如果高速光纖激光取代傳統(tǒng)的機(jī)械式落料壓力機(jī)的話，就能為后續(xù)的成形工藝提供新的落料設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

圖1：在一個(gè)激光落料生產(chǎn)線里，大功率光纖激光器取代了機(jī)械式落料壓力機(jī)。High Production Technology LLC公司供圖。

能夠設(shè)想在一個(gè)高速落料線廠房沒有高大的穹頂，但有足夠的起吊能力就能更換卷料嗎？這是可以的。在這種新式廠房里沒有機(jī)械式落料壓力機(jī)，也沒有笨重的基座，也沒有其他壓力機(jī)必需的輔助設(shè)備。

取而代之的是，高速激光器從喂料端就切割平板下料（見圖1）。在傳統(tǒng)工藝?yán)铮邢碌陌辶隙逊e起來等待進(jìn)入沖壓或其他后續(xù)工序。在新的下料方式里，如果需要做出下料調(diào)整，或者生產(chǎn)一種新的零部件，工程師只需要修改激光器的數(shù)控程序而已，非?？旖莘奖?。這樣就沒有必要去爭分奪秒地更換下料模具，因?yàn)楦揪蜎]有模具了。

這個(gè)工藝，目前還是設(shè)想階段，但是它的意義深遠(yuǎn)，不但改變了落料線的方式，也讓模具設(shè)計(jì)人員更多把注意力放在落料后的成形工序。

成形下料的困境

如何讓落料更加經(jīng)濟(jì)節(jié)省，是成形模具設(shè)計(jì)考慮的一個(gè)重要因素。剪切依然是最便宜的一種下料方式，下料的形狀越接近簡單的矩形或者剪床其他能剪出的形狀，就越省錢。相比之下，下曲線形狀的料就不那么合算了，因?yàn)榧庸?fù)雜輪廓的坯料的話，模具價(jià)格昂貴。

但是矩形的落料有棱角，額外增加成形模具的應(yīng)力，導(dǎo)致變薄或者開裂。所以模具加工人員不得不用拉伸凸緣和其他元素固定料材，讓金屬緩慢的流入模腔。但是，激光落料就不用這么煞費(fèi)苦心，因?yàn)榧す獠挥锰M(fèi)勁就能切出各種合適的輪廓，最大可能使得沖壓工序變得容易。

一段短暫歷史

杰.芬（Jay Finn）是俄亥俄州拿破侖市自動(dòng)進(jìn)料公司（Automatic Feed Co. in Napoleon, Ohio）的子公司高產(chǎn)技術(shù)有限公司（High Production Technology LLC）的應(yīng)用工程師，他和液化空氣工業(yè)公司休斯敦辦公室的國際同事查爾斯.卡里斯坦（Charles Caristan）一道研發(fā)激光落料技術(shù)，后者事實(shí)上已經(jīng)為激光下料的新概念下了十年以上的苦功。

那時(shí)候，激光下料的理念是源于汽車行業(yè)的高度競爭的需求，同時(shí)也是為了突破既有技術(shù)的限制。二氧化碳激光在小批量的金屬板材切割領(lǐng)域占絕對(duì)地位，但是在大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域表現(xiàn)不佳。在很多年里，鑒于這樣那樣的借口，大多數(shù)的激光下料解決方案只能一年加工60,000件或者更少的落料，有人說，激光也只能切得這么快了。

在四年前，情況依舊如此。激光專家邁克爾.本本內(nèi)克（MichaelBembenek）在2006的“工業(yè)激光解決方案”雜志（IndustrialLaser Solutions）中寫到：“在生產(chǎn)投資 計(jì)劃中，產(chǎn)量仍然是主要的考慮因素。速度和循環(huán)周期……仍然是決定性的因素。這大概是為什么板材生產(chǎn)商和使用商對(duì)于激光下料的反應(yīng)是一樣的：’這個(gè)并不能幫我們省錢。’”

時(shí)移勢易，感謝電信行業(yè)的進(jìn)步，產(chǎn)量不再是激光落料爭論的焦點(diǎn)。他們研發(fā)出一種特殊的鍍層光纖，激光行業(yè)很快就發(fā)現(xiàn)這種新發(fā)明用于生產(chǎn)一種新的、功率更強(qiáng)的激光：光纖激光。

