技術(shù)干貨 | 加速智能化浪潮，用編程實(shí)現坡口轉角“一刀流”
在船舶、石油管道、工程機械等大型生產(chǎn)制造過(guò)程中，為保證焊接質(zhì)量與強度，厚鋼板結構件焊前，坡口加工是一道必不可少的工序，目前市面上機械、火焰或電弧等多種方式加工坡口的過(guò)程均被稱(chēng)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，對于合金鋼來(lái)說(shuō)，坡口還能起到調節母材金屬和填充金屬比例的作用。
根據材料厚度和焊接質(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，對稱(chēng)施焊，焊后變形小，缺點(diǎn)是焊接過(guò)程中要翻轉焊件，在筒形焊件的內部施焊，需耗費一定的時(shí)間、人力成本。
傳統開(kāi)坡口的方式很多：剪邊、刨邊、車(chē)削、火焰切割、等離子切割等，前三種是通過(guò)剪板機、刨床、車(chē)床等設備進(jìn)行機械加工；手工火焰切割，在坡口軌跡復雜情況下，非?？简灩と说氖炀毘潭群凸ぷ鳡顟B(tài)，對于批量焊件的一致性并不能很好滿(mǎn)足；等離子切割由于割縫很寬，會(huì )導致尺寸精度低，并且切割過(guò)程中產(chǎn)生弧光輻射、煙塵及噪聲等公害。
相比以上傳統開(kāi)坡口方式，激光是目前在市場(chǎng)運用中熱變形最小，切口質(zhì)量最佳，尺寸精度最高并且穩定性最好的一種新型加工方式。目前，國內外已經(jīng)普遍采用激光切割機完成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上添加旋轉軸，搭配可以控制五軸聯(lián)動(dòng)的數控系統，實(shí)現坡口轉角切割。目前市場(chǎng)上直線(xiàn)或曲線(xiàn)的坡口切割技術(shù)已趨于成熟，但坡口轉角過(guò)渡一直是激光坡口切割設備面臨的難題。根據轉角位置不同，可以分為外輪廓轉角和內輪廓轉角，兩者的處理方式也有所不同。
外輪廓坡口轉角切割
外輪廓坡口轉角過(guò)渡，一般可以分成兩種情況。
當轉角是鈍角或是超過(guò)一定角度（這個(gè)角度在編程軟件里可設置）的時(shí)候，切割頭可以直接通過(guò)旋轉達到相鄰線(xiàn)段所需角度。如圖4所示，對于135 °的外輪廓，當我們在軟件里面設置好轉角回路閾值，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(xiàn)兩次成型。
例如圖5所示：切135 °角的鈍角三角形，我們可以選擇轉角的切割方式，實(shí)現一次成型，這樣節省了打孔、切割頭回正和偏轉的時(shí)間；同時(shí)也可以選擇添加引線(xiàn)，重新打孔、偏轉切割坡口，對于轉角質(zhì)量要求高的零件可以采取這種切割方式。
當外輪廓轉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置）的時(shí)候，過(guò)渡角度太小導致切割頭沒(méi)有辦法直接旋轉到位，這個(gè)時(shí)候需要通過(guò)添加引線(xiàn)，相鄰線(xiàn)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，每條邊都是單獨打孔然后偏轉切割頭。通過(guò)修改軟件中引線(xiàn)參數，我們可以決定轉角過(guò)渡時(shí)引入線(xiàn)和引出線(xiàn)的長(cháng)度。這種切割方式的好處是轉角處切割質(zhì)量好，相鄰邊切割相互獨立，不會(huì )出現轉角燒融的現象。從切割樣件圖片可以看到，25mm鐵板四周坡口轉角處的切割質(zhì)量良好，沒(méi)有出現轉角過(guò)燒現象。
內輪廓90°轉角切割
對于內輪廓90°轉角坡口，由于在零件內部，添加引入線(xiàn)和引出線(xiàn)會(huì )破壞工件，所以需要切割頭在轉角處能直接快速旋轉到指定角度。使用常規坡口編程軟件編程時(shí)，當內輪廓是正方形，四條邊切30°正V坡口，通過(guò)程序模擬可以看到，程序從內輪廓一邊中間引入，然后旋轉切割一周，一次成型。
但實(shí)際切割時(shí)可以發(fā)現，轉角處切割頭旋轉速度很慢，不能立刻旋轉到相鄰邊所需的角度，導致切割頭一邊切割一邊旋轉，最終形成了漸變坡口的成型狀態(tài)，無(wú)法滿(mǎn)足加工需求。實(shí)際上，內輪廓90°轉角坡口切割一直是行業(yè)難題，因為常規軟件不能準確計算出切割頭轉角運動(dòng)時(shí)的G代碼，所以?xún)容喞D角切割也一直沒(méi)有得到很好解決。
針對以上問(wèn)題，華工激光軟件開(kāi)發(fā)人員改進(jìn)軟件算法，突破切割頭路徑規劃和G代碼生成兩大難點(diǎn)，在內輪廓轉角處生成新的程序，滿(mǎn)足內輪廓坡口拐角切割一刀成型的需求。在編寫(xiě)內輪廓90°轉角程序時(shí)，將引入線(xiàn)放在內輪廓一邊中點(diǎn)處，模擬NC路徑如圖8所示。
在實(shí)際切割過(guò)程中，內輪廓的轉角處切割頭可以快速轉到相鄰邊所需角度，切割過(guò)程中，保證每個(gè)邊的坡口角度一致，并且轉角處成型良好。圖9為10mm鐵板內輪廓轉角切換狀態(tài)，將引入線(xiàn)放到內輪廓轉角處，可以看到內輪廓4邊坡口角度一樣且切割面質(zhì)量更好，無(wú)引線(xiàn)痕跡。
目前，根據板材厚度和坡口角度，華工激光套料軟件可精確計算出激光頭轉角運動(dòng)軌跡，完美解決內外輪廓轉角一刀成型的問(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(mǎn)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)，我國鐵路建設、公路建設、水利水電建設等多項重大工程的迅速推進(jìn)，工程機械市場(chǎng)需求量逐年穩增，不斷推動(dòng)智能制造生產(chǎn)轉型進(jìn)程。在坡口切割領(lǐng)域內，坡口轉角“一刀流”可一次性實(shí)現智能化加工，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(zhù)極其重要的作用。
關(guān)于華工激光
華工激光是中國激光工業(yè)化應用的開(kāi)創(chuàng )者、引領(lǐng)者，全球激光加工解決方案權威提供商。我們全面布局激光智能裝備、量測與自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)、智慧工廠(chǎng)建設，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，不斷豐富產(chǎn)品和解決方案，堅持探索自動(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、激光焊接系統、激光打標系列、激光毛化成套設備、激光熱處理系統、激光打孔機、激光器及各類(lèi)配套器件、激光加工專(zhuān)用設備及等離子切割設備，及自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)、智慧工廠(chǎng)建設整體方案。
