如何在不提高激光功率的情况下提高机床加工效率

以往，提高激光功率被视为提升加工效率最直接有效的方法，但在6万瓦激光切割机发布后，行业内开始讨论功率是否已到达极限。

业内专家认为，6万瓦已经具备全面替代等离子、火焰切割的能力，进一步提高功率对切割效率和能力的贡献并不大，反而会增加用户成本和能耗。但工业领域对效率的追求是无止境的，如果功率已经到达天花板，还有哪些方法可以提高加工效率呢？

引入碳纤维横梁，加速加倍

众所周知，横梁是龙门机床的关键部件之一，横梁的静动态特性决定了机床的整体性能，对机床的加工效率、精度、稳定性等有着重要的影响。目前，机床横梁的材质主要有钢件和铝合金铸件等金属材质。

钢制横梁具有稳定性好、精度高的优点，但其重量较大，通常应用于对转速要求不高的机床。要达到高转速、高加速度，需要匹配非常大的功率和扭矩的电机，当动态特性超过极限时，性能就不可能再进一步提升。为了减轻横梁重量，人们开始使用铝合金横梁，但铝梁重量仍然过大，速度和加速度的提升有限。而且铝合金材料模量低，质地较软，容易变形，热膨胀系数大，精度容易受温度变化影响。因此，铝合金横梁往往每3-6个月就需要重新调整一次。

不叠加激光功率的情况下如何提高机床加工效率？
碳纤维横梁的重量是钢制横梁的1/4~1/5，是铝合金横梁的1/2~1/3，轻量化的材质让机床的运动速度和加速度进一步提升，一些激光设备制造商已经引入碳纤维横梁，将精密切割机的加速度由通常的0.8g~1g提升到2g，精度也由微米级提升到亚微米级。

碳纤维横梁也能降低成本吗？
除了速度提升，碳纤维横梁还能降低机台整体成本。碳纤维横梁由于重量轻，惯性小，大大降低了对齿条和电机的要求，也让床身轻量化。前面提到，要达到高速度、高加速度，钢梁、铝梁需要非常大功率、大扭力的电机，而使用碳纤维横梁，在保持相同加速度性能的情况下，床身、齿条、电机的成本可以有效降低，普通电机也能达到1g的加速度，精度也能大幅提升。

而且更高的速度和加速度是工业领域永恒的追求，如果采用钢梁或者铝梁，提高加速度往往以牺牲精度为代价，提高精度往往以牺牲加速度为代价，两者很难同时实现，要同时提高精度和加速度，就需要购买更大功率的电机、齿条等，增加的成本甚至可能超过为用户创造的价值，用户并不愿意为此买单。

碳纤维横梁大大增加了成功提升加速度的概率，成本也比钢梁或者铝梁低很多，因此有部分厂商已经全面采用碳纤维横梁，彻底抛弃金属横梁。

对于终端用户来说，碳纤维横梁也能大幅降低成本。当机床加速度从1g提升到2g时，意味着用户只需要比以前多花一点钱买一台机床，却能达到过去买两台机床的效果，大大提升了整台机床的价值。同时，更轻的横梁也意味着承受主要移动载荷的导轨、齿条磨损会更小，大大延长其使用寿命，延长设备的使用寿命。

值得一提的是，金属横梁的成型过程属于热加工，大量的机械加工会在金属内部形成残余应力，随着时间的推移会逐渐释放，导致横梁翘曲弯曲，影响设备的精度。即使反复进行热处理也无法消除。铝合金横梁也较软，容易变形，需要售后人员经常调整才能保证设备的精度。沉重的横梁在长期运行过程中还会导致电机过热（甚至烧坏），给公司带来巨大的售后成本，并导致用户停产维修。

碳纤维主要成分是碳，是一种脆性无机材料，塑性变形很小，断裂伸长率只有2%左右。碳纤维复合材料成型后不发生蠕变、疲劳，可长时间保持高精度，无需售后人员反复调整。更轻的碳纤维横梁对电机的损耗也更小，几乎不会出现电机过热的情况。因此，碳纤维横梁可以帮助企业节省售后成本，帮助用户避免频繁停机。

但激光功率提升后，在切割复杂图案或小图案时，速度往往跟不上，超高功率的速度优势只能在比较长且方向一致的直线或圆弧上发挥。随着工业设计的提升，机床加工对象越来越曲面化、精细化，图案越来越复杂，高功率并不能全面提升加工效率。关键还是在运动轴的加速度和速度上（其中横梁的加速度最关键，最难实现）。

钢制横梁较重，在试图提高加速度时容易引起振动，限制了性能的提升。铝制横梁重量较轻，但材质较软，刚性不足，加速时产生的振动也限制了性能的提升。碳纤维横梁重量轻，刚性接近钢材，且材料中振动传播的阻尼远大于金属材料，有利于减少运动过程中的振动。因此，碳纤维横梁可以显著提高大功率切削机床的动态性能。

碳纤维横梁的抗损伤特性
龙门式横梁常采用双侧电机数控同步驱动，当遇到控制系统故障或外界碰撞时，双侧驱动电机可能不同步，造成卡死，横梁严重扭曲变形。由于金属材料发生塑性变形，一旦发生较大变形，将是不可恢复的永久变形，机床将被迫停止，直到更换横梁。

但碳纤维没有塑性变形，因此，即使材料因受到较大的外力而产生较大的变形，只要内部没有损伤，在外力撤去后，碳纤维复合材料可以弹回原状，不会发生永久变形，这一特性远优于金属材料，这也是为什么碳纤维复合材料也用于弹性元件（如振动台弹簧板），弹性持久稳定，不会劣化。在高速机床上使用，即使发生碰撞或不平衡的两侧驱动卡死等严重事故，导致横梁变形，事故解决后，横梁可以恢复到原状，精度仍可保持。