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(jī)發(fā)布后，業(yè)內(nèi)發(fā)起了功率是否到頂?shù)挠懻摗?/span>奔騰激光總裁吳讓大認(rèn)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(duì)切割效率和切割能力貢獻(xiàn)已經(jīng)不那么明顯，反而會(huì)進(jìn)一步增加用戶的成本，也會(huì)進(jìn)一步增加能耗。但工業(yè)領(lǐng)域?qū)π实淖非笫菬o(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？
引入碳纖維橫梁實(shí)現(xiàn)加速度翻倍
這一問(wèn)題并未困擾筆者太長(zhǎng)時(shí)間。不久前，筆者走訪了飛越激光，并通過(guò)飛越激光對(duì)床身的改進(jìn)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(qiáng)度高、不變形、重量輕的特點(diǎn)，在實(shí)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(jī)床的關(guān)鍵部件之一，橫梁本身的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性決定了龍門式機(jī)床的整機(jī)性能，對(duì)于機(jī)床的加工效率、精度和穩(wěn)定性都有重要影響。目前機(jī)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(diǎn)，但由于本身重量過(guò)高，通常應(yīng)用于對(duì)速度要求不高的機(jī)床。要實(shí)現(xiàn)高速和高加速度，需要電機(jī)匹配很大的功率和扭矩。當(dāng)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，人們開始采用鋁合金橫梁，但鋁梁重量仍然偏大，對(duì)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(gè)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(jìn)一步提升機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)大量努力，已將過(guò)去精密切割機(jī)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(jí)提升到μ級(jí)。
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(shì)?；谥亓枯p的優(yōu)勢(shì)，碳纖維橫梁運(yùn)動(dòng)慣量小，對(duì)齒條、電機(jī)的要求大幅降低，同時(shí)也讓床身實(shí)現(xiàn)了減重。前面提到，鋼梁、鋁梁要實(shí)現(xiàn)高速和高加速度，需要電機(jī)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(jī)方面的成本，用普通的電機(jī)也能達(dá)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(gòu)性能更加強(qiáng)大的電機(jī)、齒條等，甚至這些增加的成本還會(huì)高于設(shè)備給用戶創(chuàng)造的價(jià)值，用戶不會(huì)為之買單。劉總表示，小微民營(yíng)企業(yè)無(wú)法去做成功率低且用戶未必認(rèn)可的投入，這對(duì)企業(yè)而言風(fēng)險(xiǎn)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(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(duì)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(jī)床加速度從1g提升到2g時(shí)，意味著用戶只需要花比過(guò)去買一臺(tái)設(shè)備多一點(diǎn)點(diǎn)的錢，就能實(shí)現(xiàn)過(guò)去買2臺(tái)設(shè)備的效果，大大提高了整機(jī)的價(jià)值。同時(shí)，更輕的橫梁也意味著承受主要運(yùn)動(dòng)載荷的導(dǎo)軌和齒條磨損會(huì)更輕，能夠大幅度提高導(dǎo)軌和齒條的使用壽命，延長(zhǎng)設(shè)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(nèi)部形成殘余應(yīng)力，隨著時(shí)間的推移，殘余應(yīng)力逐漸釋放，就會(huì)造成橫梁彎曲變形，影響設(shè)備精度。即使反復(fù)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(diào)校才能保證設(shè)備精度。且較重的橫梁在長(zhǎng)期工作中容易導(dǎo)致電機(jī)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)造成用戶停產(chǎn)等待維修。
而碳纖維主要成分是碳，屬于無(wú)機(jī)脆性材料，沒(méi)有塑性變形，斷裂伸長(zhǎng)率僅約2％。碳纖維復(fù)合材料一旦成型，在長(zhǎng)期使用中不存在蠕變，沒(méi)有疲勞，能夠長(zhǎng)時(shí)間保持高精度，無(wú)須售后人員反復(fù)調(diào)校。且碳纖維橫梁重量更輕，對(duì)電機(jī)的損耗更小，幾乎不會(huì)發(fā)生電機(jī)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(jī)停產(chǎn)。
大功率激光切割機(jī)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(jī)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(guó)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(guó)內(nèi)某家主打萬(wàn)瓦級(jí)以上的超高功率激光切割機(jī)廠家做了配套，并拿到了批量訂單。盡管萬(wàn)瓦激光切割對(duì)精度的要求不如精密設(shè)備高，但其對(duì)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(shí)速度跑不起來(lái)，只有較長(zhǎng)、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(shì)。隨著工業(yè)設(shè)計(jì)水平的提高，機(jī)床加工的對(duì)象更加曲線化，精細(xì)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(yùn)動(dòng)軸的加速度和速度（其中最關(guān)鍵最難實(shí)現(xiàn)的是橫梁的加速度）。加速度越大，機(jī)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(qū)動(dòng)電機(jī)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(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(duì)振動(dòng)傳播的阻尼較金屬材料大的多，有利于降低運(yùn)動(dòng)中的振動(dòng)。因此，碳纖維橫梁能夠顯著提高大功率切割機(jī)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。龍門式橫梁多采取雙側(cè)電機(jī)數(shù)控同步驅(qū)動(dòng)，當(dāng)遭遇控制系統(tǒng)故障或外部撞車等因素時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)雙側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)失同步，造成卡死，嚴(yán)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(jī)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(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(gè)特性遠(yuǎn)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(dòng)臺(tái)彈簧板），其彈力持久穩(wěn)定不發(fā)生衰減。使用在高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)床上，即使發(fā)生撞車、兩側(cè)驅(qū)動(dòng)不平衡卡死等嚴(yán)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(guó)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(hào)館C112展位與業(yè)內(nèi)同仁進(jìn)行深入交流。
