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“光”彩照人——激光加工技术及应用正当时

2008-06-06 11:08
华静一
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    激光是20世纪的重大发明之一,自1960年问世后很快在现代科学技术各领域发挥了独特作用,在新能源、汽车制造、环境监测、通信、国防安全等领域都起到重要作用。因为激光具有优异的光学特性,即高方向性、高亮度、高单色性、高相干性,其在金属加工行业的应用现已稳稳占据一席之地。

    伴随着激光器功率的提高和直线电机的应用,激光加工的发展突飞猛进。激光器功率的增大,意味着不仅可加工较厚的钢板,还能够以较高的进给速度进行加工。激光成形加工的著名厂商德国通快具有双CO2激光发生器、双激光头及高速线性驱动轴的成形加工机床,其加工量可达普通机床的3倍。该公司还开发有复合成形加工机,既装有智能激光切割头、又装有带线性模具库的冲压头,将切割与冲压两种工艺合二为一。

    慕尼黑上海激光.光电展“点亮”上海新国际博览中心

    3月于上海举办的慕尼黑上海激光、光电展(LASER World of Photonics China)上,笔者得以领略各类激光发生源以及激光加工应用领域的日渐拓宽,体味到国际知名厂商对中国市场的日益看重。

    3月18日至20日,作为2008上海国际信息化博览会成员展之一,慕尼黑上海激光、光电展于上海新国际博览中心举办。本次展会规模相比上届面积翻番达 11,500平方米,来自16个国家和地区的206家展商向观众呈献整个激光、光电产业链,展示最新激光加工及激光器技术。

展会一景

    值得一提的是,今届首次亮相的“德国激光与光电特别展”重点展示了“德国制造”技术与产品,云集的60家德商中不乏闻名世界的企业。比如德国Alltec公司推出其新型五瓦特连续光纤激光雕刻机Alltec LF050,这款超精细电子激光雕刻领域的光纤激光雕刻机尤为适合如薄板等独立或嵌入式铸造件,对于超精细雕刻元件的最高雕刻高度可达150μm,雕刻厚度最大30μm。

激光精密切削

    中国实力派厂商中,深圳大族激光同时携大功率、小功率激光切割机登场,并在现场演示五颜六色的激光光束效果。华工激光则重点推介小功率领域激光产品,在电子行业等具体应用方面的推介上下足功夫。

    激光器生产商重视中国市场

    1、GSI集团激光事业部与楚天激光合作

    展会期间,全球领先的工业激光器制造商GSI集团正式宣布与中国楚天激光集团建立新型战略合作伙伴关系,推动GSI在华业务的深入发展。双方战略合作伙伴关系的一项内容就是达成份销协议,这样GSI在中国和亚洲其它国家和地区的销售人员一下子增多30余位。

德国通快(Trumpf)展示的一款微加工激光器(平均功率在25-750W之间),
采用超短脉冲激光器,脉冲长度从皮秒级到毫秒级,
可应用于成型、表面处理、精密切割和精密钻孔等用途。

    据了解,亚洲客户占GSI客户群的一半以上,这些客户主要来自电子,汽车,航空航天等产业领域,该集团激光事业部总部位于英国,在中国的上海、北京,深圳设有办事处。此外,其苏州制造厂已于2006年投入使用,目前正在该生产基地的基础上投资新建一所应用实验室。

德国罗芬(Rofin)展示的这款大功率(800W)设备DQ 80S还获得了IF工业设计奖的殊荣。

    在本次展会上,GSI首次推出JK光纤激光器。这款新型光纤激光器由一整块材料制造而成,激光器构建之后,无需对光学表面进行对齐、调整或后续清理等,也即,只需少量甚至无需维护工作。

    一直以来,GSI 激光器通过精确控制和导向可用于各种应用,其中主要包括汽车、电子、航空航天、医疗设备和工业等领域的材料精加工应用(如切割、焊接、钻孔等)。帮助客户面对材料加工应用方面的技术挑战,从而实现加工的灵活性、精确度、可靠性与高效率。

    2、SPI公司在中国推广新产品及应用

    SPI公司是世界领先的光纤激光技术供应商,SPI激光器可使焊接,切割,打标和精密加工的速度更快、精度更高、稳定性更好且次品率更少,从而全面改进生产效率。在本次展会上,该公司向中国市场全面展示了多款新品,其中包括10W-20W G3(第三代)脉冲光纤激光器和1550nm小型激光模块/系统。

