技術干貨 | 加速智能化浪潮，用編程實現(xiàn)坡口轉角“一刀流”
在船舶、石油管道、工程機械等大型生產制造過程中，為保證焊接質量與強度，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程均被稱為“開坡口”。開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，對于合金鋼來說，坡口還能起到調節(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，切割和后期焊接過程都較為便利，缺點是焊后容易變形。當焊件厚度增大時，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，對稱施焊，焊后變形小，缺點是焊接過程中要翻轉焊件，在筒形焊件的內部施焊，需耗費一定的時間、人力成本。
傳統(tǒng)開坡口的方式很多：剪邊、刨邊、車削、火焰切割、等離子切割等，前三種是通過剪板機、刨床、車床等設備進行機械加工；手工火焰切割，在坡口軌跡復雜情況下，非常考驗工人的熟練程度和工作狀態(tài)，對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，會導致尺寸精度低，并且切割過程中產生弧光輻射、煙塵及噪聲等公害。
相比以上傳統(tǒng)開坡口方式，激光是目前在市場運用中熱變形最小，切口質量最佳，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，國內外已經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(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、保證質量、節(jié)約資源，并且切割零件質量、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)動的數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)坡口轉角切割。目前市場上直線或曲線的坡口切割技術已趨于成熟，但坡口轉角過渡一直是激光坡口切割設備面臨的難題。根據(jù)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
外輪廓坡口轉角過渡，一般可以分成兩種情況。
當轉角是鈍角或是超過一定角度（這個角度在編程軟件里可設置）的時候，切割頭可以直接通過旋轉達到相鄰線段所需角度。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，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，我們可以選擇轉角的切割方式，實現(xiàn)一次成型，這樣節(jié)省了打孔、切割頭回正和偏轉的時間；同時也可以選擇添加引線，重新打孔、偏轉切割坡口，對于轉角質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（這個角度在編程軟件里可設置）的時候，過渡角度太小導致切割頭沒有辦法直接旋轉到位，這個時候需要通過添加引線，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，每條邊都是單獨打孔然后偏轉切割頭。通過修改軟件中引線參數(shù)，我們可以決定轉角過渡時引入線和引出線的長度。這種切割方式的好處是轉角處切割質量好，相鄰邊切割相互獨立，不會出現(xiàn)轉角燒融的現(xiàn)象。從切割樣件圖片可以看到，25mm鐵板四周坡口轉角處的切割質量良好，沒有出現(xiàn)轉角過燒現(xiàn)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，添加引入線和引出線會破壞工件，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(guī)坡口編程軟件編程時，當內輪廓是正方形，四條邊切30°正V坡口，通過程序模擬可以看到，程序從內輪廓一邊中間引入，然后旋轉切割一周，一次成型。
但實際切割時可以發(fā)現(xiàn)，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)，無法滿足加工需求。實際上，內輪廓90°轉角坡口切割一直是行業(yè)難題，因為常規(guī)軟件不能準確計算出切割頭轉角運動時的G代碼，所以內輪廓轉角切割也一直沒有得到很好解決。
針對以上問題，華工激光軟件開發(fā)人員改進軟件算法，突破切割頭路徑規(guī)劃和G代碼生成兩大難點，在內輪廓轉角處生成新的程序，滿足內輪廓坡口拐角切割一刀成型的需求。在編寫內輪廓90°轉角程序時，將引入線放在內輪廓一邊中點處，模擬NC路徑如圖8所示。
在實際切割過程中，內輪廓的轉角處切割頭可以快速轉到相鄰邊所需角度，切割過程中，保證每個邊的坡口角度一致，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量更好，無引線痕跡。
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算出激光頭轉角運動軌跡，完美解決內外輪廓轉角一刀成型的問題。在整個操作過程中效率快、精度高、品質優(yōu)良，滿足坡口切割市場的必要需求，也為今后其他激光坡口編程軟件提供啟發(fā)性的開發(fā)方向。
“十三五”以來，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，工程機械市場需求量逐年穩(wěn)增，不斷推動智能制造生產轉型進程。在坡口切割領域內，坡口轉角“一刀流”可一次性實現(xiàn)智能化加工，優(yōu)化生產流程，有效提高切割效率和工件品質，未來在激光切割一次成型技術研發(fā)領域里必然發(fā)揮著極其重要的作用。
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