五軸激光加工技術(shù)在模具制造中的優(yōu)勢

  五軸技術(shù)聞名于航空、航天工業(yè)，如葉輪、葉片、結(jié)構(gòu)件銑削等方面的應(yīng)用，五軸聯(lián)動(dòng)經(jīng)過多年的應(yīng)用已成為一種成熟、前沿的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)近年來在特殊項(xiàng)目及產(chǎn)品上也得到了廣泛的應(yīng)用，如五軸激光加工技術(shù)。近幾年激光技術(shù)得到了快速發(fā)展，已成為主流的切割技術(shù)。因其具有較好的切割質(zhì)量與精度，以及無與倫比的加工速度，板材行業(yè)普遍認(rèn)為激光切割在將來極有可能取代沖壓成為主流的鈑金加工技術(shù)�，F(xiàn)在，我們就針對(duì)五軸激光切割技術(shù)在汽車模具制作中的應(yīng)用做一些簡要地介紹。 
        1.激光切割的原理 激光切割的原理是：在激光束能量作用下（在氧助切割機(jī)制下，還要加上噴氧氣與到達(dá)燃點(diǎn)的金屬發(fā)生放熱反應(yīng)放出的熱量），材料表面被迅速（感應(yīng)范圍內(nèi)）加熱到幾千乃至上萬度而熔化或汽化，隨著汽化物逸出和熔融物體被輔助高壓氣體（氧氣或氮?dú)獾龋┐底�，切縫產(chǎn)生。 在切割實(shí)際操作中有氧割和氮割之分，在保持同樣切割精度前提下，氧割熱量大、速度快，但是切邊有褐色、薄氧化層；氮?dú)庑枰�用高壓氮�(dú)�，速度慢、成本高，但切邊無氧化、呈銀灰色，可以直接進(jìn)行焊接，常用來切割要求較高的不銹鋼一類材料。
        2.五軸激光加工技術(shù)在現(xiàn)代模具制造中的優(yōu)勢 激光加工已成為現(xiàn)代汽車制造不可或缺的技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工切割+沖裁模制造方式已成為國際上大力發(fā)展的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。眾所周知，在模具的制作過程中，修邊、沖孔工序一直是模具制造過程中的難點(diǎn)，特別是一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的斜切、斜沖、斜翻等大型汽車模具。修邊線的確定如果采用傳統(tǒng)的制作方式十分困難，且需反反復(fù)復(fù)摸索幾次甚至十多次，給鉗工、加工設(shè)備帶來了極大的工作量，不但對(duì)鉗工的技能水平提出了較高的要求，而且會(huì)嚴(yán)重地影響后工序模具的調(diào)試。且現(xiàn)實(shí)中有很多修邊、沖孔模的切刃材質(zhì)從成本上考慮采用了合金鋼，如Cr12、Cr12MoV等，如果采用傳統(tǒng)的修邊模制作方法，就難免會(huì)對(duì)刃口進(jìn)行多次堆焊，由于諸如上面的材料在進(jìn)行多次堆焊的過程中，容易開裂而致使鑲件報(bào)廢，不得不重新補(bǔ)料再加工，這樣，不但周期會(huì)被滯后，而且模具的制作成本也會(huì)大幅增加。如果采用激光切割技術(shù)，對(duì)于開發(fā)如圖1所示的汽車零件，等拉延模樣件試模成功后，就可以用激光切割來替代修邊、沖孔工序，修邊線進(jìn)行切割，把切割所得的樣件直接用于下一道翻邊工序進(jìn)行試模，把所得的最終樣件與檢具進(jìn)行比較，如果有差異，通過計(jì)算機(jī)對(duì)上次的修邊線進(jìn)行修整再次切割，直至成功。整個(gè)過程節(jié)省了兩道工序，完全改變了傳統(tǒng)的單線串行制作方式，很大程度上縮短了工藝流程和降低了模具制作成本�；�于五軸激光加工技術(shù)在現(xiàn)代模具制作的過程中有著這樣明顯的優(yōu)勢，因此，倍受很多模具企業(yè)的青睞，并得到了廣泛、成功的應(yīng)用。 