第三届国际应用激光技术中国研讨会现场

    SPI公司生产的纳秒级脉冲信号光纤激光器,最高可具备15kW功率和约0.8mJ的脉冲能量,这些技术主要应用于激光打标、薄膜烧蚀,以及半导体图案成形和裁切修整。至于该公司生产的达200W的CW光纤激光器(脉冲可达5微秒),则可被应用于多种金属、塑料、陶瓷及硅材料的切割、焊接、烧结、退火及打标。

    该公司拥有约200名员工,其生产制造在英国进行,在美国、德国和中国设有办事处。据SPI方面称,该公司相当重视产品的应用,积极在中国市场上推广光纤激光器的新加工工艺。值得称道的是,SPI非常强调挑选集成商或激光器研究中心作为合作伙伴,目前正致力于推进激光技术在微加工领域的应用。

    激光加工技术及产品为金属加工注入创新动力

    对于加工来说,作为一种“热”刀具的激光束,不仅能加工金属、塑料、木材、玻璃和陶瓷等材料,而且加工柔性化程度高,适应众多加工任务,如雕刻、切削、焊接、打孔、表面热处理(表面淬火、表面合金化和表面涂覆),以及激光测量技术等。同时,激光加工也是复杂面细致外形轮廓工件加工的最佳途径,可用于加工小型注塑模具,也可加工陶瓷、硬质合金、立方氮化硼和金刚石等材料。

    金属加工业界制造商为确保其领先地位,也不会放弃对激光技术最新成果的应用,以下让我们看看各家领先企业的相关产品及其革新性应用。

    1、DMG Lasertec系列

    早在20世纪80 年代,德马吉(DMG)已开始研发激光成形加工技术,研制成功的5~7轴激光加工中心得到了机械加工行业的权威认可,并被陈列在世界最大的综合性博物馆─—德意志博物馆的机械馆内。

    经过多年发展,DMG的激光加工机床已扩展到了3个系列5种规格,加工能力也由最初的单纯成形加工—─激光铣削加工,扩展到了今天的包括激光雕刻、打孔、焊接和切割等的多功能激光加工中心。本文将介绍的Lasertec系列拥有独到的三大工艺—─3D激光加工、激光精密切削和精密钻孔,为不同材料金丝件实施激光加工。

LASERTEC40高科技激光铣削技术在小斜度二维到三维加工方面的新突破,立式结构,六自由度

    Lasertec 40是以15~100W的Nd:YAG激光对零件表面进行细致入微的二维到三维加工和雕琢,激光束直径为0.04mm或0.1mm,Q开关装置以脉冲方式将激光光束峰值功率输出控制在10~20kW。这意味着激光在超高功率强度下将材料气化。根据所需表面加工质量的不同,激光束对材料每次去除的厚度约在 1~5μm,逐层加工,同时,借助于机床附带的深度控制功能,精确控制零件的加工深度。

    其成功的焦点在于激光光束,它能够对几乎所有材料如淬硬钢、铝、黄铜、石墨、陶瓷、硬质合金,以及高密度材料,如多晶金刚石、立方氮化硼等各种先进材料进行精细雕刻加工,轻松实现最佳的表面加工质量(多晶金刚石Ra=0.8μm,硬质合金Ra最高可达1.0μm),而且它没有刀具磨损,能保证加工过程的高度安全性。

激光精密切削管材

    新一代Lasertec 40通过带高动态反光镜的精密扫描仪,用于Z 向定位和深度调节的测量探头,以及用于工件精确定位的高分辨率的CCD 摄像机来控制激光束。由于采用了过程自动调整装置,深处的表面加工精度很高,也可对多个零件实施无人操作加工。

    此外,新一代机床还配有感应装置,随时检测切削情况,运用6轴技术以及可调节激光束,在2mm加工深度时对某些材料实现加工角度最大达90°的垂直壁加工(加工深度大于2mm时需加用CO2清洁装置)。不仅如此,通过优化方式,加工面的表面粗糙度值可达到Ra=0.8μm。

