智能卷绕头钣金材料激光切割工艺分析

智能卷绕头钣金材料激光切割工艺分析

乔智孝

北京中丽制机工程技术有限公司 北京 101111

摘 要：化纤纺丝设备中起到关键重要作用的卷绕头，随着技术的进步越来越凸显集成化、智能化，钣金件作为智能卷绕系统的一部分，是影响整台卷绕头能否稳定运行的因素之一，其中存在诸多切割工艺及质量问题。查阅文献，证明在工艺改进和创新过程中，钣金材料成型工艺方法，尤其激光切割技术在零件加工领域占据重要作用，具有成品精度高、加工周期短以及无需传统冲压模具更换就可以加工任意复杂零件等优点。本文通过对激光切割技术相关原理进行分析，并结合实际去解决钣金加工中的疑难问题。根据激光切割机用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面使材料熔化的原理，同时对激光束、脉冲、零件情况、保护气体、喷嘴、轮廓精度进行综合考虑，结合智能卷绕头的生产加工特点，通过工艺改进和直接现场试验，优化钣金材料选择方案，使激光切割技术在智能卷绕头生产中得到更广泛的应用。

关键词：智能卷绕、钣金材料、激光切割

前言

在长丝化纤装备关键部件智能卷绕头的生产过程中，为了满足对生产效率和加工精度的要求，不断努力突破传统的铣削、钻削、车削、磨削等加工方法的限制，并对传统加工工艺的持续改进和完善，各种先进的切削技术和钣金加工方法也在不断涌现出来。随着其它制造领域如汽车、通讯设备等加工制造能力的发展，钣金件变得越来越普及和精简美观。钣金是针对金属薄板的一种综合加工工艺，包括剪、冲、切、复合、折、焊接、铆接、拼接等，其中切割工艺的进步和发展尤为突出，基本设备包括数控激光切割、等离子、水射流切割、激光焊接以及各种辅助设备。其中，激光切割数控程序是在CAD图形基础上由PLC控制程序转化过来的，不存在人为误差，再加上精密机床保证，机械精度理论上误差在±0．02mm，由于环境原因实际上误差在±0．05mm左右；排料可以用智能软件排版，排料随心所欲，科学高效、操作简单快速，材料利用率通常≥85％；加工精度、切割面粗糙度、热影响区范围和加工速度均能满足要求。激光切割技术包括以下主要特点：①易于操作；②易于维护保养；③应用于多种行业；④精度高；⑤适应于大批量生产。下面介绍在智能卷绕头钣金件生产中的材料成型工艺方面的创新研究和面对的问题，并针对种种常见问题做出工艺分析和处理方法。

1. 智能卷绕头结构特点

1.1智能卷绕头规格及主要参数：

钣金零件占到智能卷绕头零件总数的20%-30%，总计200多个零件和结合件，在丝束通道及满卷切换中起着重要作用。卷绕头全机运转要求平稳，无异常振动和声响，运转过程接触压力保持稳定，压力波动 ＜ 20N。往复运动装置运行平稳，动作灵活、顺畅。压丝辊辊体外圆表面对轴线径向跳动量 ≤ 0.015 mm。压丝辊与筒管夹头安装平行度 ≤ 0.15 mm。压丝辊动平衡振动速度值 ≤ 2.5cm/s。行业标准要求振动速度值 ≤ 2.5cm/s，而且成品丝卷绕成形良好，纺丝满卷自动换筒时，切换动作准确无误，自动切换成功率 ≥ 95 %。这几项使用标准，凸显出钣金件稳定可靠尤为重要。

表1 卷绕头规格及主要参数

图1 卷绕头钣金件结构示意图

1.2钣金件在卷绕头中的问题:

