在激光切割市場(chǎng)中，通常認(rèn)為激光功率是決定產(chǎn)量的主要因素。 而且，在厚材料中切割直線時(shí)，在公差較低的情況下，功率越大，速度越快。 然而，在許多應(yīng)用 中，尤其是在更嚴(yán)格的公差下切割較薄的材料，不需要非常高的功率，實(shí)際上可能是一個(gè)缺點(diǎn)。 此外，在精密應(yīng)用中，機(jī)器機(jī)械因素以及使激光器與機(jī)械裝置同步的能力可能是吞吐量方面的最終速率限制因素。 本文探討了一家名為 Stiefelmayer Lasertechnik （ Denkendorf, 德國(guó)）的制造商如何解決這些問題，以優(yōu)化薄電工鋼的切割。

電工鋼是一種薄的（通常為0.1至1毫米）層壓材料，成型后堆疊，用于制造電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子，以及變壓器的鐵芯。這些疊層通常由幾百個(gè)獨(dú)立層組成，每個(gè)層都涂有一層不導(dǎo)電的外層。

通常，這些零件的沖壓量很大。沖壓可實(shí)現(xiàn)高重復(fù)性，但絕對(duì)精度有限。重復(fù)性很重要，因?yàn)楫?dāng)大量這些零件堆疊在一起時(shí)，它提供了一個(gè)平滑的邊緣表面。此外，沖壓不會(huì)產(chǎn)生邊緣毛刺，這會(huì)阻止零件在堆疊時(shí)完全接觸。磨削去除毛刺是不可取的，因?yàn)樗赡軙?huì)去除材料的外部分層。最后，沖壓不會(huì)加熱零件。加熱電鋼也會(huì)去除其外部疊片或影響大塊材料的磁性，這兩種情況都是不可取的影響。

沖壓的主要限制是需要昂貴的固定工具。這在批量生產(chǎn)中是可以接受的，但在原型制作過程中或在小批量生產(chǎn)運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)問題。

使用光纖激光器切割提供了一種替代沖壓的方法，可以避免模具成本，并且通常可以提供必要的速度，使其成為小批量運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)有效的選擇。然而，大多數(shù)基于光纖激光的刀具都有局限性，這使得它們無法成為切割薄電工鋼的可行選擇。

Stiefelmayer’s Effective cutter系列(來源:Stiefelmayer)

首先，大多數(shù)商用激光切割機(jī)在其工作區(qū)域有相對(duì)較大的、非恒定的公差偏差。因此，從一大塊材料的右前方切割的零件看起來可能與從左后方切割的零件不同。當(dāng)這些部件隨后堆疊時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生尺寸問題。

光纖激光切割的其他限制是，它可以蒸發(fā)零件的表面層壓，在邊緣產(chǎn)生浮渣，并在大塊材料中形成熱影響區(qū)（HAZ），從而改變其磁性。隨著切割功率的增加，這些問題通常會(huì)變得更嚴(yán)重。然而，正如一開始提到的，在傳統(tǒng)的激光機(jī)器中，速度和激光功率通常是同時(shí)進(jìn)行的。

更低的功率，更高的吞吐量

Stiefelmayer Lasertechnik制造激光機(jī)床并按合同制造，重點(diǎn)是將薄金屬板切割到嚴(yán)格的公差。他們的高效系列激光切割機(jī)經(jīng)過專門優(yōu)化，以生產(chǎn)高精度、高吞吐量的切割；他們的設(shè)計(jì)理念傾向于巧妙而非蠻力。總經(jīng)理迪Dieter Bulling用賽車類比來解釋這種方法?！拔覀円呀?jīng)調(diào)整了我們的機(jī)器，以適應(yīng)摩納哥緊張的城市路線，而不是印第安納波利斯的巨大橢圓形。我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在曲線上實(shí)現(xiàn)最高可能的平均速度，而不是直線上的最高速度。對(duì)于我們通常生產(chǎn)的零件類型，這會(huì)產(chǎn)生更大的吞吐量。”

Coherent HighLight fiber激光器(來源:Coherent)