    作为激光铣削加工机床Lasertec 40的主要特点,其特别适用于形状极其复杂的精密注塑模具的生产,具有无刀具费用、无电极加工、无刀具损耗的优点。能够以极短的通过时间,实现高度的工艺稳定性以及可重复性。

    2、Lasertec成为创新开发的强力推手

    事实上,经过创造性思维想出的点子最终在短时间内变成现实是每个开发工程师的梦想。德国Paul Horn Hartmetall-Werkzeugfabrik(以下简称“Horn”)公司采用德马吉的Lasertec 40技术,制造出用于聚晶金刚石刀具的金丝刀和断屑槽。Horn公司是一家在钻孔、车削、断切、成形切削等传统工艺方面颇有建树的企业,而在模具加工和铸造工业用硬质合金微型刀具铣削工艺方面,该公司也同样成功。

    Horn公司相当重视产品开发和创新,引进德马吉公司的Lasertec 40用于激光消熔技术便是最近的一个明显例子。该公司表示,通过导入这款设备,他们得以更自由地进行原型制造、特殊工具加工和新技术开发。比如,“对于一些小种类和特殊系列产品,甚至能够直接用机器加工刀片,而不使用传统的铣加工和放电加工的生产方法。”由此,“可以根据具体用途对我们的聚晶金刚石刀具进行尽可能的优化,以适应特殊用途。”

Horn公司利用Lasertec加工出来的断屑槽

    在Horn方面看来,Lasertec 40并不只是一种生产机器,而是一种用于连接开发与生产的工具,有效地推动了生产加工的向前发展。借助三维控制技术,可根据三维图直接用机器生产铣刀和断屑槽,如果有合适的刀坯,在数小时内就能按顾客要求加工出合适的刀具。而用传统的方法要耗费几周的时间。

    这也进一步发展成为Horn 公司的核心技术之一。尽管价格较贵,由于坚硬和耐磨损性能好,聚晶金刚石刀具的市场前景广阔,特别是用于加工铝、耐磨铝合金、金属铜、黄铜、石墨、组合或挤压件。不过,并不是所有的聚晶金刚石刀具都是用激光机制造的,该集团的聚晶金刚石刀具标准也适合多种用途。

    Horn集团葛马瑞根分公司经理Aribert Schroth表示:“只有在用处特殊或出现问题时我们才会按照顾客的要求专门定制。小系列的特殊刀具直接用Lasertec 40加工,虽然也能带来经济效益,但并不是通常的做法。有时,将刀具做适当打磨就行了,不然断屑槽会有问题,考虑到加工安全性,我们会选用激光破片机方案来解决。”

    另外,Horn集团的蒂宾根分公司也正在使用激光技术进行原形制造和各种刀具的生产,而不是直接使用铣加工和放电加工的生产方法。

    3、日新月异的三菱激光加工机

    三菱电机公司自1967年就开始着手进行激光的基础研究开发工作,自其首台激光加工机出厂后,该公司以每两年推出一个机型的速度不断进行更新。其激光设备的产品优势在于拥有成套激光技术,设备均在日本制造,在同一公司的同一工厂内生产从发振器到加工机、控制装置、自动程序装置,从而用户有改善要求时,更容易直接反映客户愿望,为客户制定适当的解决方案。

三菱最新的高速加工NX系列

    本文将介绍的是三菱电机公司基于现有机型开发的最新产品—─NX系列高速加工设备。该加工机继2007年1月在日本上市后,于2008年初推向中国市场。极具创新性的是,NX系列的开发中融入了三菱自身的磁浮驱动技术,它通过采用磁浮驱动使加速度变为原来的4倍,大幅提高了加工速度并节省了加工时间。以下分三方面谈谈NX系列的主要特点。

    a、高速与高精度相融合
    从采用Z轴线性电机,新型NC开始,三菱独自的技术缩短了快速进给时间和切断时间,在确保高可靠性的同时,大幅缩短了加工时间。
    1)Z轴采用线性电机,最大加速度4g,X、Y轴也是以最大加速度2g来驱动。
    2)Super HP控制和加工机刚性的提高,实现了相比以往3倍的速度,但仍可得到同等以上的精度。
    3)通过最适化的新控制来提高真圆度,降低转角振动。

    b、确立支持连续运转的稳定性和信赖性
    1)光束安定装置可以同步补偿轴移动时光路长度的变化,使工作台全加工领域内光束特性的均匀化,实现稳定加工。
    2)电源ON时,自动检查加工机的系统状态并通知诊断结果,以事前保养来支持连续运转。
    3)从低压到高压都可以NC控制,支持不同材质和板厚的连续加工。
    4)系统的扩展使连续运转成为可能,大幅提高了生产率。

    c、操作便利性
    1)集易操作性和高性能于一体,减轻操作者的压力,营造舒适的工作环境。
    2)15英寸TFT触摸式荧屏,搭载各种指导画面,初学者也容易操作。

