车身覆盖件的三维激光切割工艺

第36卷 第12期2009年12月

中 国 激 光

CHINESEJOURNALOFLASERS

Vol.36,No.12December,2009

文章编号:0258 7025(2009)12 3308 05

车身覆盖件的三维激光切割工艺

梅丽芳 陈根余 刘旭飞 赵 智 黄丰杰

(湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙410082)

摘要 针对采用CO2激光和三维(3D)激光切割机切割镀锌钢车身覆盖件时,上、下坡和转角处易发生碰撞和过烧等问题,提出相应改进措施。通过添加工艺点,调整切割头方向,使其偏离法线方向一个角度可以消除碰撞。实验发现,为获得切缝质量好、切割精度高及热影响层小的3D切割工件,应尽可能使切割头位姿改变时光束入射角小于20 。通过降低激光功率、采用脉冲激光并减小占空比或采用空气作为辅助气体等能有效避免上、下坡和转角处切割时产生过烧。同时,从切缝宽度、切割面粗糙度、切割面波纹及热影响层宽度等方面对3D切割工件质量进行了评定。

关键词 激光技术;三维激光切割;车身覆盖件;过烧;激光工艺参数;切割质量中图分类号 TG485 文献标识码 A doi:10.3788/CJL20093612.3308

Three DimensionalLaserCuttingTechnologyinAuto BodyPanel

MeiLifang ChenGenyu LiuXufei ZhaoZhi HuangFengjie

(StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,

HunanUniversity,Changsha,Hunan410082,China)

Abstract Whenthegalvanizedauto bodypanelsteelsheetswerecutbyCO2laserandthethree dimensional(3D)

lasercuttingmachine,problemssuchascollisionandburn offareeasilygeneratedintheuphill,downhillandcorner.Sothecorrespondingimprovementmeasurementsareproposedinthispaper.Experimentalresultsindicatethattoobtain3Dcuttingworkpiecewithgoodcuttingquality,highcuttingprecisionandsmallhoteffectwidth,theincidentanglechangedalongwiththeposeofcuttingheadshouldbelimitedlessthan20 .Thecollisioncanbeeliminatedbyincreasingcraftspot,adjustingcuttingdirectionandchangingincidentangle.Burn offinuphill,downhillandcornercanbeeffectivelyavoidedbydecreasinglaserpower,andoptingpulselaserandreducingitsdutyratioandusingtheairtotakeasauxiliarygasandsoon.Atthesametime,thecuttingqualityisevaluatedfromthekerfwidth,cuttingsurfaceroughness,cuttingsurfacerippleandhotaffectedwidth.Keywords lasertechnique;three dimensionallasercutting;auto bodypanel;burn off;lasertechnologicalparameter;cuttingquality

1 引 言

覆盖件是车身结构的主要零件,具有形状复杂、结构尺寸大等技术特点,其加工精度直接影响着车身的质量,因此工业生产中对覆盖件的加工精度和工艺性有较高的要求[1]。三维(3D)激光切割技术用于加工车身覆盖件,可以取代传统制造工艺的修边模和冲孔模,其工艺步骤简单、制造周期短、切割速度快、加工质量高。此外,3D激光切割具有较高的柔性,可提高汽车产品质量、降低汽车制造成本,

收稿日期:2009 03 20;收到修改稿日期:2009 04 22 基金项目:国家863计划(2007AA042006)资助项目。

缩短新车型的研发周期,具有良好的经济价值和应用前景[2~4]。

对于车身覆盖件的3D激光切割,如何获得高的切割质量和切割精度是工业应用最为关注的问题。要保证良好的激光切割质量,必须保证入射激光的光束始终垂直于被加工表面

[5,6]

。在3D复杂

曲面的激光切割中,上、下坡和转角处因切割头位姿的变化易产生碰撞和过烧现象,严重影响了3D激光切割质量。因此有必要对上、下坡和转角碰撞和

作者简介:梅丽芳(1982 ),女,博士研究生,主要从事白车身激光加工技术研究。E mail:meilifang0804@http://doc.guandang.net 导师简介:陈根余(1965 ),男,教授,主要从事激光加工方面的研究。E mail:hdgychen@http://doc.guandang.net

