不堆激光功率，如何提升机床加工效率？

过去，提升激光功率被视为提升加工效率最直接最有效的方式，但在6万瓦激光切割机发布后，业内发起了功率是否到顶的讨论。奔腾激光总裁吴让大认为：6万瓦已经具备全面取代等离子、火焰切割的能力，再高的功率对切割效率和切割能力贡献已经不那么明显，反而会进一步增加用户的成本，也会进一步增加能耗。但工业领域对效率的追求是无止境的，如果功率已经触及天花板，还能通过什么方式来提高加工效率呢？

引入碳纤维横梁实现加速度翻倍

这一问题并未困扰笔者太长时间。不久前，笔者走访了飞越激光，并通过飞越激光对床身的改进得到了一些启示。

飞越激光是一家专业从事高精密激光技术应用开发的高新科技企业，在高精密激光切割、焊接、打标等激光应用领域多有建树。飞越激光总经理刘总介绍，他们从去年开始引入了碳纤维横梁，这种横梁从表面上看具备强度高、不变形、重量轻的特点，在实际应用中还能起到非常明显的提速降本效果。

众所周知，横梁是龙门式机床的关键部件之一，横梁本身的静态和动态特性决定了龙门式机床的整机性能，对于机床的加工效率、精度和稳定性都有重要影响。目前机床的横梁采用金属制造，主要是钢铁和铝合金铸造。

钢铸横梁具备稳定性好，精度高的优点，但由于本身重量过高，通常应用于对速度要求不高的机床。要实现高速和高加速度，需要电机匹配很大的功率和扭矩。当动态特性匹配超过极限时，无法进一步提高。为了给横梁减重，人们开始采用铝合金横梁，但铝梁重量仍然偏大，对速度和加速度提升有限，且铝合金材料模量低、偏软、容易变形、热胀系数大，精度易受温度变化影响。因此，铝合金横梁往往3－6个月就需重新调校。

而碳纤维横梁的重量是钢制的1／4～ 1／5，是铝合金制的1／2～1／3，这种轻重量材料让进一步提升机床运动速度和加速度成为可能。据刘总透露，在引入碳纤维横梁后，飞越激光研发团队经过大量努力，已将过去精密切割机床普遍为0．8g－1g的加速度提升到2g，在加速度翻倍的同时精度也从过去的丝级提升到μ级。

碳纤维横梁还能降低成本？

除了速度提升外，刘总还提到碳纤维横梁给飞越激光带来的降本优势。基于重量轻的优势，碳纤维横梁运动惯量小，对齿条、电机的要求大幅降低，同时也让床身实现了减重。前面提到，钢梁、铝梁要实现高速和高加速度，需要电机匹配很大的功率和扭矩。而在保持加速度性能不变的情况下，碳纤维横梁能够有效降低床身、齿条、电机方面的成本，用普通的电机也能达到1g的加速度，且精度能够大幅提升。

此外，更高速度和加速度是工业领域永恒的追求。如果采用钢梁、铝梁，提升加速度往往会牺牲精度，而提升精度则往往会牺牲加速度，二者难以两全。如果要同步提升精度和加速度，则需要额外付出巨大的成本采购性能更加强大的电机、齿条等，甚至这些增加的成本还会高于设备给用户创造的价值，用户不会为之买单。刘总表示，小微民营企业无法去做成功率低且用户未必认可的投入，这对企业而言风险过高，但碳纤维横梁让提高加速度的成功概率大幅提升，且实现的成本也比之钢梁、铝梁大幅降低，因此飞越激光已经全面采用碳纤维横梁，彻底放弃了金属横梁。

对终端用户而言，碳纤维横梁同样也能起到非常明显的降本效果。当机床加速度从1g提升到2g时，意味着用户只需要花比过去买一台设备多一点点的钱，就能实现过去买2台设备的效果，大大提高了整机的价值。同时，更轻的横梁也意味着承受主要运动载荷的导轨和齿条磨损会更轻，能够大幅度提高导轨和齿条的使用寿命，延长设备使用年限。