光纖引發(fā)變革

卡里斯坦說：“大部分的白車身厚度在3毫米以下，所以非常適合用光纖激光來切割。”它高度聚集的光線特別適合快速切割薄板。光纖傳導(dǎo)激光是固態(tài)激光，易于維護(hù)和集成。電源和輔助設(shè)備只占用幾平方英尺的面積。這種激光器還有很好的擴(kuò)展性。用光纖長距離傳導(dǎo)能量的時(shí)候，光纖直徑要足夠大以容納增加的能量，電源內(nèi)的光纖模塊也能集束在一起增加功率。

芬說：“我們用5KW的光纖激光做過實(shí)驗(yàn)，可以一分鐘切80米1毫米后的鋁板。我們也可以一分鐘切67米1毫米厚的鋼板。”排列幾個(gè)大功率的光纖激光同時(shí)連續(xù)切零部件，其生產(chǎn)效率和一太高速落了線相當(dāng)。

新的10KW的光纖激光可能會(huì)有更加快速的表現(xiàn)。這就是所謂的多模技術(shù)，集成了多波模式產(chǎn)生適合實(shí)際應(yīng)用的最佳光線。新出現(xiàn)的單模光纖更是引爆了更大的興趣，它能放射出聚焦更加集中的激光，用更少的能量切割得更快。

“將來一個(gè)3KW的單模激光的切割速度將會(huì)和現(xiàn)在一個(gè)5KW多模激光的切得一樣快。” 卡里斯坦解釋說。

高強(qiáng)鋼的挑戰(zhàn)

高強(qiáng)鋼的工業(yè)應(yīng)用也強(qiáng)化了激光下料的優(yōu)勢。高強(qiáng)鋼對(duì)下料模傷害很大，使它們過早地磨損。而機(jī)械下料的動(dòng)作會(huì)給切下的高強(qiáng)鋼坯料造成細(xì)小的裂紋，導(dǎo)致其在后續(xù)的沖壓過程中破裂。

芬解釋說：“下料的時(shí)候，不管你用什么方式剪切或者沖裁，最后得到的板料切口附近總有一系列的細(xì)小裂紋，而在給高速鋼下料的時(shí)候，這些細(xì)紋會(huì)更加明顯。”

激光切割則用不著考慮管金屬堅(jiān)硬與否，它主要和坯料的厚度和發(fā)射率（例如鋼和鋁的反射率就不同）等因素有關(guān)。實(shí)踐表明，光線激光可以毫不費(fèi)力地切開高強(qiáng)鋼。

芬說：“激光才不在乎一塊金屬是1500，980或者560MPa，強(qiáng)度根本不是激光切割考慮的問題。”

曾經(jīng)有段實(shí)踐，一些機(jī)構(gòu)限制用激光切割板材，甚至用來制造樣品也不行，因?yàn)閾?dān)心激光在切割邊緣的熱影響區(qū)會(huì)給壓力成形帶來麻煩?？ɡ锼固够貞浾f，經(jīng)過一些研究之后，行業(yè)很快發(fā)現(xiàn)恰恰激光切割的競爭對(duì)手――下料模具問題更嚴(yán)重：實(shí)際上，下料模在切邊產(chǎn)生的問題要比激光切割還多。隨著激光切割運(yùn)動(dòng)更加迅速，熱影響區(qū)的問題就沒什么人提了。自那之后，激光切割成為了制造樣品的下料方案之一。今天，人們希望激光切割能夠進(jìn)入批量生產(chǎn)的現(xiàn)場。

芬說：“使用了大功率光纖激光之后，熱影響區(qū)從切口位置的深度已經(jīng)很少超過0.2毫米了，隨著速度提升，這個(gè)影響將會(huì)越來越小。”

下料的輪廓控制

激光可以很容易在板料上切出適合成形輪廓。事實(shí)上，激光更喜歡曲線的輪廓，因?yàn)橐谐鲆粋€(gè)角來，線性驅(qū)動(dòng)器必需減緩切頭的速度，停頓片刻，然后再次啟動(dòng)轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向，或者繞過拐角，然后繞回來。而切一個(gè)曲線，激光頭不需要停止運(yùn)動(dòng)。（見圖2）

