自动激光下料技术来袭，挑战传统冲压的“底线”。传统的下料方式，无论你用什么方式剪切或者冲裁都会对板料的切口或者表面造成损伤或者细小的裂纹，如果是高度钢下料损伤或着裂纹将会更明显。而激光技术是一种无接触的剪裁技术，不会造成板料产生裂纹。能够设想在一个高速落料线厂房没有高大的穹顶，但有足够的起吊能力就能更换卷料吗？这是可以的。在这种新式厂房里没有机械式落料压力机，也没有笨重的基座，也没有其他压力机必需的辅助设备。
 

        取而代之的是，高速激光器从喂料端就切割平板下料（见图1）。在传统工艺里，切下的板料堆积起来等待进入冲压或其他后续工序。在新的下料方式里，如 果需要做出下料调整，或者生产一种新的零部件，工程师只需要修改激光器的数控程序而已，非常快捷方便。这样就没有必要去争分夺秒地更换下料模具，因为根本 就没有模具了。

        这个工艺，目前还是设想阶段，但是它的意义深远，不但改变了落料线的方式，也让模具设计人员更多把注意力放在落料后的成形工序。

       

        如何让落料更加经济节省，是成形模具设计考虑的一个重要因素。剪切依然是最便宜的一种下料方式，下料的形状越接近简单的矩形或者剪床其他能剪出的形状，就越省钱。相比之下，下曲线形状的料就不那么合算了，因为加工复杂轮廓的坯料的话，模具价格昂贵。

        但是矩形的落料有棱角，额外增加成形模具的应力，导致变薄或者开裂。所以模具加工人员不得不用拉伸凸缘和其他元素固定料材，让金属缓慢的流入模腔。但是，激光落料就不用这么煞费苦心，因为激光不用太费劲就能切出各种合适的轮廓，最大可能使得冲压工序变得容易。

       

        杰.芬（Jay Finn）是俄亥俄州拿破仑市自动进料公司（Automatic Feed Co. in Napoleon, Ohio）的子公司高产技术有限公司（High Production Technology LLC）的应用工程师，他和液化空气工业公司休斯敦办公室的国际同事查尔斯.卡里斯坦（Charles Caristan）一道研发激光落料技术，后者事实上已经为激光下料的新概念下了十年以上的苦功。

        那时候，激光下料的理念是源于汽车行业的高度竞争的需求，同时也是为了突破既有技术的限制。二氧化碳激光在小批量的金属板材切割领域占绝对地位，但 是在大规模生产领域表现不佳。在很多年里，鉴于这样那样的借口，大多数的激光下料解决方案只能一年加工60,000件或者更少的落料，有人说，激光也只能 切得这么快了。

        在四年前，情况依旧如此。激光专家迈克尔.本本内克（MichaelBembenek）在2006的“工业激光解决方案”杂志 （IndustrialLaser Solutions）中写到：“在生产投资 计划中，产量仍然是主要的考虑因素。速度和循环周期……仍然是决定性的因素。这大概是为什么板材生产商和使用商对于激光下料的反应是一样的：’这个并不能 帮我们省钱。’”

        时移势易，感谢电信行业的进步，产量不再是激光落料争论的焦点。他们研发出一种特殊的镀层光纤，激光行业很快就发现这种新发明用于生产一种新的、功率更强的激光：光纤激光。

       


        卡里斯坦说：“大部分的白车身厚度在3毫米以下，所以非常适合用光纤激光来切割。”它高度聚集的光线特别适合快速切割薄板。光纤传导激光是固态激 光，易于维护和集成。电源和辅助设备只占用几平方英尺的面积。这种激光器还有很好的扩展性。用光纤长距离传导能量的时候，光纤直径要足够大以容纳增加的能 量，电源内的光纤模块也能集束在一起增加功率。

        芬说：“我们用5KW的光纤激光做过实验，可以一分钟切80米1毫米后的铝板。我们也可以一分钟切67米1毫米厚的钢板。”排列几个大功率的光纤激光同时连续切零部件，其生产效率和一太高速落了线相当。

        新的10KW的光纤激光可能会有更加快速的表现。这就是所谓的多模技术，集成了多波模式产生适合实际应用的最佳光线。新出现的单模光纤更是引爆了更大的兴趣，它能放射出聚焦更加集中的激光，用更少的能量切割得更快。

        “将来一个3KW的单模激光的切割速度将会和现在一个5KW多模激光的切得一样快。” 卡里斯坦解释说。

       

        高强钢的工业应用也强化了激光下料的优势。高强钢对下料模伤害很大，使它们过早地磨损。而机械下料的动作会给切下的高强钢坯料造成细小的裂纹，导致其在后续的冲压过程中破裂。

