三維激光切割技術(shù)在機(jī)車車輛制造中的應(yīng)用

王強(qiáng) 黨鍵 王鵬

1. 概述

激光切割技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車、航天航空、機(jī)車車輛、工程機(jī)械等制造領(lǐng)域，它利用聚焦鏡將激光束聚焦在材料表面 , 將材料加熱使材料熔化或汽化，同時(shí)用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化或汽化的材料, 達(dá)到切割材料的目的，并使激光束與材料沿一定的軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而形成一定形狀的切縫。

本公司使用的是一臺(tái)意大利PRIMA公司制造的大型龍門框架式結(jié)構(gòu)三維激光切割機(jī)，設(shè)備型號(hào)為PRIMACH—9000L/3D（見圖1）。最大切割功率2 500W，配置DC 025激光器，DC系列激光器的特點(diǎn)是具有非常高的光束質(zhì)量（光束模式為TEM00），非常好的功率穩(wěn)定性和極低的氣體消耗量，激光發(fā)生器采用最先進(jìn)的電氣和機(jī)械技術(shù)，確立了最高標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量和可靠性。該設(shè)備在鋁合金高速動(dòng)車組、不銹鋼地鐵的零件生產(chǎn)中發(fā)揮了重大作用。

2. 三維激光切割的應(yīng)用范圍

（1）三維激光切割的工作機(jī)理 相對(duì)于二維激光切割，三維激光切割需不停地調(diào)整激光切割頭姿勢(shì), 以保證激光切割頭始終與工件表面垂直, 從而獲得優(yōu)良的切割質(zhì)量。PRIMA公司創(chuàng)造性地將電容式傳感器集成到三維激光切割設(shè)備中，使機(jī)床可以自動(dòng)適應(yīng)沖壓件彈性變形造成的誤差，在切割過程中，使用電容傳感器來保證噴嘴與工件之間的距離為某一常量，傳感器能夠根據(jù)數(shù)控程序自動(dòng)調(diào)整切割頭與工件之間的距離。

在實(shí)際生產(chǎn)中，三維激光切割程序編制需先對(duì)零件三維建模，然后導(dǎo)入三維編程系統(tǒng)生成路徑，并需要根據(jù)零件特征、工裝特征進(jìn)行手工調(diào)整，以避免切割頭發(fā)生碰撞，操作復(fù)雜，工作量較大。由于三維激光切割機(jī)的切割頭配有電容式傳感器，能自動(dòng)適應(yīng)零件形狀，始終和零件保持一定距離進(jìn)行切割，因此在零件曲面變化不劇烈的情況下，僅使用三維激光切割機(jī)的二維編程系統(tǒng)即可滿足生產(chǎn)需要。

（2）在鋁合金動(dòng)車組制造中的應(yīng)用 三維激光切割主要應(yīng)用于鋁合金動(dòng)車組司機(jī)室蒙皮的切割套料。司機(jī)室蒙皮為空間曲面結(jié)構(gòu)的鋁合金薄板件，特別適合使用三維激光進(jìn)行切割。在成形后，使用三維激光切割進(jìn)行套料，相比使用帶鋸機(jī)進(jìn)行劃線鋸切，三維激光切割的生產(chǎn)效率、切割精度明顯更高，如圖2、圖3所示。

圖1 三維激光切割機(jī)

圖2 司機(jī)室蒙皮的裝夾

（3）在不銹鋼地鐵制造中的應(yīng)用 三維激光切割主要應(yīng)用于不銹鋼地鐵門上橫梁、端門立柱、內(nèi)層筋板等的眼孔及缺口加工，盲窗筋板的套料。

部分梁柱結(jié)構(gòu)的零件，在靠近折彎線附近開設(shè)六角形鉚釘孔，若下料時(shí)直接開孔，折彎后眼孔會(huì)發(fā)生變形；因設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原因，有的零件折彎翻邊尺寸較小，無法直接折彎。這些零件都需要先折彎，然后使用三維激光進(jìn)行切割，如圖4所示。

部分模具擠壓成形的零件，因落料模具的設(shè)計(jì)制造成本較高、制造周期長(zhǎng)、落料質(zhì)量不佳等原因，需選用三維激光進(jìn)行套料、眼孔加工，如圖5所示。

圖3 司機(jī)室蒙皮的切割

圖4 切割折彎后的翻邊

圖5 盲窗筋板的套料

3. 三維激光切割的優(yōu)缺點(diǎn)

經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，三維激光切割具有以下優(yōu)點(diǎn)：①柔性好，能適應(yīng)不同形狀工件的切割加工。②精度高，能滿足鋁合金動(dòng)車組、不銹鋼地鐵等產(chǎn)品的制造精度。③經(jīng)濟(jì)效益高，可以取代傳統(tǒng)制造工藝的修邊模和沖孔模，其工藝步驟簡(jiǎn)單、制造周期短、切割速度快、切縫寬度小、加工質(zhì)量高，可以大幅度降低成本，縮短新車型的研發(fā)周期，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。

