嘉立创钣金工艺普及2---激光介绍
本帖最后由 JLC_机械加工 于 2024-5-15 10:02 编辑本篇是 嘉立创钣金工艺普及系列之---激光介绍
其他系列将逐步完善：
嘉立创钣金工艺普及1---材料介绍
嘉立创钣金工艺普及2---激光介绍
嘉立创钣金工艺普及3---折弯介绍
嘉立创钣金工艺普及4---压铆介绍
嘉立创钣金工艺普及5---抽芽介绍
嘉立创钣金工艺普及6---焊接介绍
嘉立创钣金工艺普及7---喷塑介绍
嘉立创钣金工艺普及8---喷砂氧化
嘉立创钣金工艺普及9---丝印打标
嘉立创钣金工艺普及10---结构设计
嘉立创钣金工艺普及11---工程拆图
下料是钣金加工生产所有环节中最初的一环，同时也是最重要的一环。所有工件的生产，都必须先进行下料，所以下料的加工速度和质量，对整个钣金工件的品质和生产效率有着至关重要的影响。
目前钣金加工行业针对下料的加工方式主要包括剪板机下料、冲床下料、切割机下料三种。
其中，剪板机加工成本低、加工范围广，但只能对板材进行横平竖直的简单裁剪，无法对内部的特征以及复杂的外形进行剪切。
冲床加工精度高、还可以完成百叶窗、凸包等各种复杂的加工，是剪板机下料和切割机下料都无法做到的工艺；当然，做到这些工艺的前提是模具齐全，而一般模具费用较高，因此只适用于大批量小零件的加工生产。
相较于前两者，激光切割机下料精度高、速度快、适用于各种形状的钣金加工，是目前应用最广、综合性最强的一种下料方式，也是此贴主要想跟大家讨论的一种下料工艺。
接下来，我们将从“激光切割的工艺介绍”、“如何从设计上降低生产成本”等方面来介绍钣金加工中的排头兵——激光下料。
一、工艺介绍
数控激光切割机是一种不需要直接接触工件的热加工设备。它通过激光头将高能量密度的激光束照射到工件上，当强大的激光束聚焦在金属上时，热密度会急剧增加，使工件上被超细焦点光斑照射的区域瞬间熔化和气化。
然后使用压缩气体（空气、氧气或氮气）将残留在工件上的废渣吹走。通过这个方式，激光切割机可以按照计算机指令切割出我们所需的各种形状。
【一分钟了解钣金激光切割下料工艺】
（一）激光切割有什么优点？
1、切割速度快、成本低：
我们先看一段视频：
【钣金激光切割演示视频01】
这是我们在现场拍摄的一段激光切割机下料的视频，设备是大族光纤激光切割机，功率6000W，它最快能达到120m/min的速度！
以视频里切割的这个工件举例，工件总切割长度368mm，给进速度设置为100％，即正常速度，切割总用时在20秒左右；哪怕将工件数量增加到100件，它也只需要半小时左右的时间！
由于材料在激光切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上、下料的辅助时间。
当然，不同金属材料对激光的吸收率是不一样的，所以在厚度一致的情况下，不同材料的切割速度是不同的。
同时，当材料的厚度不一样时，需要的穿孔时间也会有所差距，所以同样的材料在切割过程中，厚度越厚，需要的激光能量越大，切割速度也就越慢。
就像下面这个视频片段，切割同样形状的工件，由于板厚增大，切割的速度也随之变慢：
【钣金激光切割演示视频】当板厚变大时
在条件允许的情况下，选用合适的材料和厚度，也能提高生产效率，减少生产的时间成本！
下面是不锈钢和碳钢两种材料的不同板厚的切割速度表，供大家参考：
接下来我们再看一段视频：
【钣金激光切割演示视频03】更复杂的图案
这批工件的外形和特征比上一个视频的工件更为复杂，需切割的长度长达172641mm，但它的下料用时也只有3分钟而已，可以说，激光下料的切割速度基本不受切割大小和图形复杂程度影响，无论多么复杂的钣金加工，激光都能快速地将工件切出来。
此外，激光加工工艺最大的特点就是不需要用到模具，加工过程没有刀具磨损，可以省去大量模具的使用、生产时间缩短、产品成本降低，非常适合打样的产品和批量产品的生产。