    此外,还标准装备了网络对应和USB端口,令数据的传递更为容易。

    4、百超:智能化自动上下料系统ByTrans

    瑞士百超新近推出的智能化自动上下料系统ByTrans,倡导以最简单的方式引导用户成为更高收益的激光切割专家。ByTrans的自动上下料板材厚度可达 25mm,一个完整的上下料循环只需60秒,即使在最短的切割套裁方案中,也无需等待上下料。而且,它的设计非常智能化,在最小的空间内也可以接近 ByTrans的每个位置,令操作更安全而便捷。

百超智能化自动上下料系统ByTrans

    ByTrans的板材储备和流程都是层阀设计,其结构非常紧凑,占地面积很小。以下分列出了其优点所在:
    1 上下料循环时间短,不受板材厚度限制,赋予激光设备最大实用性;
    2 一名操作员可操作多台机床,人工费用得以降低;
    3 激光切割设备的独立运行时间延长到多达3个班次;
    4 增加了车间每平方米的实用价值;
    5 零部件供应周期短;
    6 可集成到现有的物流系统;
    7 通过激光切割设备控制终端统一操作;
    8 自动调整吸盘处理特殊规格板材;
    9 具有双板识别功能,可移动吸盘及自动吹风分离装置能够自动分离标准板材或者覆膜板;
    10 使用叉车或车间起重机可将板垛连同木托盘一起装载到ByTrans;
    11 可以把板材转回到板垛上;
    12 可直接用叉车从ByTrans卸下加工好的零件;
    13 过程监控确保运行可靠;
    14 操作环境安全。

    Decona,NL-Denekamp公司是一家专门从事外加工和喷砂机设备制造的厂家,约30 名员工,该客户有百超激光切割机Byspeed 3015/4.4kW、Bysprint3015/3kW和百超贝勒折弯机Beyeler。据介绍,配备ByTrans之后,借助这款占地小、操作简单的自动上下料系统,获得了相当不错的加工效率。而且,由于容易接近交换工作台,方便处理紧急定单或余料,只需用叉车或带吸盘的起重机便可轻易装卸单个板材。

    同时,ByTrans也可以称得上“物超所值”—只需在加工设备的基础上再多投入20%的资金,就能获得50%的机床利用率。 

    总结

    确实,激光加工的重要性不容置疑,作为传统加工方式的一个强有力的补充,它解决了传统加工面临的一些难题。比如,传统机加工方式无法应对的工件材料—─陶瓷、硅等非金属材料;还有那些零件形状微小且复杂,用再小的刀具也难以实施理想加工的—─即使是找得到相匹配的小型铣刀、钻头等,也不得不面对刀具寿命短、容易断裂等新的课题。

    又比如,既往使用电加工方式来加工的小型复杂零件,往往需要使用大量的电极,电极准备所需的时间令生产周期大幅延长,生产成本也水涨船高。特别是当要求加工成千上万个形状各异、尺寸不同的复杂造型小零件的时候,传统加工工艺必然面临效率低、质量差的窘况。

    值得一提的是,激光除了用于切割、切削,还可进行堆焊。德国Roeders公司开发的CM13高速铣削—─激光金属堆焊加工中心,其激光头置于机床主轴箱的正面,借助导轨上下滑动。在激光头的两侧,有金属焊丝卷料和保护气体管道,通过工件和激光束的相对运动,将钢丝堆焊到工件表面上。焊接完成后,激光头就垂直上移,由高速铣对堆焊层进行精修。因此,该机床可作为修理、修改碎硬钢模具的理想设备。

    同时,激光技术在机床上的应用还表现在激光检测中,数控机床的定位精度与重复定位精度均是由双频激光干涉仪测试的,并可作螺距补偿,以确保机床的加工精度。

(编辑:文静)

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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