激光加工具有加工精度高、表面質量好、加工噪聲低、設備振動小等優勢。但激光切割也存在加工速度慢、材料利用率低、綜合加工費用高等劣勢。

       激光切割機采用非接觸式加工原理，與普通的多工位沖床加工相比，不需要專用模具，所以其加工范圍和條件受限制少，按產品設計要求可以隨意切割復雜的形狀，適合單件試制和小批量生產，能快速滿足客戶對產品個性化的追求。在厚板加工上，激光切割加工優勢更加明顯，可切割厚度超過20mm以上的鋼板，一般多工位沖床只能加工3～8mm板厚的產品。由于激光切割機采用移動激光切割頭加工板材，切割來回行走行程長；與多工位沖床相比，加工速度上要慢、總加工時間長、效率較低、輔助氣體用量大，所以激光切割加工綜合成本相比沖床加工高很多。如何縮短激光切割時間，提升激光切割加工效率，這是眾多生產企業都比較關心的課題。

       提高激光切割機的效率和經濟效益，主要是縮短激光切割時間，提高板材的利用率，不僅需要研究激光切割最短空行程，還要研究打孔耗時、切割停頓和套料共邊等問題。

分析

切割時間

       激光切割路徑可以劃分成兩部分，包含了用于去除或分離材料的切割路徑和工序空程路徑，其中切割路徑是有效工作路徑，所消耗的時間是有效切割時間，而空行程是無效路徑，消耗的時間是無效工作時間。

       對于1臺數控激光切割機，當使用最大功率加工部件時，在保證質量的前提下，其有效切割速度是一定的，要想提高切割效率，縮短無效切割時間，減少切割路徑長度是主要的途徑。另外，適當調整切割過程工藝參數，選用不同的穿孔方法，也可相應節約切割加工消耗的時間停頓。以打孔為例，如外光路調整、聚集光束、垂直度調整等屬于工藝調節停頓。

材料利用率

       板材激光切割加工后分成兩部分，包含了零件和余料，其中按設計圖紙切割下來的工件是真正有用的零件，余料都是不規則的狀態，通常是作為廢料處理。所以激光切割材料有效利用率=有用零件面積/板材總面積×100%，要提高板材利用率，就必須減少激光切割后的余料。現在激光切割設備一般可利用計算機優化套排功能，將多個不同形狀的零件套排在一張板上，減少各個零件的切割間距和搭邊距離是材料節約的主要途徑。當然，也可根據工件大小選用較小尺寸規格的原料板材，或者按零件實際尺寸直接做成非標定尺寸板材，來提高板材的實際利用率。

圖1 共邊切割案列

解決方案

       利用激光切割機的離線編程軟件，對在板材上套料和工藝設定做優化，以提高板材利用率和切割效率，主要采取以下幾點措施。

套料時采用借邊、共邊

       規則外形零件在套料時采用借邊、共邊套料。在共邊切割（圖1）時，兩個零件其中有一條邊是公共邊，所以切割路徑會大幅度縮短，從而減少了切割時間。一張板上不能將所有零件都做共邊，一般建議2～4個零件之間作為一組做共邊。不然所有零件都共邊在一起，會造成零件在工作臺上不穩定，由于切割完后的零件會翹起，在加工完的產品零件邊上加工別的部件，會干涉、損壞切割頭。為提高最終零件的外形尺寸精度。其實共邊切割時，可采用橋接方法即在套料時零件和零件之間要有間距做精密微連接（圖2），距離為激光光斑的直徑。

圖2 微連接

       據統計，采用共邊切割案例，實際切割路徑能縮短30%，材料利用率提高8%左右。

減少切割頭抬起動作

       通常機床在切割完一個輪廓后會抬起到一定高度，然后移動到下一個輪廓的切割位置做刺穿和切割。其目的在于防止切割頭在從當前輪廓移動到下一個切割輪廓時，與被切割件相撞。但是一旦對切割頭的切割路徑做優化，或采用微連接處理輪廓，則可去除切割頭的抬起動作，提高機床的切割效率。

圖3 切割頭抬起動作優化前后對比圖（虛線為切割頭運動路徑）

       如圖3a所示為切割頭的抬起動作，如圖3b所示為在編程軟件中做優化和設定后切割頭不抬起，直接移到下一個輪廓的切割位置進行切割。

       注意，使用上述優化手段后，必須注意切割頭的運動軌跡，也就是說切割頭不能從已經切割完畢的輪廓上方走過，如圖3所示。

       如圖4所示，零件1割完后，切割頭直接沿著紅線移到零件2位置做切割，應該避免下面這種情況，如果零件1未采用微連接的話，零件容易翹起來，當切割頭從上方走過時，零件會和切割頭發生碰撞。

       解決方案：⑴零件1使用微連接，使零件1在割完后不會翹起來；⑵修改導入線位置；⑶如圖5所示，零件1割完后，切割頭不會從零件1上方直接越過。

圖5 優化之后的激光頭切割路徑

優化切割路徑起點打孔的工藝處理

       激光切割孔前，先要在板材上打孔，材料經連續激光的照射后在中心形成一個凹坑，然后由與激光束同軸的工作氣流將熔融材料去除形成一個孔。此孔類似于線切割的穿線孔，激光束以此孔為加工啟始點進行輪廓切割。通常情況下，飛行光路激光束的走線方向和被加工零件切割輪廓的切線方向垂直。影響激光打孔質量的因素有很多，應該要根據打孔的原理和特點，而且必須對打孔的參數進行分析和了解，以優化加工工藝，對不同零件輪廓使用不同的刺穿工藝和加工工藝。激光切割機的刺穿方式主要為以下三種：

       ⑴不刺穿（適用于1mm以下的薄板）。

       ⑵普通刺穿即脈沖方式刺穿，采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化。每個脈沖光只產生小的微粒噴射，逐步深入，因此厚板穿孔時間需要幾秒鐘。優點是刺穿孔質量高，保證切割質量。缺點是耗時長，需要一定的調試經驗，刺穿時間隨板材厚度增加而增加。

       ⑶快速刺穿即爆破穿孔，材料經過連續激光的照射后在中央形成一個凹坑。優點是刺穿時間短。缺點是刺穿孔大，如果位置設置不好會影響輪廓，從而影響切割質量；刺穿時間在1s之內。

       對于厚板切割，尤其是大輪廓切割。例如4mm以上碳鋼板，直徑為10mm以上的孔，可以建議使用快速刺穿取代普通刺穿；但是設置快速刺穿前，要合理地調整輪廓切割的導入線長度（快速刺穿的孔孔徑較大，表面粗糙，需要更長的導入線以修正切割質量）。

       如圖6所示，為普通刺穿和快速刺穿的比較，很明顯快速刺穿的孔要大于普通刺穿，其對輪廓邊緣的影響也大于普通刺穿。

圖6 穿孔方式

優化板材套料，節約板材浪費

       由于工藝需要，零件在套料時往往會預留安全空間，比如零件套料之間的間距或距離板材外圍輪廓的距離。適當減少間距，或采用共邊能起到節約板材的目的。

結束語

       為了說明如何縮短激光切割時間，提高板材利用率，本文提出了采用共邊切割，優化板材套料，減少切割頭抬起動作，合理選用打孔方式。經過實際驗證，綜合運用上述方法，能有效提高工作效率，減少廢料，提高綜合經濟效益。

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