值得一提的是，由于金属横梁的成型过程是热加工，大量切削加工会在金属内部形成残余应力，随着时间的推移，残余应力逐渐释放，就会造成横梁弯曲变形，影响设备精度。即使反复时效热处理，仍然不能杜绝。而铝合金横梁偏软、易变形，需要售后人员频繁调校才能保证设备精度。且较重的横梁在长期工作中容易导致电机发热（甚至烧毁），这些都将给企业带来巨大的售后成本，也会造成用户停产等待维修。

而碳纤维主要成分是碳，属于无机脆性材料，没有塑性变形，断裂伸长率仅约2％。碳纤维复合材料一旦成型，在长期使用中不存在蠕变，没有疲劳，能够长时间保持高精度，无须售后人员反复调校。且碳纤维横梁重量更轻，对电机的损耗更小，几乎不会发生电机发热的情况。因此，碳纤维横梁既能帮助企业节省售后成本，也能帮助用户避免频繁停机停产。

大功率激光切割机是否适用？

由于飞越激光主要生产精密激光设备，与文章开头的高功率激光切割机需求并不完全一致。为了给最初的疑问找到更贴合的答案，笔者在刘总的引荐下，联系了目前国内唯一一家碳纤维横梁的生产商——北京海森德克复合材料科技有限公司。

海森德克总经理李总介绍，目前公司已经给国内某家主打万瓦级以上的超高功率激光切割机厂家做了配套，并拿到了批量订单。尽管万瓦激光切割对精度的要求不如精密设备高，但其对速度、加速度（尤其是在功率已经到顶的情况下）格外重视。

然而，激光功率提高后，往往在切复杂图案、小图案时速度跑不起来，只有较长、且方向基本一致的直线或弧线才能发挥超高功率的速度优势。随着工业设计水平的提高，机床加工的对象更加曲线化，精细化，图案更加复杂，因此高功率并不能全面提升加工效率，其关键还是在运动轴的加速度和速度（其中最关键最难实现的是横梁的加速度）。加速度越大，机床在切割小尺寸弯曲轨迹时效率就越高，反之则越低。

目前钢制横梁太重，驱动电机功率扭矩不足，提升加速度容易造成振颤等现象，限制了性能的提升。而铝制横梁重量虽然减轻，但是材质软，刚性不足，加速时颤动等，也限制了性能的提升。碳纤维横梁重量轻，刚度优于铝合金接近钢，且材料本身对振动传播的阻尼较金属材料大的多，有利于降低运动中的振动。因此，碳纤维横梁能够显著提高大功率切割机床的动态性能。

此外，李总还介绍了碳纤维横梁抗事故损坏的特性。龙门式横梁多采取双侧电机数控同步驱动，当遭遇控制系统故障或外部撞车等因素时，可能会出现双侧驱动电机失同步，造成卡死，严重时造成横梁扭动变形。由于金属材料属于塑性形变，一旦发生大的变形将是永久变形，无法回到原状态，机床将就此停摆，直到更换新横梁。

而碳纤维没有塑性变形，因此在材料承受很大外力发生较大的变形后，只要不造成材料内部损坏，外力解除后，碳纤维复合材料可以回弹到原状态而不发生永久变形。这个特性远优于金属材料，因此碳纤维复合材料也被应用于弹性元件（如振动台弹簧板），其弹力持久稳定不发生衰减。使用在高速运动的机床上，即使发生撞车、两侧驱动不平衡卡死等严重的事故，使横梁发生变形，事故解除后，可以回到原状态，精度可以保持。

本月27－29日海森德克将参加深圳国际会展中心（宝安新馆）举办的激光博览会，届时将在9号馆C112展位与业内同仁进行深入交流。
 

审核编辑：汤梓红