在本公司三維激光切割機(jī)的應(yīng)用中，主要有以下不足：①切割功率較小，無法切割厚板，僅能切割板厚＜4mm的不銹鋼和鋁合金板。②維修費(fèi)用較高，關(guān)鍵零部件依靠進(jìn)口。

4. 影響三維激光切割質(zhì)量的因素

三維激光切割可獲得較高的精度，主要得益于三維激光切割機(jī)本身的高精度制造。激光切割的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有過燒、掛渣、切割表面粗糙度、切口寬度及切口錐度。影響激光切割質(zhì)量的主要因素有焦點(diǎn)位置、切割功率、切割速度、切割氣壓。

生產(chǎn)中，一般根據(jù)工件的材質(zhì)、板厚、曲面復(fù)雜程度設(shè)置切割參數(shù)如附表所示。

由附表可見，通過選用合理的切割速度即可獲得比較滿意的切割質(zhì)量，如圖6、圖7所示。

三維激光切割參數(shù)

圖6 不銹鋼零件的切割質(zhì)量

圖7 鋁合金零件的切割質(zhì)量

5. 影響三維激光切割效率的因素

（1）牢固可靠裝夾工裝 三維激光切割一般需要配備一套牢固可靠的裝夾工裝，保證工件在切割過程中，工作放置平穩(wěn)，不會(huì)因受熱變形及輔助氣體的作用而發(fā)生偏移，不會(huì)出現(xiàn)顫動(dòng)。若出現(xiàn)顫動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備報(bào)警而停止，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致切割頭碰撞而損壞。

裝夾工裝的定位方式要合理，應(yīng)選用零件的主要特征進(jìn)行定位，以提高定位精度。

裝夾工裝應(yīng)具有較高的通用性，實(shí)現(xiàn)多種工件在同一套裝夾工裝上切割，消除調(diào)整工裝的輔助時(shí)間。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)、制作了基于蒙皮切割的不銹鋼零件切割組合工裝（見圖8）。切割蒙皮時(shí)，將不銹鋼切割工裝整體移除，根據(jù)蒙皮的空間幾何尺寸通過控制系統(tǒng)將支撐柱升起；切割不銹鋼零件時(shí)，將蒙皮支撐柱降低，通過連接座將不銹鋼井字形插接工裝安裝在蒙皮支撐柱上。巧妙地將兩套工裝組合起來，節(jié)省了工裝調(diào)整時(shí)間，滿足了20余種蒙皮、30余種不銹鋼零件的切割生產(chǎn)需要。

圖8 切割組合工裝的應(yīng)用

（2）穩(wěn)定的零件精度 雖然三維激光切割機(jī)具有較高的切割精度，但是在零件定位方式和數(shù)控程序不變的情況下，如果零件的質(zhì)量不穩(wěn)定，則每次切割都需調(diào)整程序，勢(shì)必降低生產(chǎn)效率。

（3）合理的數(shù)控程序 編程時(shí)，應(yīng)設(shè)置合理的切割順序，盡量減少空行程。

（4）合理的生產(chǎn)批量 三維激光雖然具有較高柔性，適合于多品種小批量生產(chǎn)，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，安排合適的生產(chǎn)批量，可減少品種轉(zhuǎn)換之間的程序調(diào)整、工裝調(diào)整的時(shí)間。

6. 結(jié)論和展望

三維激光切割技術(shù)在鋁合金動(dòng)車組、不銹鋼地鐵的生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，并發(fā)展成為企業(yè)不可替代的重要加工方法。在提高生產(chǎn)效率、縮短制造周期、減少模具種類和數(shù)量方面發(fā)揮了顯著的作用，為企業(yè)贏得市場(chǎng)發(fā)揮了積極作用。

柔性制造是制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，三維激光切割技術(shù)以其高度柔性化，必將在制造業(yè)各領(lǐng)域中占據(jù)越來越重要的地位，應(yīng)用也必將越來越廣泛。隨著技術(shù)的發(fā)展，期待國產(chǎn)三維激光切割設(shè)備及編程系統(tǒng)能發(fā)揮更大作用，降低企業(yè)的設(shè)備投入及維修成本。

[1]謝德華. 基于三維激光切割技術(shù)的車身覆蓋件切割?yuàn)A具設(shè)計(jì) [D]. 湖南大學(xué)，2005.

[2]陳濤，王智勇. 激光加工技術(shù)在汽車車身大型覆蓋件中的應(yīng)用[J].中國機(jī)械工程，2002，13(1)：8-11.