如何大幅度地提高激光管材切割精度

Tube China 2022中国国际管材展览会将于2022年9月26-29日在上海新国际博览中心举办，管材展会汇聚所有关注管材及管材加工设备行业的专业人士，展示管材制造完整产业链相关产品、技术及服务。

中国锯业及激光切割技术展览会（Saw and Laser Cutting China）将与Tube China管材展同期举办，在以往锯切产品的基础上，加入了激光切割相关的设备与技术解决方案，进一步完善管材加工的上下游产业链。

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今天的制造工厂面临着降低成本、提高质量和优化产量的巨大压力。 激光管材切割操作需要有与更常见的板材切割操作截然不同的思维方式。 制造商不仅需要与这些基本的车间标准抗衡，而且管材轮廓形状、尺寸、零件复杂性、孔几何形状、特殊切割和更严格的公差正在促使制造商重新考虑他们的激光管材切割工艺，以帮助最大限度地提高质量和效率。 为了确保最高精度，工厂需要考虑一些事项。

原料

许多被广泛认可的组织制定了标准来指定金属的材料、化学、机械和冶金性能。这些机构包括铝业协会 (AA)、美国钢铁创始人协会 (ACI)、美国钢铁协会 (AISI)、SAE 航空航天材料规范 (AMS)、美国机械工程师协会 (ASME)、ASTM 国际 (ASTM)、美国焊接协会 (AWS)、联邦规范 (QQ)、军用规范编号 (MIL-S) 和汽车工程师协会 (SAE)。相关标准适用于普通金属合金的全称。然而，在激光管材切割方面，仅仅因为管材符合这些标准并不意味着它们始终是最佳选择。

密歇根州诺维 BLM Group USA 北美激光产品经理 Robert Adelman 说：“与平板或板材相比，管材需要考虑的公差要多得多。一般来说，它们遵循 ASTM 标准，但我们知道管子并不完全是它所列出的 2 英寸正方形，它可能略大或略小，甚至可能不是正方形，而是带有凸或凹的梯形面。 此外，它有一定程度的弯曲和扭曲。 最后，我们知道有 3 个半径的尺寸将保持一致，而其中一个半径将因焊接侧而有很大不同。”

原材料将在成品零件的整体精度中发挥重要作用。这是基于符合适当标准的部分，但还有一些其他问题需要解决。

使用激光切割时，材料厚度很重要。例如，当切割 2 英寸、0.120 英寸的壁或 11 ga 的材料时，可能会碰到比规定更厚的管子部分，机器必须能够对此进行补偿。

伊利诺伊州埃尔金市 Mazak Optics Corp. 应用工程师 Tyler Van Wyhe 说：“准确度真的取决于你从什么开始。如果材料尺寸过大或过小，这是一回事，但弯曲和扭曲也将是一个重要的因素。如果原材料不能保持公差——比如±0.03英寸——那么你就不能指望用这种材料制造出比那个更好的零件。获得优质零件的第一步是使用优质的管材。根据所需的精度和公差，可能值得调查在哪里购买材料最好。”

随着整个制造业的供应链问题不断涌现，获得高质量的管材可能是一项挑战。但重要的是要注意，并非所有的管磨机产出都是相同的，找到满足公差要求的管磨机可能需要在传统选项之外进行进一步的讨论和询问。

来自康涅狄格州法明顿 通快公司（TRUMPF） 的 TruLaser Tube激光切割机产品经理 Adi Buerkler 说：“欧洲和北美的管材厂之间有一个重要的区别。当我与欧洲同行交谈时，就我们在欧洲看到的管子质量而言，北美工厂管材的质量还可以。在我看来，它们的扭曲较少，这是制造商必须应对的最大因素或挑战之一。当与工厂交谈时，请确保您要求提供能负担得起的最佳质量的产品。在，A、B 或 C 等级产品中，我通常推荐 B 级，但如果你有能力花更多的钱，A 级是最好的。”

物料搬运和加工

虽然任何生产过程都需要适当的材料处理和储存，但它在管材加工操作中起着重要作用。

“材料存储是商店考虑的一个重要因素，”Buerkler 说。 “如果没有适当的处理和储存，就有可能发生变形。我们始终推荐使用管式存储系统。它不仅有助于确保原材料的质量，而且可以与管式激光机搭配使用，以缓解任何材料处理问题。”

除了存储和原材料处理之外，还需要解决机器装卸问题。与板材不同，管材是成捆装载的，每一件都需要在一开始、切割过程和卸载过程中单独挑选和支撑。

“这个过程的每一步都需要一种支撑方式，”阿德尔曼说。“首先是需要在原材料侧支撑管材，同时装载和加工，以及在加工和卸载过程中的零件。无论方管是平放还是在对角线上旋转，找到一台可以解决任何支撑问题的机器都是一个很好的起点。有些机器具有通用支架，可以垂直和横向处理管材，这样您就可以在零件中产生最佳公差。”通用支撑适用于封闭截面，但随截面上下移动的滚轮最适用于角形或槽形等开放型材。”

