EN
Новое определение эффективности в металлообработке
Эффективность резки металла — это не просто скорость резки. лазерная гильотина для металла процесс достигает истинной эффективности, когда три показателя совпадают: высокая производительность (количество деталей, выпускаемых за смену), высокая эффективность использования материала (количество годных деталей с одного листа) и минимальная потребность в последующей обработке (детали, не требующие вторичных операций перед сваркой или сборкой). Станок, выполняющий резку со скоростью 40 метров в минуту, но оставляющий заусенцы, требующие 10 минут шлифовки на каждую деталь, менее эффективен, чем станок, режущий со скоростью 20 метров в минуту и формирующий кромки, готовые к сварке.
Волоконно-оптический лазерный станок для резки кардинально изменил показатели эффективности с момента его внедрения в промышленность. Если системы CO₂-лазеров преобразовывали 10–15 % входной электрической мощности в энергию резки, то волоконные источники достигают КПД преобразования 30–40 %. Эта разница означает, что волоконный лазер мощностью 3 кВт потребляет примерно 8–10 кВт электрической мощности по сравнению с 20–30 кВт у CO₂-системы аналогичной выходной мощности. При 4000 часов ежегодной работы и стоимости электроэнергии 0,10 долл. США/кВт·ч экономия на электричестве только за счёт применения волоконного лазера составляет 4000–8000 долларов США.
Поставщик компонентов для судостроительных верфей, обрабатывающий стальные листы толщиной 6–12 мм для ребер жесткости переборок, заменил плазменный станок для резки на волоконно-оптический лазерный станок для резки модели 3015. Плазменная система производила детали, требовавшие зачистки кромок перед сваркой из-за угла наклона кромки и образования шлака. Квадратные, свободные от шлака кромки, получаемые при резке волоконным лазером, полностью исключили необходимость зачистки, сократив общее время обработки — резка плюс вторичные операции — примерно на 35 %, несмотря на сопоставимую скорость резки стали толщиной 12 мм.
Оптимизация скорости в зависимости от материала и толщины
Соотношение времени пробивки к времени резки
Каждый лазерная гильотина для металла процесс начинается с пробивки — лазер фокусируется в одной точке, чтобы пронзить материал перед началом траектории резки. Время пробивки варьируется от 0,5 секунды для стали толщиной 1 мм до 8–12 секунд для материала толщиной 16 мм. Пробивка потребляет вспомогательный газ и время работы лазера без формирования длины реза, что делает её этапом, снижающим общую эффективность лазерной обработки.
Деталь с 20 точками пробивки на низкоуглеродистой стали толщиной 6 мм при времени пробивки 1,5 секунды на каждую точку требует 30 секунд времени без резки. Если общая длина траектории резки составляет 3 метра при скорости 2,5 м/мин (72 секунды резки), то время пробивки составляет 29 % от общего цикла. Снижение количества пробивок за счёт оптимизированной раскладки — когда несколько деталей разделяют общую линию резки — напрямую повышает производительность без изменения параметров резки.
Импульсное пробивное резание, при котором лазер подаёт энергию импульсами длительностью в миллисекунды, а не непрерывно, сокращает время пробивки толстых материалов на 30–50 % по сравнению с непрерывной пробивкой. Импульсный метод формирует более узкое начальное отверстие, что позволяет кислородному потоку быстрее проникнуть в материал и экзотермической реакции начаться раньше в цикле пробивки.
Скорость резки в зависимости от материала
Низкоуглеродистая сталь с кислородом в качестве вспомогательного газа при мощности лазера 3 кВт: толщина 1 мм — 10–12 м/мин, 3 мм — 3–4 м/мин, 6 мм — 1,8–2,2 м/мин, 10 мм — 0,9–1,2 м/мин, 16 мм — 0,6–0,8 м/мин. Экспоненциальное снижение скорости с увеличением толщины означает, что производителям, основной объём работ которых связан с резкой толстого листа, следует рассмотреть возможность применения лазерных систем повышенной мощности: лазер мощностью 6 кВт обеспечивает резку стали толщиной 16 мм со скоростью 1,2–1,6 м/мин, что примерно вдвое выше скорости резки при мощности 3 кВт для той же толщины.
Нержавеющая сталь с азотом в качестве вспомогательного газа при мощности лазера 3 кВт: толщина 1 мм — скорость резки 8–10 м/мин, 3 мм — 2,5–3,5 м/мин, 6 мм — 1,2–1,6 м/мин, 8 мм — 0,7–0,9 м/мин. Азот в качестве вспомогательного газа обеспечивает более медленную резку по сравнению с кислородом при резке углеродистой стали, поскольку отсутствует экзотермическая реакция, дополняющая энергию процесса: резка осуществляется исключительно за счёт энергии лазера, плавящего материал, а азот выполняет лишь функцию механического удаления расплава.