首先，钣金结构件在高速卷绕中产生共振和干扰全机固有频率；其次钣金件在高速卷绕系统中稳定产生异响；另外钣金件如毛刺、刚性、折弯角度、焊缝等造成切换动作误差大，传感器信号不稳定，甚至造成断头导致满卷率≤95 %的问题；钣金零件具有薄板、小孔加工、轮廓为不规则曲线轮廓结构特点，用于丝束走料和落料通道的各个环节，它的结构和装配直接影响到电动运行、异响、振动、断丝、输送、信号检测或干扰、机架紧固、油漆喷涂、联接螺栓松动缺损，机台清洁等等，是整机运行中的关键。

2. 工艺方案的选择

2.1常用钣金材料

电解板：SECC(N)(耐指纹板)、SECC(P)（用于喷涂）、DX1、DX2、SECD(拉伸板)。材料硬度50°±5°，拉伸板：HRB32°-37°。

冷轧板：SPCC、SPCD(拉伸板)、08F、20、25、Q235-A、CRS。材料硬度50°±5°，拉伸板：HRB32°-37°。

铝板：AL、AL(1035)、AL(6063)、AL(5052)等。

不锈钢板：SUS302、SUS304、2Cr13、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等

其它常用材料有：纯铜板(T1、T2)、热轧板、弹簧钢板、镀铝锌板、铝型材等。

在以上材料的选择上，考虑到焊接结合件热变形因素，该类钣金件先用冷轧板Q235-A；卷绕头摩擦辊机架多为铸铝，根据振动和重量等系统考虑采用相同材质的铝板；整机外形结构钣金件采用不锈钢板和电解板；在和丝束接触的关键钣金件上，同时考虑材料的抛光和表面喷涂因素。

2.2关键件技术要求

以下零件符合设备高速旋转和化纤丝束通道畅通的核心特征，结合加工过程中的问题，针对激光切割和焊接成型工艺路线，提出了相对应的解决办法.

生头板（图2）的材料为Q235-A钢板，厚度δ2.0mm，轮廓曲率不仅多变而且要做到光滑过渡，平行开口弧形槽棱边倒圆角，不允许有毛刺。移丝板（图3）的材料为Q235-A钢板，厚度δ1.5mm，轮廓宽度大、曲率不仅多变而且要做到光滑，横向移动丝束，尺寸公差要求高。导丝杆（图4）的材料为0Cr18Ni9（SUS304）不锈钢钢板，厚度δ4.0mm，轮廓宽度小、长度大，而且要求工件平移滑动工作，轮廓必须光滑无毛刺。横动内罩板和护手板（图4）的材料为0Cr18Ni9（SUS304）不锈钢钢板，厚度δ1.0mm，轮廓复杂，而且零件上分布着众多直径小于2.0mm的孔。

图2 生头板架构示意图

3 钣金加工中常见问题的处理方法及工艺分析

3.1减少激光穿孔对零件的损失

材料经连续激光的照射后在中心形成一个凹坑，然后由与激光束同轴的气流很快将熔融材料去除形成一个孔。一般孔的大小与板厚有关，爆破穿孔平均直径为板厚的三分之二，因此对较厚的板爆破穿孔孔径较大且不圆，此外由于穿孔所用的氧气压力与切割时相同，飞溅较大，不宜在加工精度要求较高的零件上使用，只能用于卷绕头精度不高的零件。另一穿孔方法脉冲穿孔，采用高峰值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化，常用空气或氮气作为辅助气体，以减少因放热氧化使孔扩展，气体压力较切割时的氧气压力小，每个脉冲激光只产生小的微粒喷射，逐步深入。厚板穿孔时间需要几秒钟，一旦穿孔完成，立即将辅助气体换成氧气进行切割。这种穿孔工艺的优点是，穿孔直径较小，质量优于爆破穿孔；缺点是激光器必须具有较高的输出功率，由于光束的时间和空间特性，一般CO₂激光器不能适应切割要求，此外脉冲穿孔还须要有较可靠的气路控制系统，以实现气体种类、气体压力的切换及穿孔时间的控制。

