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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]過(guò)去，提升激光功率被視為提升加工效率最直接最有效的方式，但在6萬(wàn)瓦激光切割機發(fā)布后，業(yè)內發(fā)起了功率是否到頂的討論。奔騰激光總裁吳讓大認為：6萬(wàn)瓦已經(jīng)具備全面取代等離子、火焰切割的能力，再高的功率對切割效率和切割能力貢獻已經(jīng)不那么明顯，反而會(huì )進(jìn)一步增加用戶(hù)的成本，也會(huì )進(jìn)一步增加能耗。但工業(yè)領(lǐng)域對效率的追求是無(wú)止境的，如果功率已經(jīng)觸及天花板，還能通過(guò)什么方式來(lái)提高加工效率呢？ [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]引入碳纖維橫梁實(shí)現加速度翻倍 這一問(wèn)題并未困擾筆者太長(cháng)時(shí)間。不久前，筆者走訪(fǎng)了飛越激光，并通過(guò)飛越激光對床身的改進(jìn)得到了一些啟示。 飛越激光是一家專(zhuān)業(yè)從事高精密激光技術(shù)應用開(kāi)發(fā)的高新科技企業(yè)，在高精密激光切割、焊接、打標等激光應用領(lǐng)域多有建樹(shù)。飛越激光總經(jīng)理劉總介紹，他們從去年開(kāi)始引入了碳纖維橫梁，這種橫梁從表面上看具備強度高、不變形、重量輕的特點(diǎn)，在實(shí)際應用中還能起到非常明顯的提速降本效果。 眾所周知，橫梁是龍門(mén)式機床的關(guān)鍵部件之一，橫梁本身的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性決定了龍門(mén)式機床的整機性能，對于機床的加工效率、精度和穩定性都有重要影響。目前機床的橫梁采用金屬制造，主要是鋼鐵和鋁合金鑄造。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]鋼鑄橫梁具備穩定性好，精度高的優(yōu)點(diǎn)，但由于本身重量過(guò)高，通常應用于對速度要求不高的機床。要實(shí)現高速和高加速度，需要電機匹配很大的功率和扭矩。當動(dòng)態(tài)特性匹配超過(guò)極限時(shí)，無(wú)法進(jìn)一步提高。為了給橫梁減重，人們開(kāi)始采用鋁合金橫梁，但鋁梁重量仍然偏大，對速度和加速度提升有限，且鋁合金材料模量低、偏軟、容易變形、熱脹系數大，精度易受溫度變化影響。因此，鋁合金橫梁往往3－6個(gè)月就需重新調校。 而碳纖維橫梁的重量是鋼制的1／4～ 1／5，是鋁合金制的1／2～1／3，這種輕重量材料讓進(jìn)一步提升機床運動(dòng)速度和加速度成為可能。據劉總透露，在引入碳纖維橫梁后，飛越激光研發(fā)團隊經(jīng)過(guò)大量努力，已將過(guò)去精密切割機床普遍為0．8g－1g的加速度提升到2g，在加速度翻倍的同時(shí)精度也從過(guò)去的絲級提升到μ級。 碳纖維橫梁還能降低成本？ 除了速度提升外，劉總還提到碳纖維橫梁給飛越激光帶來(lái)的降本優(yōu)勢�；谥亓枯p的優(yōu)勢，碳纖維橫梁運動(dòng)慣量小，對齒條、電機的要求大幅降低，同時(shí)也讓床身實(shí)現了減重。前面提到，鋼梁、鋁梁要實(shí)現高速和高加速度，需要電機匹配很大的功率和扭矩。而在保持加速度性能不變的情況下，碳纖維橫梁能夠有效降低床身、齒條、電機方面的成本，用普通的電機也能達到1g的加速度，且精度能夠大幅提升。 此外，更高速度和加速度是工業(yè)領(lǐng)域永恒的追求。如果采用鋼梁、鋁梁，提升加速度往往會(huì )犧牲精度，而提升精度則往往會(huì )犧牲加速度，二者難以?xún)扇�。如果要同步提升精度和加速度，則需要額外付出巨大的成本采購性能更加強大的電機、齒條等，甚至這些增加的成本還會(huì )高于設備給用戶(hù)創(chuàng )造的價(jià)值，用戶(hù)不會(huì )為之買(mǎi)單。劉總表示，小微民營(yíng)企業(yè)無(wú)法去做成功率低且用戶(hù)未必認可的投入，這對企業(yè)而言風(fēng)險過(guò)高，但碳纖維橫梁讓提高加速度的成功概率大幅提升，且實(shí)現的成本也比之鋼梁、鋁梁大幅降低，因此飛越激光已經(jīng)全面采用碳纖維橫梁，徹底放棄了金屬橫梁。 對終端用戶(hù)而言，碳纖維橫梁同樣也能起到非常明顯的降本效果。