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)內發(fā)起了功率是否到頂的討論。奔騰激光總裁吳讓大認為：6萬瓦已經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)領域對效率的追求是無止境的，如果功率已經觸及天花板，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應用開發(fā)的高新科技企業(yè)，在高精密激光切割、焊接、打標等激光應用領域多有建樹。飛越激光總經理劉總介紹，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。據劉總透露，在引入碳纖維橫梁后，飛越激光研發(fā)團隊經過大量努力，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。基于重量輕的優(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備多一點點的錢，就能實現(xiàn)過去買2臺設備的效果，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軌和齒條磨損會更輕，能夠大幅度提高導軌和齒條的使用壽命，延長設備使用年限。

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部形成殘余應力，隨著時間的推移，殘余應力逐漸釋放，就會造成橫梁彎曲變形，影響設備精度。即使反復時效熱處理，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校才能保證設備精度。且較重的橫梁在長期工作中容易導致電機發(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，無須售后人員反復調校。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。

大功率激光切割機是否適用？

由于飛越激光主要生產精密激光設備，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)系了目前國內唯一一家碳纖維橫梁的生產商——北京海森德克復合材料科技有限公司。

海森德克總經理李總介紹，目前公司已經給國內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備高，但其對速度、加速度（尤其是在功率已經到頂的情況下）格外重視。

然而，激光功率提高后，往往在切復雜圖案、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，圖案更加復雜，因此高功率并不能全面提升加工效率，其關鍵還是在運動軸的加速度和速度（其中最關鍵最難實現(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電機數控同步驅動，當遭遇控制系統(tǒng)故障或外部撞車等因素時，可能會出現(xiàn)雙側驅動電機失同步，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，只要不造成材料內部損壞，外力解除后，碳纖維復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，因此碳纖維復合材料也被應用于彈性元件（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、兩側驅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)內同仁進行深入交流。

審核編輯：湯梓紅