在采用脉冲穿孔的情况下，要获得高质量的切口，从工件静止时的脉冲穿孔到工件等速连续切割的过渡技术做过分析，认为从理论上讲通常可改变加速时的切割条件，如焦距、喷嘴位置、气体压力等，但实际上由于时间太短改变以上条件的可能性不大。但在工业生产中主要采用改变激光平均功率的办法比较现实，具体方法有改变脉冲宽度、改变脉冲频率、或者同时改变脉冲宽度和频率，经查阅资料表明，同时改变脉冲宽度和频率效果最好。

3.2穿孔位置的选择

激光切割时的穿孔，类似于线切割的穿线孔，激光束以此孔为加工起始点进行轮廓切割，通常情况下飞行光路激光束的走线方向和被加工零件切割轮廓的切线方向垂直，激光束在开始穿透钢板时到进入零件轮廓切割的这一段时间，其切割速度在矢量方向上将有一个很大的改变，即矢量方向的90°旋转，由垂直于切割轮廓的切线方向转为与切割轮廓的切线重合，这样就会在被加工材料的切割断面上流下比较粗糙的切割面，这主要是在短时间内，激光束在移动中的矢量方向变化很快所致。

解决这个问题，在表面切割断口没有粗糙度要求的零件，可以在激光切割编程时不做处理，让编程软件自动产生穿孔点；当设计对所要加工的零件切割断面有较高粗糙度要求时（如图2），生头板的边缘要进行抛光，不能太粗糙，通常需要在编激光切割程序时对激光束的起始位置做手动调整，需要把激光程序原来产生的穿孔点移到图2中弧形槽以外的合理位置，以达对加工零件表面精度的要求。

卷绕头的生头板对圆弧有精度要求，其平行开口弧形槽的表面直接和丝束接触摩擦，在编制激光切割程序时，切割穿孔点就要设置在接触点以外，而不能设置在开口槽处。相反，如果此零件只对直线边的精度有要求，那我们在编制激光切割程序时，切割启始点就要设置在弧形位置，而不能设置在开口槽。同时，在编制激光切割程序时，切割穿孔点的选择除了精度因素外，兼顾考虑造成过烧和毛刺的问题。

3.3低碳钢工件出现毛刺的解决方法

根据激光切割机的工作和设计原理，结合实际加工得出以下几点原因是造成零件产生毛刺的主要原因：激光焦点的位置，需要做焦点位置测试，根据焦点的偏移量进行调整；激光的输出功率不够，需要检查激光发生器的工作是否正常，如果正常，则观察激光控制按钮的输出数值是否正确，加以调整；切割的线速度太慢，需要在操作控制时加大线速度；切割气体的纯度不够，需要提供高质量的切割工作气体；激光焦点偏移，需要做焦点位置测试，根据焦点的偏移量进行调整；机床运行时间过长出现的不稳定性，需要关机重新启动等。

图3 移丝板热变形和应力集中

图3所示小孔和尖角易造成过烧和毛刺。该工件的特点是局部狭窄，工件长度过大达到1900mm以上，在切割中会出现两种质量问题，其一是狭窄部位过烧，在C点位置出现毛刺；其二是移丝板在切割成形后发生弯曲变形，难以保证轮廓精度。该类问题优先考虑功率和切割速度，激光的输出功率切割薄板时适度下调，切割的线速度不宜太慢，需要在操作控制时加大线速度。

3.4激光切割不锈钢时产生毛刺的分析

不锈钢工件出现毛刺，首先考虑切割低碳钢时出现毛刺的因素，但不可简单地加快切割速度，因为增加速度有时会出现板材切割不透的情况，此种情况在加工不锈钢板时尤为突出。这时应综合考虑机床的其它因素加以解决，另外板材的平整程度也很重要，要作为前提条件。经过长期经验和论证得出两个解决办法，一是更换喷嘴，可以调整氮气气流气压，同时喷嘴和板面电容值更为稳定，另外是调整导轨运动使其稳定，这两种方法快捷有效。