       3.多軸激光加工的工藝流程及編程策略 激光多軸切割與其它多軸數(shù)控加工一樣，都會(huì)涉及到工件定位夾具的問題， 來自英國Camtek公司的PEPS軟件解決這一問題的方法非常簡單、實(shí)用。PEPS使用了一個(gè)夾具自動(dòng)報(bào)表，首先通過CAD轉(zhuǎn)換接口讀入產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)，并對(duì)碎面與破面等丟失或失真的數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)，然后為加工模型設(shè)置參考位置進(jìn)行固定，確定需要加工的范圍、高度以及夾具材質(zhì)、板厚等參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這些參數(shù)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品截面輪廓線，生成實(shí)體輪廓圖形支撐工件，在確定好夾具相應(yīng)的間距后，這些實(shí)體的夾具會(huì)自動(dòng)生成二維平面圖形，按預(yù)先提供的夾具板材大小，生成自動(dòng)排樣好的圖形文件與NC切割文件，使夾具的制作簡便、快捷。但切割鈑金件與加工模具或其它機(jī)加產(chǎn)品不同，由于夾具和被切割的產(chǎn)品都是一些相對(duì)較薄的鈑金件，其強(qiáng)度比較弱，除了一些輔助措施（如在非干涉區(qū)域加定位銷或壓嵌夾）以提高產(chǎn)品的定位精度外，程序的編制也尤為關(guān)鍵。眾所周知，板件沖壓成型后，根據(jù)產(chǎn)品形狀的不同有著不同程度的回彈，切割順序的不同，在內(nèi)部應(yīng)力的釋放和切割時(shí)的輔助高壓氣體的沖擊下，回彈和變形的程度也有所不同，對(duì)后續(xù)切割產(chǎn)品的定位有著很大的影響，所以切割一般遵循先孔后邊、先小后大、先內(nèi)后外的原則，對(duì)于一些復(fù)雜的產(chǎn)品需做特殊處理的例外；刀軸矢量的控制一直是五軸加工技術(shù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在刀軸矢量的控制方面，PEPS五軸編程系統(tǒng)具有較智能化和便捷、靈活的控制模塊，在程序的編制過程中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)產(chǎn)品曲面上的三維輪廓自動(dòng)捕捉各節(jié)點(diǎn)的矢量方向，不需編程技術(shù)人員設(shè)置驅(qū)動(dòng)面或驅(qū)動(dòng)線而產(chǎn)生流暢的加工軌跡。對(duì)于一些形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，由于局部曲率有很大的變化，如R附近，切割時(shí)曲率的改變造成進(jìn)給的減小，使激光的能量在有效的切割長度內(nèi)集聚堆積而燒傷產(chǎn)品，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，這就需要對(duì)這些區(qū)域的刀軸矢量方向做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使之產(chǎn)生理想的刀軌。
        同許多大的航空公司和汽車公司目前使用的傳統(tǒng)的復(fù)雜加工軟件相比，PEPS五軸編程系統(tǒng)的連續(xù)五軸加工更加簡便。其加工對(duì)象的相對(duì)單一和任意點(diǎn)矢量可調(diào)功能的成功開發(fā)，高效、準(zhǔn)確的實(shí)體仿真，使它從煩瑣的加工策略和程序調(diào)試中解脫出來，它的靈活、直觀和易用性使得激光多軸程序的設(shè)計(jì)對(duì)技術(shù)工程師來說更易掌握，同時(shí)也對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用和推廣創(chuàng)造了有利條件。 雖然激光切割具有速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn) ，激光切割技術(shù)是激光加工應(yīng)用領(lǐng)域的重要部分，是當(dāng)前世界上先進(jìn)的切割工藝之一，但也有一定的局限性，不僅是其昂貴的設(shè)備和相應(yīng)編程軟件制約著它的發(fā)展，其激光器參數(shù)和切割參數(shù)的合理使用也需要進(jìn)一步的研究與探索。