当涉及到处理时，管材长度会发挥作用。 尤其是使用超过 4 英尺长管时，制造商更容易遇到弯曲和扭曲的情况。

“对于长管，重要的是要找到一台可以处理整个零件长度的机器，”Van Wyhe 说。 “例如，具有四卡盘设计的机器非常适合加工 I 型或 H 型钢、C 型钢、角钢和高速钢等结构材料。 保持对材料的完全控制有助于解决不一致问题。 自定心有助于在切割前使材料保持一致，从而制造非常精确的零件。 在双卡盘系统中，背面没有卡盘会使处理不准确的问题更具挑战性。”

测量

根据管材的直径和壁厚以及在加工过程中它在整个机器中的支撑程度，仍然可能会增加材料的下垂、折曲和弯曲。这无疑会扩大管材的现有公差范围，使其处于不利的极限。

当今的许多激光切管机都在切割过程中内置了补偿循环，以帮助确保位置和尺寸精度，特别是对于具有需要严格公差的孔和槽的零件。

探头和传感器。测头和激光传感器是常用的测量方法，有助于确保激光切割过程中的尺寸精度。

“一些机器具有内置的测量周期，其中电容式高度传感器测量管的宽度和管的真实位置，”Buerkler 说。 “这个测量周期通常在机器将管子拉入并夹住它时完成。如果零件需要从管外壁到孔或槽的一定公差，我们也有一个测量周期。使用收集的数据，机器能够计算偏移量以保持所需的公差。”

Van Wyhe 补充说，接触式探头和激光传感器等机器选项有助于纠正材料问题。传感器可以找到材料的当前位置和方向，并使用该数据来改变程序或将材料转向正确。

相机和视觉系统。虽然探测是激光管切割系统最常见的测量形式，但相机和视觉系统提供了另一种数据捕获和精度保证方法。

“例如，一组激光刀片和摄像头被放置在切割头的正前方，它可以在切割点进行扫描，”Adelman 说。 “系统可以在 0.6 秒内确定管子该区域的弯曲量和扭曲量。然后机器使用这些信息来补偿并将孔放置在管的中心，因为我们已经捕获了一个 1 度的扭曲并且它向左弯曲了 0.01 英寸。这种方法不仅速度更快，而且比传统探测具有更高的精度，因为在补偿过程中管材可以保持静止。”

软件。当大多数程序员开始在 CAM 软件中对零件进行编程时，他们不一定需要知道他们收到的材料的状态或质量。他们知道的一件事就是零件的公差。

Adelman给出了一个客户案例，该客户有一个 12 英尺长的管件，该管件带有许多排水孔以及三个相距 24 英寸的针孔。针孔的公差为 ±0.004 英寸，可在管件中居中。“在 CAD/CAM 系统中，程序员可以选择这三个具有高公差水平的针孔，并且可以将它们设置为高精度，”他说。“操作员只需在机器中打开补偿，它不会花任何时间检查排水孔。然而，一旦机器到达那个针孔，就在它切割针孔之前，它会识别出它是一个高精度的孔。然后它将对其进行扫描和补偿，确保高精度孔是正确的。能够区分高公差孔和高精度孔非常重要，但操作员仍然可以灵活地控制他们何时以及如何使用补偿系统。”

机器特性

当今的激光切管机具有许多功能，是否需要某个功能本质上是基于应用程序的。但是制造商在购买之前应该评估机器本身的一些常见考虑因素。

例如，如前所述，关于长管，卡盘设计对整体质量很重要。

“制造商可能还需要考虑进料/直通卡盘的设计，该卡盘允许在整个夹持范围内加工管材，而无需更换任何卡爪，”Buerkler 说。 “这种独特的夹紧方法通过机械连接钳口自动将管定心，无需任何单独的钳口校准。了解夹紧方法将有助于确定机器是否适合车间的需求。”

有多种选择，例如气动和液压钳口，因此更好地了解夹紧机制的工作原理是一个很好的起点。

平板制造商可能不了解焊缝对激光切割的影响程度。该零件特征的表面较厚，需要激光切割机进行补偿。而且，肉眼检测焊缝并不总是那么容易。管子上经常有油，有标记，或者有一点点锈迹，很难找到接缝。

“摄像头焊缝检测系统可以在内部检查管子通常更清洁并且没有在运输过程中被刮伤的地方，”阿德尔曼说。 “该系统可以从捕获的图像中检测焊缝，然后将其存储起来以进行完整的钢筋嵌套。 传统上，我们依靠操作员来补偿功率或速度作为一种变通方法，以确保焊缝切割一致。 今天的系统能够通过调整机器的功率或速度来自动调整几何形状位于焊缝上的参数。 这意味着机器保持全速运行，但当它接近位于焊缝上的几何形状时，它会自行减速或增加功率。

来源：Canadian Fabricating & Welding