了尾门搭接部分因回弹、变形造成激光切割精度差的问题，避免了激光切割机无法加工的负角问题。不仅提高了产品的质量，而且减少了钣金修整量，节约了成本，缩短了生产周期。通过对切割程序的优化，避免了激光能量在形面角度变化较急剧处积累，发生过烧现象。通过对工艺参数的优化，验证了切割参数的选择，得到最终合格的侧围外板。

[1] 姚克甫,龚运息.汽车覆盖件激光切割技术的应用实践与研究[J].科技与企业,2015(14):200-202.

[2] 齐欢,邹喜涛,李轶靓等.侧围外板试制冲压工艺及模具设计[J].汽车工艺与材料,2018,360(12):30-34.

[3] 陈根余,黄丰杰,刘旭飞等.三维激光切割技术在车身覆盖件制造中的应用与研究[J].激光杂志,2008(03).

[4] 梅丽芳,陈根余,刘旭飞等.车身覆盖件的三维激光切割工艺[J].中国激光,2009,36(12).

Research on Optimization of Three-dimensional Laser Cutting Process forTrial-producing of Automobile Side Panel

Cheng Yuantao, Jia Shengyu, Li Yiliang, Ren Jianxin, Zou Xitao

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

In order to solve the problems of poorthree-dimensional laser cutting accuracy, overfiring cutting edge, wide cutting seam and cutting collision in the trial-producing of automobile side panels, the process optimization research of laser cutting process, cutting program and cutting parameters are put forward. The problem of poor laser cutting accuracy caused by springback or deformation is solved by the optimization of the process.By optimizing the cutting program, adding the process points and adjusting the incident direction of the laser, the collision of the cutting head in the corner position of the parts is avoided.The influence of cutting parameters on the cutting quality is analyzed by experiments, and the feasibility of cutting parameters is verified.

Automobile side panel; Three-dimensional laser cutting; Process optimization

A

1671-7988(2019)21-133-03

U466

A

1671-7988(2019)21-133-03

程远涛，男，硕士，工程师，就职于华晨汽车工程研究院，研究方向为车身覆盖件冲压工艺及激光切割工艺研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.047

CLC NO.:U466