技術(shù)干貨 | 加速智能化浪潮，用編程實(shí)現(xiàn)坡口轉(zhuǎn)角“一刀流”
在船舶、石油管道、工程機(jī)械等大型生產(chǎn)制造過(guò)程中，為保證焊接質(zhì)量與強(qiáng)度，厚鋼板結(jié)構(gòu)件焊前，坡口加工是一道必不可少的工序，目前市面上機(jī)械、火焰或電弧等多種方式加工坡口的過(guò)程均被稱為“開(kāi)坡口”。開(kāi)坡口的目的是為保證電弧能深入到焊縫根部使其焊接更加充分，并獲得良好的焊縫成型與清渣便利，對(duì)于合金鋼來(lái)說(shuō)，坡口還能起到調(diào)節(jié)母材金屬和填充金屬比例的作用。
根據(jù)材料厚度和焊接質(zhì)量需求，市面上主要的坡口形式有V型坡口、Y型坡口、X型坡口、K型坡口，如圖1所示。V坡口和Y坡口是單面焊接，切割和后期焊接過(guò)程都較為便利，缺點(diǎn)是焊后容易變形。當(dāng)焊件厚度增大時(shí)，一般采用X坡口或K坡口，同樣厚度下可減少焊縫金屬量約1/2，對(duì)稱施焊，焊后變形小，缺點(diǎn)是焊接過(guò)程中要翻轉(zhuǎn)焊件，在筒形焊件的內(nèi)部施焊，需耗費(fèi)一定的時(shí)間、人力成本。
傳統(tǒng)開(kāi)坡口的方式很多：剪邊、刨邊、車削、火焰切割、等離子切割等，前三種是通過(guò)剪板機(jī)、刨床、車床等設(shè)備進(jìn)行機(jī)械加工；手工火焰切割，在坡口軌跡復(fù)雜情況下，非常考驗(yàn)工人的熟練程度和工作狀態(tài)，對(duì)于批量焊件的一致性并不能很好滿足；等離子切割由于割縫很寬，會(huì)導(dǎo)致尺寸精度低，并且切割過(guò)程中產(chǎn)生弧光輻射、煙塵及噪聲等公害。
相比以上傳統(tǒng)開(kāi)坡口方式，激光是目前在市場(chǎng)運(yùn)用中熱變形最小，切口質(zhì)量最佳，尺寸精度最高并且穩(wěn)定性最好的一種新型加工方式。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)普遍采用激光切割機(jī)完成20mm甚至更厚鋼板的坡口加工，可一次成形V、X、Y等形狀的坡口，將傳統(tǒng)切割、銑削等多道工序流程一次完成，不僅可以大大提高效率、保證質(zhì)量、節(jié)約資源，并且切割零件質(zhì)量、尺寸精度較高，Y、K等形態(tài)坡口留根均勻一致，具有較高的表面質(zhì)量，如圖2所示。
激光坡口切割的原理即是在平面激光切割的基礎(chǔ)上添加旋轉(zhuǎn)軸，搭配可以控制五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)坡口轉(zhuǎn)角切割。目前市場(chǎng)上直線或曲線的坡口切割技術(shù)已趨于成熟，但坡口轉(zhuǎn)角過(guò)渡一直是激光坡口切割設(shè)備面臨的難題。根據(jù)轉(zhuǎn)角位置不同，可以分為外輪廓轉(zhuǎn)角和內(nèi)輪廓轉(zhuǎn)角，兩者的處理方式也有所不同。
外輪廓坡口轉(zhuǎn)角切割
外輪廓坡口轉(zhuǎn)角過(guò)渡，一般可以分成兩種情況。
當(dāng)轉(zhuǎn)角是鈍角或是超過(guò)一定角度（這個(gè)角度在編程軟件里可設(shè)置）的時(shí)候，切割頭可以直接通過(guò)旋轉(zhuǎn)達(dá)到相鄰線段所需角度。如圖4所示，對(duì)于135 °的外輪廓，當(dāng)我們?cè)谲浖锩嬖O(shè)置好轉(zhuǎn)角回路閾值，在出程序時(shí)，就可以決定我們是直接成型，還是重新打孔加引線兩次成型。
例如圖5所示：切135 °角的鈍角三角形，我們可以選擇轉(zhuǎn)角的切割方式，實(shí)現(xiàn)一次成型，這樣節(jié)省了打孔、切割頭回正和偏轉(zhuǎn)的時(shí)間；同時(shí)也可以選擇添加引線，重新打孔、偏轉(zhuǎn)切割坡口，對(duì)于轉(zhuǎn)角質(zhì)量要求高的零件可以采取這種切割方式。
當(dāng)外輪廓轉(zhuǎn)角是銳角或是小于一定角度（這個(gè)角度在編程軟件里可設(shè)置）的時(shí)候，過(guò)渡角度太小導(dǎo)致切割頭沒(méi)有辦法直接旋轉(zhuǎn)到位，這個(gè)時(shí)候需要通過(guò)添加引線，相鄰線段重新打孔的方式完成切割。
如圖6所示，正方形的4條邊都切割坡口，每條邊都是單獨(dú)打孔然后偏轉(zhuǎn)切割頭。通過(guò)修改軟件中引線參數(shù)，我們可以決定轉(zhuǎn)角過(guò)渡時(shí)引入線和引出線的長(zhǎng)度。這種切割方式的好處是轉(zhuǎn)角處切割質(zhì)量好，相鄰邊切割相互獨(dú)立，不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)角燒融的現(xiàn)象。從切割樣件圖片可以看到，25mm鐵板四周坡口轉(zhuǎn)角處的切割質(zhì)量良好，沒(méi)有出現(xiàn)轉(zhuǎn)角過(guò)燒現(xiàn)象。