12期梅丽芳等:车身覆盖件的三维激光切割工艺

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过烧作深入的实验研究,确保3D激光切割质量。时考虑更多的是定位准确性、重复定位精度、柔性化和快速制造

[8]

。常用的夹具设计制造方法有两种。

2 实验条件与方案

2.1 实验设备

实验采用的激光切割机床为龙门式3D五轴联

动机床,且机床传输光路采用龙门式混合光路,如图1所示。在切割头的喷嘴处带有一个传感检测装置(随动装置)调整控制焦点位置。实验用激光器为德国ROFIN的DC025SlabCO2激光器,其主要技术参数如表1所示。数控编程系统采用编程软件PEPSPentacut

。

一种是简易夹具,一种是网格夹具。由于简易夹具定位精度较低,在较高精度的激光切割中,一般使用较少。因此本文中采用网格夹具,如图2

所示。

图2实验切割工件与网格夹具设计和实物图Fig.2Workpieceandthedesignandassemblypicture

ofgridjig

2.4 实验方案

采用连续和脉冲激光进行切割,使用纯度为99.9%的氧气和空气分别作为切割辅助气体。聚焦透镜焦距f=5 (127mm),圆柱形喷嘴直径 =2mm,随动距离(喷嘴和工件表面的距离)保持1.5mm不变。分析影响覆盖件上下坡和转角处切

图13D激光切割机床及其光路传输系统

Fig.1Cuttingmachineanditslighttransmissionsystem

表1激光器主要技术参数Table1LasertechnologyparametersParameter Wavelength/ mLasermode

Outputpower/W

Divergenceangle/mradPulsefrequency/HzSpotdiameter/mm

Value10.6TEM00250~2500<0.152~500020~25(in10m)

割质量的因素以及切割头位姿调整时入射角对切割质量的影响;在工件的转角处使用连续激光或脉冲激光进行切割实验,比较两种激光形式对切割质量的影响;单一改变激光功率、脉冲频率、切割速度、辅助气体压力、离焦量及入射角等进行实验;从切缝宽度、切割面粗糙度、切割面波纹及热影响层宽度等对切割质量进行评价。

3 实验结果与分析

3.1 3D激光切割的特殊工艺分析3.1.1 碰撞的工艺处理

车身覆盖件的曲面形状复杂,在进行3D激光切割时,切割头要追踪切割轨迹上各点的法线方向,需要不断地变换运动姿态[9]。在运动过程中的某些特殊位置(如上下坡的转角处),如果切割头和切割轨迹上该点的法线方向保持一致,切割头可能会和工件发生碰撞。此外切割速度太高时,机床运动加速度增大,在进行上下坡转角切割时,切割头会产生

Nb-

2.2 实验材料

实验选用的工件为经拉伸冲压成型的车身侧围中的一覆盖件。工件材料为深冲压用超低碳钢,表面镀有锌铁合金,钢的牌号为DC53D+ZF。工件厚度为1.5mm,其化学成分[7]如表2所示。

表2DC53D钢板的化学成分(质量分数,%)Table2ChemicalcompositionofDC53Dsteel

(massfraction,%)

C!0.01

Si-Mn!0.40

P!0.03

SAlt!0.03-Ti-

抖动,易发生碰撞或超程,切割不能顺利进行。在实物切割时,如果发生碰撞将会导致切割头、聚焦镜片等设备的损坏。因此,需要检测切割头与工件是否产生碰撞。如果产生碰撞,则需要通过手动添加工艺点,调整切割头的方向,使其偏离法线方向一个角度(通常称为#入射角 )等合理的工艺措施来消除

2.3 夹具

3D激光切割的工艺具有特殊性,即激光头和工件之间没有力 …… 此处隐藏：7944字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……