任何加工行业，作为客户，最关心的问题是什么？那一定是“加工需要多少钱”和“货物什么时候能送到我手上”的问题。通过激光加工，既不需要开模具，加工速度又快，经济且高效。如果一个工件只需要下料这一道工序，甚至能实现24小时内发货！
2、切割质量好、精度高
由于激光光斑小、能量密度集中、切割速度快，激光切割能够获得较好的切割质量。
比如上面这几张激光加工后没经过任何处理的工件切割效果图，可以看到，经过我们的参数调整，激光下料切出来的工件侧面，除了微连接留下来的痕迹，切口是非常光滑平整的；而挂渣、毛刺问题也几乎可以忽略不计。
再量一下工件内外轮廓的公差：
图纸中工件长度40mm，宽度30mm，内孔孔径为3.3mm；
而切割出来的工件长40mm，宽29.99mm，孔径3.26mm；误差在0.1mm以内。根据我们那么久的时间验证，激光下料精度可以稳定在±0.1mm，即在10个丝以内。对比其他的下料工艺而言，这已经是非常高的精度了吧！
总结一下激光加工的优势，大概可以分为以下四点：
1. 激光加工速度快，大幅度提高了工件的生产效率，减少产品的生产周期；在正常情况下，平板类工件甚至能实现24小时内发货！
2. 激光加工成本低，没有“刀具”磨损，不需要模具就可以加工生产，省去了模具的生产成本和替换模具的时间成本。
3. 激光加工质量好，切口光滑平整，毛刺和挂渣问题也可以通过后续工艺轻松解决。
4. 激光加工精度高，内外轮廓公差均能稳定在0.1mm以内。
（二）激光切割的缺点
数控激光切割机激光束的高能量密度足以熔化绝大多数有机和无机材料，特别适合包括铝、合金钢、不锈钢等因脆性、硬度和熔化温度高而难以加工的金属材料，具有能量密度高、作用时间短、热影响范围小、变形小等优势。
然而，对于高反射率的材料，如金、银、铜等，由于他们是良好的传热导体，对光束的吸收率较低，激光切割机较难对其进行切割。
通过数控机械系统移动光斑照射位置，实现自动切割。数控的加入使激光切割机具有自动化程度高、加工速度快、加工精度高的特点；由于可以根据实际需求自行定义排版下料工件，cnc激光系统非常适合个性化加工，特别是某些具有复杂几何形状的钣金零件的小批量生产。
图例为激光下料后的零件拼接组装而成
当然，激光切割机在切割较厚的板材时，它的移动速度比冲床慢；非机械接触的加工方式无法在金属板材上生产出凸包、敲孔、百叶窗、埋头孔或丝锥等特征；在切割穿孔板和网状板时，激光切割的变形可能性极大。因此，数控激光切割机一般以加工薄板类、2D维度、非密集的工件为主。
在需要加工较厚的，具有凸包、百叶窗等特征的，以及穿孔板、网状板时，就需要用到冲床设备了。
二、如何从设计上降低生产成本
（一）设计影响板材利用率，通过设计降低生产成本
一般来说，我们拿到3D图纸后，会将工件转化为钣金件并展开成2D图，再经过排版套料软件将相同材料和板厚的零件排样、套料同一张板材上。
类似上面这个排版，当设计合理、排版紧凑时，板材能得到最大程度的利用，从而减少废料的产生。
而这个工件，形状各异，必然会导致中间大量废料产生。
因此，如何从设计上降低生产成本，是我们需要花时间去思考的点。
请看下图，由于工件之间无法嵌套，只能隔开排版，导致两个工件之间浪费了不少的材料，而我们只需要在不影响工件使用的前提下，稍微修改一下工件的设计，就可以大幅度的提高板材利用率，降低生产的材料成本了！
原始设计
改进的设计
合理设计钣金形状，可以有效提高钣金材料利用率。
（二）避免钣金展开后材料干涉问题，尽量一次折弯成型
如下面这个例子，工件展开后，两个折弯边相互干涉了，如果不做任何修改直接切割，那么这块干涉的区域就会连在一起切割，导致重叠部分特征缺失；
一般遇到这种情况，我们会把其中一边先拆分下来，等折弯完成后，再将拆下来的这个边焊接上去。
图 3 展开前
图 4 展开后 图形干涉
图 5 拆下其中一道折弯边（折弯边1），先将图示部分折弯后再将拆下来的那道折弯边（折弯边1）焊接到工件上。
然而，焊接是通过后期加工将两块板材连接成一块的，折弯则是在同一块板上进行加工；因此焊接的抗拉扯和受力强度、以及工件的美观性都没有直接折弯的效果好，也就是说，当工件受到外力拉扯时，焊接部位有可能会断开。