导丝杆是横动总成里最为特殊的钣金件，结构细长，工作时在矩形槽中横向拖动导丝钩，要求移动灵活，直线度和位置度准确，材料为0Cr18Ni9不锈钢钢板，厚度δ4.0mm，工件长度为1453mm，长度较大，而且要求工件平移滑动工作，轮廓必须光滑无毛刺。多年来废品率极高，加工耗材用量大，通过改进试验，在切割时就要配备优质的切割喷嘴和切割参数，切割速度900毫米/分钟、切割气压20bar、切割功率3200W，该参数因激光发生器的功率而定，功率低情况下会出现切不透，切割速度太快易出现毛刺，经分析得出，造成以往废品率高的原因是参数匹配不当，没有合理避开热变形集中的区域所致。

3.5激光切割时未完全切割透的分析

未切割透在生产中是很常见的问题，但卷绕头的装配工艺要求严格，对大部分钣金件是要求高精度，以保证工作时高速旋转的稳定性，出现该情况是不允许的。为此对不同材质，不同厚度的钢板进行了试验分析，得出造成未完全切透有下几种因素：激光头喷嘴的选择与加工板厚不匹配，造成气流不足或和激光束能量不集中；激光切割线速度过快，需要操作控制减小线速度；错用 5.0″和7.5″焦距的激光切割头。

3.6非正常火花的解决方法

切割不锈钢工件，多会出现这种情况，进而影响到零件的切割断面光洁度加工质量，此时在其它参数都正常的情况下，要解决此问题从以下情况入手。首先观察激光头喷嘴的损耗，及时更换喷嘴；其次，在不更换喷嘴更换的情况下，要加大切割工作气体压力；还有一种情况是喷嘴与激光头连接处螺纹松动，若松动应立即暂停切割，检查激光头连接状态，重新安装好激光头。

3.7钣金件小孔变形情况的分析

在穿孔工艺中已论述了切割小孔的方法，但对大功率激光切割机（切割功率达2500W以上时）来说，情况正好相反，假如在加工小孔时不是采取爆破穿孔的方式，而是用脉冲穿孔的方式，这使得激光能量在一个很小的区域过于集中，将非加工区域也烧焦，造成孔的变形，影响加工质量，因此在切割功率较大时，应在加工程序中将脉冲穿孔方式改为爆破穿孔方式，便可以解决该质量问题。而对于较小功率的激光切割机，在小孔加工时应采取脉冲穿孔的方式才能取得较好的表面光洁度。

图4 横动总成结构示意图

卷绕头横动总成结构复杂，直接和丝束接触，其中内罩板和护手板（图4）的材料为0Cr18Ni9不锈钢钢板，厚度δ1.0mm，轮廓复杂，而且零件上分布着众多直径1.3mm的孔。激光切割机小孔切割模式为脉冲（激光功率小）、穿透气压3bar、穿透时间0.2秒、穿透功率2200W；切割参数为切割速度4200毫米/分钟、切割气压10bar、切割功率1180W，以上参数可以避免小孔切割变形问题，而且对未切割透的位置，因短时间双向小区域切割，热量过于集中，易造成烧焦粘结和且不透现象，但通过合理调整的切割速度和气压，可以避免此问题。

4 结论

在卷绕头具有高速旋转和振动的机构中，钣金零件材质和结构对整机的稳定使用影响大，通过工艺优化激光切割工艺参数调整，提高钣金件的质量，对工业化设计及外观美化提供支持，激光切割技术是一项先进的制造加工技术，不仅可以大大降低钣金零件的生产周期，减少模具使用成本，而且提高了质量及生产效率，有利于推动制造行业的技术进步和设备革新。通过对加工速度、加工精度、生产率、生产成本的综合考虑，选择激光切割加工钣金零件的科学合理的工艺路线，提升板料使用率，达到节能增效，降低成本，获得更为高效的生产力。

6 参考文献

[1]郑启光,邵丹编著.激光加工工艺与设备.机械工业出版社,2010.

[2]关振中主编.激光加工工艺手册.中国计量出版社,2007.

[3]徐晓彬,陈明编著.智能钣金加工研究与应用.锻压装备与制造技术,2019.

[4]]张艳著.与时俱进的卷绕头.纺织科学研究,2015.

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