在高效刀具中，有兩個(gè)整體方面可以實(shí)現(xiàn)這種性能——卓越的機(jī)械性能和激光與這些機(jī)械性能的精確同步。Stiefelmayer Laser-technik使用直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)來提供切割頭的x和y運(yùn)動(dòng)。這消除了與其他系統(tǒng)中使用的齒輪齒條傳動(dòng)裝置相關(guān)的反間隙。此外，支撐梁輸送頭的橋梁由碳纖維而非金屬制成，以在不犧牲剛性的情況下最小化其慣性。這種輕量橋架使機(jī)器能夠達(dá)到高加速度(加速度變化率)。Dieter Bulling澄清了這一點(diǎn)的重要性：“沒有一臺(tái)機(jī)器能夠從靜止?fàn)顟B(tài)立即達(dá)到4或6克的加速度（這在物理上是不可能的）。因此，具有緊湊輪廓的高生產(chǎn)率的關(guān)鍵在于機(jī)器達(dá)到所需加速度的速度有多快——換言之，加速度?！?/p>

Bulling補(bǔ)充說，激光器輸出和機(jī)架移動(dòng)之間的高度同步對(duì)機(jī)器精度和吞吐量都同樣重要。所有拐角都以小半徑切割，因?yàn)檫@樣就不需要在頂點(diǎn)處使梁完全停止。在Stiefelmayer Effective機(jī)器中，該角半徑可以是40μm，或大到0.2 mm。Bulling解釋說，“我們可以實(shí)現(xiàn)如此小的邊緣半徑有兩個(gè)原因。一個(gè)是機(jī)器的高運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)性，另一個(gè)是激光輸出與機(jī)架運(yùn)動(dòng)的高同步性。具體來說，當(dāng)光束速度減慢時(shí)，激光功率必須下降，以保持給定光斑的總輸出功率恒定。我們通過連續(xù)運(yùn)行激光器（cw）來解決這一問題。然后在角落使用一種特殊的脈沖輸出。因此，激光器必須能夠在不同的工作模式之間進(jìn)行快速切換。當(dāng)時(shí)，我們最初設(shè)計(jì)的Effective是我們目標(biāo)功率范圍內(nèi)唯一一臺(tái)提供這一關(guān)鍵功能的2至3 kW光纖激光器。此外，光纖激光器使用的控制軟件與已經(jīng)在其他產(chǎn)品中使用的CO2激光器相同，因此這縮短了開發(fā)時(shí)間?！?/p>

在STIEFELMAYER effective L中，最先進(jìn)的技術(shù)和獨(dú)特的工作臺(tái)系統(tǒng)結(jié)合在一起，形成了具有最高水平的精度、動(dòng)力學(xué)和生產(chǎn)率的機(jī)器。

在該公司的Effective切割機(jī)中，Coherent HighLight FL光纖激光器的高質(zhì)量輸出光束聚焦到工件上約60至65μm的光斑，約為該尺寸機(jī)器典型光斑直徑的一半。為了在許多切割應(yīng)用中產(chǎn)生所需的小特征尺寸，光斑大小是必要的。此外，特別是對(duì)于電鋼的切割，這種光束尺寸和功率的組合使熱影響區(qū)最小化。它還減少了熔化材料的數(shù)量(將光束直徑減少2倍，熔化材料的數(shù)量減少4倍)，這些熔化材料被氣體吹離基板，以產(chǎn)生無浮渣的邊緣。

結(jié)論

Bullling總結(jié)道， “激光切割市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手越來越多。高成本的機(jī)器通常強(qiáng)調(diào)激光功率。但是，例如，從6kW提高到12kW并不能顯著減少每件的切割時(shí)間。你可以通過更快的零件加載/卸載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更多。相反，低價(jià)格的激光機(jī)器沒有高精度的機(jī)械裝置；它們可能會(huì)指定機(jī)器的可重復(fù)性——雖然通常只在一個(gè)軸上——但不要解釋這如何轉(zhuǎn)化為成品零件的精度。為了能夠切割更厚的材料，討論將越來越激烈。厚料精度要求較低，薄料精度要求較高。這是對(duì)機(jī)器完全不同的要求。由于更好的機(jī)械結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的激光同步，我們通過提供精度、高總吞吐量和保證零件重復(fù)性的獨(dú)特組合來區(qū)分Efficient——我們規(guī)定，Effective可以在整個(gè)1.25 × 2.5 m的床上切割直徑為30 mm的孔，可重復(fù)性為±25μm。對(duì)于切割薄金屬，我們認(rèn)為這是未來的正確方向?！?/p>

來源：Photonics Views - 2019 - High Precision Laser Cutting of ElectricalSteel