此外，焊接比直接折弯多了一道工序，工件生产的时间成本和加工成本都大大增加；所以我们的建议是能折弯的尽量不焊接，从设计上避免这种问题的出现。
（三）热熔、烧边问题
激光加工的原理是：将高功率密度的激光束照射到材料表面，在非常短的时间内将材料加热到成千上万度，从而让材料迅速熔化/气化；于此同时，高压气体会从旁喷出，将熔化/气化的物质吹走，在板材之中生成一段切缝，最终达到切割材料的目的。
其中切缝的宽度大小，必然会带来最小可切割切口宽度 、最小可切割孔径 和 特征与切割边最小距离的问题。也就是说，我们设计多宽的槽、多大的孔，边与边之间预留多大的距离，才能不受切缝的影响，避免热熔烧边问题，将想要的特征加工出来呢？
有问题就要去解决，于是我们立刻做了大量测试，并得到了下面这份数据，供大家参考：
1、最小可切割切口宽度
如图，我们画了一个切缝图，第一刀是一条直线，直接切穿；第二刀为宽度0.01mm的矩形，即切缝0.01mm；第三刀的切缝为0.1mm；第四刀0.2mm；第五刀0.3mm；第六刀......
激光加工后的最终效果如下（图片仅做测试用，外观不具参考价值）：
碳钢 1mm-4mm 板厚切割效果
不锈钢 1mm-5mm 各板厚切割效果
铝件 1mm-5mm 各板厚切割效果
可以看到，切缝都如期切割出来了，也就是说，无论什么材质多大板厚，最小可切割切口宽度都可以达到0.1mm以内。
当然，切缝越小、板材越厚、挂渣越大；而由于铝材材质偏软、不锈钢和碳钢材质偏硬，我们在处理挂渣的时候还发现了，材料材质越硬，挂渣越难处理。
2、最小可切割切口孔径
与切缝的测试方法一样，我们画了一幅孔径图，最小孔径为0.25mm，最大孔径为2.0mm。
下图是铝件在经过激光加工后的最终效果（板厚从高到低，为了保留最真实的挂渣情况，下图工件未做任何处理）：
可以看到，和切缝一样，孔都如期切割出来了，包括0.25mm的孔径！没有出现无法切穿的情况。而它的切割效果也和上面的一样：切缝越小、板材越厚、挂渣越大；材料材质越硬，挂渣越多越难处理。
不过，孔在工件上的作用，除了是为了设计上的美观外，更多的是有它的用途的，是有一定的精准度要求的。因此我们又细致的观察了一番：（为了保留最真实的挂渣情况，下图工件未做任何处理）
如图是同一个工件的正反两面，即材料板厚相同；可以看到，同一个工件的正反面孔径大小是有差别的，正面的孔是正常的数值，而翻到反面，孔变小了！板材越厚、孔径越小，正反面孔径数值差距越大。
3、特征与切割边最小距离的问题
如图，我们画了一幅图，以圆孔为特征，圆孔边到外切割边的距离做为变量，距离从0.1mm、0.2mm、0.3mm递增到2.2mm。
激光加工后的最终效果如下（图片仅做测试用，外观不具参考价值）：
铝材切割效果图
不锈钢切割效果图
碳钢切割效果图
可以看到，铝材的烧边情况最明细，碳钢次之，不锈钢的烧边情况最弱；也就是说，板材材质越软、要求特征间距离越大，特征越不能太靠近边；而板材厚度越厚，烧边的情况也越明晰，对特征与特征之间、特征与边之间的距离越远。
而我们在画图的时候，特征到边的距离设置多大，才能避免烧边的情况出现，我们这边简单地整理了一下数据，供大家参考：
（四）热变形问题
激光加工时，高热输入会导致板材受热变形，材料内部的应力也会受影响增大。我们可以毫不避讳的说，激光加工对材料的热变形影响是目前影响金属激光切割机加工质量的一大难题，并且就目前的行业应用技术而言，热变形问题难以从生产环节进行解决。不过我们可以从设计出发，通过改变设计避免热变形的问题。
如何从设计上避免热变形的出现？下面列举几种常见的容易导致变形的结构特征，不知道大家有没有什么更好的办法可以解决，欢迎在评论区留言探讨一番：
1、长狭条形结构：
如上图这种结构设计，中间的横条又细又长，非常容易导致中间的长狭条形结构翘边扭曲变形。一般来说，我们的建议是改善结构，扩大长狭条形之间的距离间隙，或加大长条的宽距。
