不堆激光功率，如何提升機床加工效率？

過去，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6萬瓦激光切割機發(fā)布后，業(yè)內(nèi)發(fā)起了功率是否到頂?shù)挠懻?。奔騰激光總裁吳讓大認為：6萬瓦已經(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，反而會進一步增加用戶的成本，也會進一步增加能耗。但工業(yè)領(lǐng)域?qū)π实淖非笫菬o止境的，如果功率已經(jīng)觸及天花板，還能通過什么方式來提高加工效率呢？

引入碳纖維橫梁實現(xiàn)加速度翻倍

這一問題并未困擾筆者太長時間。不久前，筆者走訪了飛越激光，并通過飛越激光對床身的改進得到了一些啟示。

飛越激光是一家專業(yè)從事高精密激光技術(shù)應(yīng)用開發(fā)的高新科技企業(yè)，在高精密激光切割、焊接、打標(biāo)等激光應(yīng)用領(lǐng)域多有建樹。飛越激光總經(jīng)理劉總介紹，他們從去年開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，在實際應(yīng)用中還能起到非常明顯的提速降本效果。

眾所周知，橫梁是龍門式機床的關(guān)鍵部件之一，橫梁本身的靜態(tài)和動態(tài)特性決定了龍門式機床的整機性能，對于機床的加工效率、精度和穩(wěn)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。

鋼鑄橫梁具備穩(wěn)定性好，精度高的優(yōu)點，但由于本身重量過高，通常應(yīng)用于對速度要求不高的機床。要實現(xiàn)高速和高加速度，需要電機匹配很大的功率和扭矩。當(dāng)動態(tài)特性匹配超過極限時，無法進一步提高。為了給橫梁減重，人們開始采用鋁合金橫梁，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(shù)大，精度易受溫度變化影響。因此，鋁合金橫梁往往3－6個月就需重新調(diào)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一步提升機床運動速度和加速度成為可能。據(jù)劉總透露，在引入碳纖維橫梁后，飛越激光研發(fā)團隊經(jīng)過大量努力，已將過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精度也從過去的絲級提升到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的降本優(yōu)勢?；谥亓枯p的優(yōu)勢，碳纖維橫梁運動慣量小，對齒條、電機的要求大幅降低，同時也讓床身實現(xiàn)了減重。前面提到，鋼梁、鋁梁要實現(xiàn)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，提升加速度往往會犧牲精度，而提升精度則往往會犧牲加速度，二者難以兩全。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高于設(shè)備給用戶創(chuàng)造的價值，用戶不會為之買單。劉總表示，小微民營企業(yè)無法去做成功率低且用戶未必認可的投入，這對企業(yè)而言風(fēng)險過高，但碳纖維橫梁讓提高加速度的成功概率大幅提升，且實現(xiàn)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。

對終端用戶而言，碳纖維橫梁同樣也能起到非常明顯的降本效果。當(dāng)機床加速度從1g提升到2g時，意味著用戶只需要花比過去買一臺設(shè)備多一點點的錢，就能實現(xiàn)過去買2臺設(shè)備的效果，大大提高了整機的價值。同時，更輕的橫梁也意味著承受主要運動載荷的導(dǎo)軌和齒條磨損會更輕，能夠大幅度提高導(dǎo)軌和齒條的使用壽命，延長設(shè)備使用年限。

值得一提的是，由于金屬橫梁的成型過程是熱加工，大量切削加工會在金屬內(nèi)部形成殘余應(yīng)力，隨著時間的推移，殘余應(yīng)力逐漸釋放，就會造成橫梁彎曲變形，影響設(shè)備精度。即使反復(fù)時效熱處理，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(diào)校才能保證設(shè)備精度。且較重的橫梁在長期工作中容易導(dǎo)致電機發(fā)熱（甚至燒毀），這些都將給企業(yè)帶來巨大的售后成本，也會造成用戶停產(chǎn)等待維修。

而碳纖維主要成分是碳，屬于無機脆性材料，沒有塑性變形，斷裂伸長率僅約2％。碳纖維復(fù)合材料一旦成型，在長期使用中不存在蠕變，沒有疲勞，能夠長時間保持高精度，無須售后人員反復(fù)調(diào)校。且碳纖維橫梁重量更輕，對電機的損耗更小，幾乎不會發(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(jié)省售后成本，也能幫助用戶避免頻繁停機停產(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(shè)備，與文章開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(nèi)唯一一家碳纖維橫梁的生產(chǎn)商——北京海森德克復(fù)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(nèi)某家主打萬瓦級以上的超高功率激光切割機廠家做了配套，并拿到了批量訂單。盡管萬瓦激光切割對精度的要求不如精密設(shè)備高，但其對速度、加速度（尤其是在功率已經(jīng)到頂?shù)那闆r下）格外重視。

然而，激光功率提高后，往往在切復(fù)雜圖案、小圖案時速度跑不起來，只有較長、且方向基本一致的直線或弧線才能發(fā)揮超高功率的速度優(yōu)勢。隨著工業(yè)設(shè)計水平的提高，機床加工的對象更加曲線化，精細化，圖案更加復(fù)雜，因此高功率并不能全面提升加工效率，其關(guān)鍵還是在運動軸的加速度和速度（其中最關(guān)鍵最難實現(xiàn)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效率就越高，反之則越低。

目前鋼制橫梁太重，驅(qū)動電機功率扭矩不足，提升加速度容易造成振顫等現(xiàn)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，加速時顫動等，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，且材料本身對振動傳播的阻尼較金屬材料大的多，有利于降低運動中的振動。因此，碳纖維橫梁能夠顯著提高大功率切割機床的動態(tài)性能。

此外，李總還介紹了碳纖維橫梁抗事故損壞的特性。龍門式橫梁多采取雙側(cè)電機數(shù)控同步驅(qū)動，當(dāng)遭遇控制系統(tǒng)故障或外部撞車等因素時，可能會出現(xiàn)雙側(cè)驅(qū)動電機失同步，造成卡死，嚴重時造成橫梁扭動變形。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(nèi)部損壞，外力解除后，碳纖維復(fù)合材料可以回彈到原狀態(tài)而不發(fā)生永久變形。這個特性遠優(yōu)于金屬材料，因此碳纖維復(fù)合材料也被應(yīng)用于彈性元件（如振動臺彈簧板），其彈力持久穩(wěn)定不發(fā)生衰減。使用在高速運動的機床上，即使發(fā)生撞車、兩側(cè)驅(qū)動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展中心（寶安新館）舉辦的激光博覽會，屆時將在9號館C112展位與業(yè)內(nèi)同仁進行深入交流。

審核編輯：湯梓紅