投资高功率激光切割的商业理由

很多年前，每当我参观不同的精密钣金车间时都会有人夸耀2kW、3kW、6kW CO₂激光系统实现的切割速度和每分钟切割的英寸数（IPM，1英寸≈25.4mm/2.54cm）。后来，光纤激光器就出现了。令人瞠目结舌的IPM数字不绝于耳，随后又逐渐平息。大家很快意识到，光纤激光器切割薄板速度之快，超过了以往的任何设备。但同时也出现了新的问题。如果超快切割速度造成了加工后零件需要去毛刺，那切割速度快还有什么用？

现在Jeff Cupples仍然经常引用IPM数字，但他说的不是切割规格材料，而更多的是指厚板。几十年来，他建立了一家定制加工厂，在激光切割界以突破极限而闻名。目前，总部位于美国田纳西州杰克逊市的Cupples' J&J Co.公司拥有24台激光切割机，其中包括两台30kW系统，还有一台40kW系统即将投入使用并配备斜面切割功能。

Jeff Cupples（左）和激光技术员Mike Etheridge站在30kW光纤激光切割设备（Cutlite Penta）旁。多年来公司一直与不同的设备供应商密切合作，不断推动技术进步

现在，车间切割3/4英寸厚钢材的速度与20年前切割11号钢板的速度相仿，达到225 IPM或更高。走过工厂的高功率激光切割区时，Cupples指着各种零件说，所有零件都切割得很干净，没有渣滓。现在，车间设备切割5/8英寸材料的速度可以达到290 IPM。Cupples表示：“当然我们可以切割得更快，但那是一个生产部件，所以我们把速度调低了一些。”

Cupples注重速度，但也非常关注整体工艺的可靠性和一致性。他和团队仔细检查了从装板到去毛刺和边缘质量检查的整个流程。公司拥有强大的激光切割能力，但却没有平面部件去毛刺、脱氧或校平设备。即使是长形或奇形怪状的零件，也能干净利落地堆放平整，无需进行零件找平。

加工时间的大幅缩短是厂商取得成功的主要原因。两年前，公司使用6kW CO2激光切割机加工一个3/4英寸的零件需要两个多小时。如今，用超高功率光纤激光器切割这些零件的套料只需19分钟多一点，然后快速去毛刺，最后直接送往机器人焊接。时间上的节省，为制造市场带来了无限可能。实际上，这些突破性正在帮助J&J公司在快速增长的细分市场中保持领先地位，特别是在精密板材加工领域。

J&J公司的发展史

Cupples的父亲James于1966年创办了公司，并在1979年搬到了杰克逊的现址。当时，J&J公司只是一家小型机械加工厂。在当地加工厂的机器发生故障时，Cupples就会被紧急召去提供机加工零件。20世纪90年代初公司开始涉足精密金属加工，到20世纪90年代末加工业务开始爆炸式增长。如今，钣金和板材加工业务已占到该公司收入的一半以上，其中大部分都是加工零件。

在精密制造领域，该公司以其高功率激光器而闻名，但它仍然加工各种等级和厚度的材料，从规整材料到高级材料。公司拥有一个大型等离子工作台和一个95-KSI水刀，用于特殊工作或不能承受热影响区的工件。“几十年来，我们一直在大力发展食品加工设备，”Cupples说，“还有车库里的任何设备、割草机或移动泥土的设备。对我们来说，这些都是公司基本的支柱产业。”

J&J 公司的 30kW 光纤激光切割设备以 228 IPM 的速度切割 3/4 英寸热轧酸洗和涂材料

几年前，公司的管理团队搬进了与主要工厂隔路相望的一家工厂。在东面，这家制造厂获得了几英亩的土地。最初的机械车间占地4英亩。如今，公司已拥有80多英亩土地，不久将全部划为工业用地。J&J公司已经成为全美最大的合同金属制造商之一，拥有进一步发展的广阔空间。

精密板材切割的涟漪效应

在二氧化碳激光加工时代，考虑到光束的形状和聚焦深度，许多人认为材料厚度不超过1英寸就是激光切割的实际极限。当光纤激光器在2000年代末出现时，所有人都认为它们是适用于薄板切割的机器。想要切割厚板，就继续使用二氧化碳设备。

如今时代变了。超高功率光纤激光器凭借宽光束、超高功率密度、先进的切割头、可控气流以及精密的氮氧辅助气体混合和输送技术，将这些担忧一扫而空。如今，Cupples的J&J公司已经测试切割1.5英寸甚至2英寸厚的板材。

推动激光切割技术的发展并非没有风险。几年前，当功率达到或超过12kW光纤激光器投放市场时，J&J公司作为早期使用者参与其中，并经历了相当痛苦的适应期。“在10个月的时间里，我们烧毁了大约14个激光头，”Cupples说，“公司不得不忍受长时间停机等待维修的情况。但我们还是努力把技术推向它所能做的极限。”

多年来，他不断地与激光切割机供应商沟通，包括通快、百超及最近的Cutlite Penta。机器技术人员在Cupples的车间工作了很长时间，这里已成为光纤激光切割（尤其是板材切割）领域的测试实验室。

这一切听起来可能有点不可思议。停机时间并不便宜，而且这种重型板材切割很难实现自动化。操作员需要挥动磁铁，有时还需要用锤子（尽管大多数部件的切口几何形状已经非常完美，因此很容易就能抬起来），用手将这些沉重的部件从切割巢中取出。即使拥有所有激光设备，制造厂仍需依靠操作人员穿梭工作台进行人工卸载零件。

不过往下游看就会发现员工们所说的“Cupples方式”。工厂现在有39台折弯机，其中许多在靠近高功率激光器的地方进行了战略性组合。有些折弯机是新设备，配备了多轴背规及所有功能。但也有一些是经过改装过的，配备了新的数控系统并对床身表面进行了重新加工，以消除任何滑块扰动，确保成型精度。“我们是一家机械加工厂，”Cupples说，“我们可以加工任何需要的零件，这就是我们的工作。”

有些机器的X轴挡板上装有精密激光切割的模板，这些模板是为特定零件设计的，否则无法在制动器上进行有效弯曲。操作员也不用花几个小时费力地安装这些机器。这些制动器虽然老旧，但保养得很好，并由特定的服务中心和轧机用特定的材料完成特定工作。Cupples严格检查待加工的所有材料，包括一些非常厚的热轧酸洗和涂油材料，监控强度、表面质量和整体一致性，让激光切割和成型都能从中受益。

Cupples的团队拥有强大的机械加工能力，此外还拥有大量的激光切割检查夹具。操作员将工件成型后放入检查夹具，然后再加工下一个工件。轧制也是如此，操作员启动轧制程序，在板辊完成轧制循环时，在检查夹具中测量先前轧制的工件，然后取回下一个轧件。Cupples工厂的生产已然成为了一场精心编排的高效芭蕾舞。

来源：荣格-《 国际工业激光商情》

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