2. 特征密集型结构：
如上面这个工件，由于特征排布比较密集，导致切完释放应力、受热变形。一般来说，这种特征结构的工件，更适合冲压成型。
3. 容易变形的薄板材料：
选择合适的材料 和 板厚 也是解决激光切割薄板材料变形问题的关键。不同材料的导热效果和热膨胀程度不同，对激光切割的影响也不同。选择热导率高、热膨胀系数低的材料可以减少切割过程中的热变形影响。也就是说，当工件加工过程中发现工件变形严重，我们可以尝试更换材料和板厚解决这个问题。
如果遇到经常出现板料变形问题的工件，应该从设计环节进行解决。在设计结构时，应尽量避免长狭条形结构、特征过于密集等问题。
总结一下设计时可以留意的几个要点：
1. 设计有利于排版的钣金件外形，能够极大的提升板材的利用率，减少废料的产生，从而降低钣金材料的成本。2. 在不改变产品使用功能的前提下，尽量通过改变设计使工件一次折弯成型。3. 合理设置工件特征的间距，避免热熔、热变形情况的出现。
上面简单地介绍了我们所测试、了解到的钣金下料工艺中激光切割的几点内容，不知道大家有没有别的想法，欢迎在评论区留言讨论噢。 感谢，请问用什么格式的文件下单，soildwork生成的钣金文件可以吗？ leolink 发表于 2024-5-14 10:17
感谢，请问用什么格式的文件下单，soildwork生成的钣金文件可以吗？
(引用自2楼)
solidworks生成的 .step, .stp 格式都可以噢{:tongue:} 沉头螺钉孔可以加工出来吗？ 报告：
这个文件需要重新上传一下。
下面这个图片有大图？
armok. 发表于 2024-5-15 08:03
报告：
这个文件需要重新上传一下。
(引用自5楼)
感谢提醒 {:3_61:} HZKJ 发表于 2024-5-15 07:19
沉头螺钉孔可以加工出来吗？
(引用自4楼)
沉孔 需要 三维激光切割机 才可以加工出来噢；我们现有的激光切割机是二维的，在激光下料后再加上沉孔、攻牙、压铆、折弯等加工工艺。 JLC_机械加工 发表于 2024-5-15 09:50
沉孔 需要 三维激光切割机 才可以加工出来噢；我们现有的激光切割机是二维的，在激光下料后再加上沉孔、 ...
(引用自7楼)
三维激光机可以做出沉孔，但肯定无法做出攻丝 。 CNC加工能力怎么样？能进行精密加工吗？有没有精密磨床啊？ armok. 发表于 2024-5-15 10:54
三维激光机可以做出沉孔，但肯定无法做出攻丝 。
(引用自8楼)
哈哈哈哈 是的 ssaiwo 发表于 2024-5-15 11:18
CNC加工能力怎么样？能进行精密加工吗？有没有精密磨床啊？
(引用自9楼)
我们现在cnc的加工精度在±0.05，还没有配备精密磨床 JLC_机械加工 发表于 2024-5-15 09:50
沉孔 需要 三维激光切割机 才可以加工出来噢；我们现有的激光切割机是二维的，在激光下料后再加上沉孔、 ...
(引用自7楼)
好的，不管用什么方法，只要你们能做就行，回头下单试试 JLC_机械加工 发表于 2024-5-15 11:53
我们现在cnc的加工精度在±0.05，还没有配备精密磨床
(引用自11楼)
0.05是比较务实的。
盲目追求0.02甚至0.01不现实。 HZKJ 发表于 2024-5-15 12:25
好的，不管用什么方法，只要你们能做就行，回头下单试试
(引用自12楼)
感谢支持{:handshake:} armok. 发表于 2024-5-15 12:41
0.05是比较务实的。
盲目追求0.02甚至0.01不现实。
(引用自13楼)
±0.05是目前我们所能把控的精度范围，加工成本也比较合理。当然，也希望在以后，随着我们的设备更新和加工技术不断进步成长，能为大家加工出更加精密美观的零件产品{:tongue:}
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