內(nèi)輪廓90°轉(zhuǎn)角切割
對(duì)于內(nèi)輪廓90°轉(zhuǎn)角坡口，由于在零件內(nèi)部，添加引入線和引出線會(huì)破壞工件，所以需要切割頭在轉(zhuǎn)角處能直接快速旋轉(zhuǎn)到指定角度。使用常規(guī)坡口編程軟件編程時(shí)，當(dāng)內(nèi)輪廓是正方形，四條邊切30°正V坡口，通過(guò)程序模擬可以看到，程序從內(nèi)輪廓一邊中間引入，然后旋轉(zhuǎn)切割一周，一次成型。
但實(shí)際切割時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)角處切割頭旋轉(zhuǎn)速度很慢，不能立刻旋轉(zhuǎn)到相鄰邊所需的角度，導(dǎo)致切割頭一邊切割一邊旋轉(zhuǎn)，最終形成了漸變坡口的成型狀態(tài)，無(wú)法滿足加工需求。實(shí)際上，內(nèi)輪廓90°轉(zhuǎn)角坡口切割一直是行業(yè)難題，因?yàn)槌Ｒ?guī)軟件不能準(zhǔn)確計(jì)算出切割頭轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)時(shí)的G代碼，所以內(nèi)輪廓轉(zhuǎn)角切割也一直沒(méi)有得到很好解決。
針對(duì)以上問(wèn)題，華工激光軟件開(kāi)發(fā)人員改進(jìn)軟件算法，突破切割頭路徑規(guī)劃和G代碼生成兩大難點(diǎn)，在內(nèi)輪廓轉(zhuǎn)角處生成新的程序，滿足內(nèi)輪廓坡口拐角切割一刀成型的需求。在編寫(xiě)內(nèi)輪廓90°轉(zhuǎn)角程序時(shí)，將引入線放在內(nèi)輪廓一邊中點(diǎn)處，模擬NC路徑如圖8所示。
在實(shí)際切割過(guò)程中，內(nèi)輪廓的轉(zhuǎn)角處切割頭可以快速轉(zhuǎn)到相鄰邊所需角度，切割過(guò)程中，保證每個(gè)邊的坡口角度一致，并且轉(zhuǎn)角處成型良好。圖9為10mm鐵板內(nèi)輪廓轉(zhuǎn)角切換狀態(tài)，將引入線放到內(nèi)輪廓轉(zhuǎn)角處，可以看到內(nèi)輪廓4邊坡口角度一樣且切割面質(zhì)量更好，無(wú)引線痕跡。
目前，根據(jù)板材厚度和坡口角度，華工激光套料軟件可精確計(jì)算出激光頭轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)軌跡，完美解決內(nèi)外輪廓轉(zhuǎn)角一刀成型的問(wèn)題。在整個(gè)操作過(guò)程中效率快、精度高、品質(zhì)優(yōu)良，滿足坡口切割市場(chǎng)的必要需求，也為今后其他激光坡口編程軟件提供啟發(fā)性的開(kāi)發(fā)方向。
“十三五”以來(lái)，我國(guó)鐵路建設(shè)、公路建設(shè)、水利水電建設(shè)等多項(xiàng)重大工程的迅速推進(jìn)，工程機(jī)械市場(chǎng)需求量逐年穩(wěn)增，不斷推動(dòng)智能制造生產(chǎn)轉(zhuǎn)型進(jìn)程。在坡口切割領(lǐng)域內(nèi)，坡口轉(zhuǎn)角“一刀流”可一次性實(shí)現(xiàn)智能化加工，優(yōu)化生產(chǎn)流程，有效提高切割效率和工件品質(zhì)，未來(lái)在激光切割一次成型技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域里必然發(fā)揮著極其重要的作用。
關(guān)于華工激光
華工激光是中國(guó)激光工業(yè)化應(yīng)用的開(kāi)創(chuàng)者、引領(lǐng)者，全球激光加工解決方案權(quán)威提供商。我們?nèi)娌季旨す庵悄苎b備、量測(cè)與自動(dòng)化產(chǎn)線、智慧工廠建設(shè)，為智能制造提供整體解決方案。
我們深刻把握制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，不斷豐富產(chǎn)品和解決方案，堅(jiān)持探索自動(dòng)化、信息化、智能化與制造業(yè)的融合，為各行業(yè)提供包括全功率系列的激光切割系統(tǒng)、激光焊接系統(tǒng)、激光打標(biāo)系列、激光毛化成套設(shè)備、激光熱處理系統(tǒng)、激光打孔機(jī)、激光器及各類配套器件、激光加工專用設(shè)備及等離子切割設(shè)備，及自動(dòng)化產(chǎn)線、智慧工廠建設(shè)整體方案。