當機床加速度從1g提升到2g時(shí)，意味著(zhù)用戶(hù)只需要花比過(guò)去買(mǎi)一臺設備多一點(diǎn)點(diǎn)的錢(qián)，就能實(shí)現過(guò)去買(mǎi)2臺設備的效果，大大提高了整機的價(jià)值。同時(shí)，更輕的橫梁也意味著(zhù)承受主要運動(dòng)載荷的導軌和齒條磨損會(huì )更輕，能夠大幅度提高導軌和齒條的使用壽命，延長(cháng)設備使用年限。 值得一提的是，由于金屬橫梁的成型過(guò)程是熱加工，大量切削加工會(huì )在金屬內部形成殘余應力，隨著(zhù)時(shí)間的推移，殘余應力逐漸釋放，就會(huì )造成橫梁彎曲變形，影響設備精度。即使反復時(shí)效熱處理，仍然不能杜絕。而鋁合金橫梁偏軟、易變形，需要售后人員頻繁調校才能保證設備精度。且較重的橫梁在長(cháng)期工作中容易導致電機發(fā)熱（甚至燒毀），這些都將給企業(yè)帶來(lái)巨大的售后成本，也會(huì )造成用戶(hù)停產(chǎn)等待維修。 而碳纖維主要成分是碳，屬于無(wú)機脆性材料，沒(méi)有塑性變形，斷裂伸長(cháng)率僅約2％。碳纖維復合材料一旦成型，在長(cháng)期使用中不存在蠕變，沒(méi)有疲勞，能夠長(cháng)時(shí)間保持高精度，無(wú)須售后人員反復調校。且碳纖維橫梁重量更輕，對電機的損耗更小，幾乎不會(huì )發(fā)生電機發(fā)熱的情況。因此，碳纖維橫梁既能幫助企業(yè)節省售后成本，也能幫助用戶(hù)避免頻繁停機停產(chǎn)。 大功率激光切割機是否適用？ 由于飛越激光主要生產(chǎn)精密激光設備，與文章開(kāi)頭的高功率激光切割機需求并不完全一致。為了給最初的疑問(wèn)找到更貼合的答案，筆者在劉總的引薦下，聯(lián)系了目前國內唯一一家碳纖維橫梁的生產(chǎn)商——北京海森德克復合材料科技有限公司。 海森德克總經(jīng)理李總介紹，目前公司已經(jīng)給國內某家主打萬(wàn)瓦級以上的超高功率激光切割機廠(chǎng)家做了配套，并拿到了批量訂單。盡管萬(wàn)瓦激光切割對精度的要求不如精密設備高，但其對速度、加速度（尤其是在功率已經(jīng)到頂的情況下）格外重視。 然而，激光功率提高后，往往在切復雜圖案、小圖案時(shí)速度跑不起來(lái)，只有較長(cháng)、且方向基本一致的直線(xiàn)或弧線(xiàn)才能發(fā)揮超高功率的速度優(yōu)勢。隨著(zhù)工業(yè)設計水平的提高，機床加工的對象更加曲線(xiàn)化，精細化，圖案更加復雜，因此高功率并不能全面提升加工效率，其關(guān)鍵還是在運動(dòng)軸的加速度和速度（其中最關(guān)鍵最難實(shí)現的是橫梁的加速度）。加速度越大，機床在切割小尺寸彎曲軌跡時(shí)效率就越高，反之則越低。 目前鋼制橫梁太重，驅動(dòng)電機功率扭矩不足，提升加速度容易造成振顫等現象，限制了性能的提升。而鋁制橫梁重量雖然減輕，但是材質(zhì)軟，剛性不足，加速時(shí)顫動(dòng)等，也限制了性能的提升。碳纖維橫梁重量輕，剛度優(yōu)于鋁合金接近鋼，且材料本身對振動(dòng)傳播的阻尼較金屬材料大的多，有利于降低運動(dòng)中的振動(dòng)。因此，碳纖維橫梁能夠顯著(zhù)提高大功率切割機床的動(dòng)態(tài)性能。 此外，李總還介紹了碳纖維橫梁抗事故損壞的特性。龍門(mén)式橫梁多采取雙側電機數控同步驅動(dòng)，當遭遇控制系統故障或外部撞車(chē)等因素時(shí)，可能會(huì )出現雙側驅動(dòng)電機失同步，造成卡死，嚴重時(shí)造成橫梁扭動(dòng)變形。由于金屬材料屬于塑性形變，一旦發(fā)生大的變形將是永久變形，無(wú)法回到原狀態(tài)，機床將就此停擺，直到更換新橫梁。 而碳纖維沒(méi)有塑性變形，因此在材料承受很大外力發(fā)生較大的變形后，只要不造成材料內部損壞，外力解除后，碳纖維復合材料可以回彈到原狀態(tài)而不發(fā)生永久變形。這個(gè)特性遠優(yōu)于金屬材料，因此碳纖維復合材料也被應用于彈性元件（如振動(dòng)臺彈簧板），其彈力持久穩定不發(fā)生衰減。使用在高速運動(dòng)的機床上，即使發(fā)生撞車(chē)、兩側驅動(dòng)不平衡卡死等嚴重的事故，使橫梁發(fā)生變形，事故解除后，可以回到原狀態(tài)，精度可以保持。 本月27－29日海森德克將參加深圳國際會(huì )展中心（寶安新館）舉辦的激光博覽會(huì )，屆時(shí)將在9號館C112展位與業(yè)內同仁進(jìn)行深入交流。 |