         芬解释说：“下料的时候，不管你用什么方式剪切或者冲裁，最后得到的板料切口附近总有一系列的细小裂纹，而在给高速钢下料的时候，这些细纹会更加明显。”

        激光切割则用不着考虑管金属坚硬与否，它主要和坯料的厚度和发射率（例如钢和铝的反射率就不同）等因素有关。实践表明，光线激光可以毫不费力地切开高强钢。

        芬说：“激光才不在乎一块金属是1500，980或者560MPa，强度根本不是激光切割考虑的问题。”


        曾经有段实践，一些机构限制用激光切割板材，甚至用来制造样品也不行，因为担心激光在切割边缘的热影响区会给压力成形带来麻烦。卡里斯坦回忆说，经 过一些研究之后，行业很快发现恰恰激光切割的竞争对手――下料模具问题更严重：实际上，下料模在切边产生的问题要比激光切割还多。随着激光切割运动更加迅 速，热影响区的问题就没什么人提了。自那之后，激光切割成为了制造样品的下料方案之一。今天，人们希望激光切割能够进入批量生产的现场。

        芬说：“使用了大功率光纤激光之后，热影响区从切口位置的深度已经很少超过0.2毫米了，随着速度提升，这个影响将会越来越小。”

       

        激光可以很容易在板料上切出适合成形轮廓。事实上，激光更喜欢曲线的轮廓，因为要切出一个角来，线性驱动器必需减缓切头的速度，停顿片刻，然后再次启动转向另一个方向，或者绕过拐角，然后绕回来。而切一个曲线，激光头不需要停止运动。（见图2）
 

        图2:激光切割更喜欢曲线的形状。加工一个拐角，激光头要么停下来换一个方向（左图），要么绕一个圈再返回回来（右图）。而加工一个曲线，激光头的速度可以保持恒定。（图由查尔斯.卡里斯坦提供）

         卡里斯坦说“在冲压时，这些曲线形的坯料更有助于金属的流动，而且会减少变薄的程度。”
 

        (图3）这个图显示了三个潜在的落料形状，它们重叠在一起：一个尖角（成形性最差），一个是圆角（成型性好一些），一个有晕线（成型性最好）查尔斯.卡里斯坦供图。

图片翻译：Cornerangle尖角    punch 冲头 die 模具 binder 压边
Cornerradius 圆角
Relieffeature 晕线
35％ Max.Thinning（35％最大的变薄度）
21％Max.Thinning（21%最大的变薄度）

        图4 这些是在俄亥俄州立大学作的模拟实验。左边的矩形板料在成形时更容易变薄（35%），而右边曲线轮廓的板料变薄程度则是21%。图由查尔斯.卡里斯坦提供。
 

        图4中的两块坯料重叠在一起，用来显示最佳的材料利用率。板材B比板材A少用11.6的材料。

FormedPart（top View）：成形零件俯视图
PartDepth（75mm）：零件深度－75mm
BlankA（Simple blank shape） 简单下料形状
BlankB（Laser Cut Blank optimum Shape） ：激光下料的最优形状
 

落料1：不需要下料模具；成形难度大；大量加工废料
落料2：需要落料模具。
落料3：适合成形的优化曲线
落料4：最优的形状，可以减少褶皱、翘曲，提供材料利用率
 

        图6 落料1可以用剪刀下料，加工费并不贵，但是这种形状会产生大量的废料。落料2需要下料模具，但是仍会产生很多的废料。落料3也可以用下料模具加工，但是昂 贵的价格可能让应用不合算。激光可以轻松地切出落料3和落料4。落料4 可能会多耗一点激光加工时间，但是会在后续的因此消除的切削环节把时间赚回来。

        在若干年前，卡里斯坦和泰兰.阿尔坦（Taylan Altan）博士和舍哈特.卡亚（Serhat Kaya）一起在俄亥俄州（见图3、图4、图5）开始这个方向的研究。正如卡里斯坦解释的，这项研究表明，激光下料有助于把模具设计人员从下料模的束缚中 解放出来。不久之后，坯料不必一定再切成梯形或者其他简单的尖角形状。现在，坯料的形状轮廓可以更加自由地设计，让冲压更加容易。冲压工解决冲压问题的时 候，所用的手段就不仅仅是重新设计尺寸，微调整角度，用拉伸凸缘进行补偿，或者其他的一些模具的技巧，而且可以重新设计非常复杂的轮廓。不需要拉伸凸缘的 话，也意味着小吨位的压力机也能加工零件。

       

        有消息说，第一条激光落料线有可能在未来几年内出现。芬预言将来有一天，快速激光柔性落料系统将应用于生产，同时为多条冲压生产线进料。他说：“你 将看到一条激光生产线同时为四到五条冲压线供料。”他补充说，这样的柔性能力将集成到将来的冲压线中。大规模的个性化定制时代已经到了。

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