Размещение заготовок и использование материала
Алгоритмическая оптимизация
При ручном размещении заготовок оператор располагает контуры деталей на листе визуально, достигая коэффициента использования материала 60–70 %. Автоматизированное программное обеспечение для размещения заготовок, использующее алгоритмическую оптимизацию, оценивает тысячи возможных вариантов размещения за считанные секунды и обеспечивает коэффициент использования материала 75–85 %. Разница в 15 процентных пунктов при ежемесячной переработке цехом 200 тонн стали по цене 800 долл. США за тонну соответствует примерно 24 000 долл. США ежемесячной экономии на материалах.
Оптимизация учитывает ограничения по ориентации деталей, требования к направлению зерна, возможности резки по общей линии и тепловой режим. Детали с длинными прямыми кромками выигрывают от резки по общей линии, при которой смежные детали делят одну линию реза, что сокращает общую длину реза и устраняет остаточный материал («скелет») между деталями.
Управление остаточным материалом («скелетом»)
Остаточный лист после вырезки деталей — так называемый «скелет» — представляет собой потери материала, которые ни одна оптимизация размещения не может полностью устранить. Масса «скелета» составляет 15–25 % от первоначальной массы листа при хорошо оптимизированном размещении. Производители компенсируют стоимость «скелета» путём переработки металлолома, однако разница между закупочной и продажной ценой — продажа лома по цене 40–60 % от первоначальной стоимости материала — означает, что каждый процент повышения коэффициента использования материала напрямую влияет на маржу затрат на материалы.
Конструирование деталей с учетом эффективности укладки — исключение ненужных выступов, стандартизация ориентации деталей, группировка деталей одинаковой толщины — обеспечивает улучшения, которых невозможно достичь с помощью программной постобработки. Проверка конструкции на технологичность изготовления до этапа укладки является наиболее эффективной мерой повышения эффективности использования материала.
Часто задаваемые вопросы
Насколько быстрее резка волоконным лазером по сравнению с плазменной резкой тонкого металла?
Волоконный лазер режет низкоуглеродистую сталь толщиной 1–3 мм в 3–5 раз быстрее, чем плазменная резка, обеспечивая значительно более высокое качество кромки. При толщине материала 6–12 мм преимущество в скорости сокращается до 1,5–2 раз. При толщине свыше 20 мм скорость плазменной резки зачастую превышает скорость резки волоконным лазером из-за более высокой эффективности передачи энергии плазменной дугой при обработке толстых сечений.
Что определяет максимальную скорость резки на станке с волоконным лазером?
Лазерная мощность является первостепенным фактором — скорость резки приблизительно линейно возрастает с увеличением мощности вплоть до предела теплопроводности материала. Тип и давление вспомогательного газа влияют на скорость удаления расплава. Состояние поверхности материала влияет на поглощение лазерного излучения. Лазерные станки с ЧПУ Rayman оснащены библиотеками параметров, оптимизирующих скорость резки для распространённых типов материалов.
Как использование материала влияет на общую стоимость резки?
Стоимость материала составляет 60–75 % от общей стоимости детали при типичном производстве листовых металлических изделий — остальное приходится на трудозатраты, амортизацию оборудования и расходные материалы. Повышение коэффициента использования материала на 10 % снижает его расход примерно на 13 % по сравнению с предыдущим базовым значением, что делает оптимизацию размещения деталей на листе наиболее эффективным инструментом повышения рентабельности.
Каковы расходы на расходные материалы при резке металлов волоконным лазером?
Вспомогательный газ (кислород/азот) является самым расходуемым материалом — от 3 до 8 единиц в час в зависимости от толщины и типа газа. Защитные линзы стоят от 20 до 50 единиц и требуют замены каждые 200–500 часов. Сопла стоимостью от 10 до 30 единиц служат 500–1000 часов. Средняя стоимость расходных материалов составляет 5–12 единиц за час работы.
Как сложность детали влияет на эффективность лазерной резки?
Каждое дополнительное прокалывание добавляет время, не связанное с резкой. Для сложных деталей с большим количеством внутренних элементов (отверстий, пазов) время прокалывания возрастает пропорционально по сравнению с простыми деталями, вырезаемыми только по контуру. Размещение сложных деталей вместе с более простыми на одном листе позволяет сбалансировать соотношение времени прокалывания ко времени резки в рамках всего производственного цикла.
Какова точка окупаемости модернизации мощности лазера?
Повышение мощности лазера с 3 кВт до 6 кВт обычно удваивает скорость резки для материалов толщиной свыше 8 мм. Для производителей, обрабатывающих более 30 % материала толщиной свыше 6 мм при годовом объеме работы не менее 2000 часов, повышение производительности обычно обеспечивает окупаемость затрат на модернизацию мощности в течение 18–24 месяцев.