圖2:激光切割更喜歡曲線的形狀。加工一個(gè)拐角，激光頭要么停下來換一個(gè)方向（左圖），要么繞一個(gè)圈再返回回來（右圖）。而加工一個(gè)曲線，激光頭的速度可以保持恒定。（圖由查爾斯.卡里斯坦提供）

圖片翻譯：cuttingspeed 切割速度

Corner AngleProcessing 尖角加工

Corner Radius Processing 圓角加工

卡里斯坦說“在沖壓時(shí)，這些曲線形的坯料更有助于金屬的流動(dòng)，而且會(huì)減少變薄的程度。”

(圖3）這個(gè)圖顯示了三個(gè)潛在的落料形狀，它們重疊在一起：一個(gè)尖角（成形性最差），一個(gè)是圓角（成型性好一些），一個(gè)有暈線（成型性最好）查爾斯.卡里斯坦供圖。

圖片翻譯：Cornerangle尖角    punch 沖頭 die 模具 binder 壓邊

Cornerradius 圓角

Relieffeature 暈線

35％ Max.Thinning（35％最大的變薄度）

21％Max.Thinning（21%最大的變薄度）

圖4 這些是在俄亥俄州立大學(xué)作的模擬實(shí)驗(yàn)。左邊的矩形板料在成形時(shí)更容易變薄（35%），而右邊曲線輪廓的板料變薄程度則是21%。圖由查爾斯.卡里斯坦提供。

圖4中的兩塊坯料重疊在一起，用來顯示最佳的材料利用率。板材B比板材A少用11.6的材料。

FormedPart（top View）：成形零件俯視圖

PartDepth（75mm）：零件深度－75mm

BlankA（Simple blank shape） 簡單下料形狀

BlankB（Laser Cut Blank optimum Shape） ：激光下料的最優(yōu)形狀

落料1：不需要下料模具；成形難度大；大量加工廢料

落料2：需要落料模具。

落料3：適合成形的優(yōu)化曲線

落料4：最優(yōu)的形狀，可以減少褶皺、翹曲，提供材料利用率

圖6 落料1可以用剪刀下料，加工費(fèi)并不貴，但是這種形狀會(huì)產(chǎn)生大量的廢料。落料2需要下料模具，但是仍會(huì)產(chǎn)生很多的廢料。落料3也可以用下料模具加工，但是昂貴的價(jià)格可能讓應(yīng)用不合算。激光可以輕松地切出落料3和落料4。落料4 可能會(huì)多耗一點(diǎn)激光加工時(shí)間，但是會(huì)在后續(xù)的因此消除的切削環(huán)節(jié)把時(shí)間賺回來。

在若干年前，卡里斯坦和泰蘭.阿爾坦（Taylan Altan）博士和舍哈特.卡亞（Serhat Kaya）一起在俄亥俄州（見圖3、圖4、圖5）開始這個(gè)方向的研究。正如卡里斯坦解釋的，這項(xiàng)研究表明，激光下料有助于把模具設(shè)計(jì)人員從下料模的束縛中解放出來。不久之后，坯料不必一定再切成梯形或者其他簡單的尖角形狀?，F(xiàn)在，坯料的形狀輪廓可以更加自由地設(shè)計(jì)，讓沖壓更加容易。沖壓工解決沖壓問題的時(shí)候，所用的手段就不僅僅是重新設(shè)計(jì)尺寸，微調(diào)整角度，用拉伸凸緣進(jìn)行補(bǔ)償，或者其他的一些模具的技巧，而且可以重新設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的輪廓。不需要拉伸凸緣的話，也意味著小噸位的壓力機(jī)也能加工零件。

激光落料線噴薄欲出

有消息說，第一條激光落料線有可能在未來幾年內(nèi)出現(xiàn)。芬預(yù)言將來有一天，快速激光柔性落料系統(tǒng)將應(yīng)用于生產(chǎn)，同時(shí)為多條沖壓生產(chǎn)線進(jìn)料。他說：“你將看到一條激光生產(chǎn)線同時(shí)為四到五條沖壓線供料。”他補(bǔ)充說，這樣的柔性能力將集成到將來的沖壓線中。大規(guī)模的個(gè)性化定制時(shí)代已經(jīng)到了。