激光切割應用于客車方管加工的分析

楊毅 唐曉兵 劉言言

摘要：激光切割設備應用于客車骨架中的方管加工的功能分析。

關鍵詞：激光切割;方管加工;客車

Abstract：Analysis?of?tube?processing?laser?cutting?equipment?is?applied?to?the?function?of?bus?frame.

Key?words：Laser?cutting;tube?processing;bus.

激光切割技術國內在板材上的加工應用已經較成熟，只有部分核心原件是采用進口的[1]，機械傳動部分和輔助設備已經全部國產化了，而且設備穩定性也能滿足大多數用戶的需要。對于激光切割技術應用于圓管加工的設備制造商，目前國內有3家，對于方管加工的應用，國內目前只有1家，并且是定向開發的，還處于首臺樣機實驗階段，有很多設計改進的空間。本文主要是對國內激光切割設備應用于客車方管加工的一些功能分析同時提出一些改進設計方案以促進激光切割設備成熟的應用于客車行業，以提升客車行業自動化、柔性化、信息化、集成化管理水平。

1.激光切割技術應用于客車車身方管加工的必要性

中國的客車生產規模和銷量在世界位于首位，但加工水平相對于國外發達國家差距較大，主要體現在原材料的加工水平上。客車上應用的原材料主要為板材和管材兩類原材料。板材類的原材料加工水平國內外已經同步了，但管材類原材料的加工設備相對落后。管材類加工設備：國外以激光切割設備為主，輔以自動圓盤鋸和自動直料下料機及管件成型等設備;國內普遍以圓盤鋸和帶鋸床及管件成型的手工操作設備為主，只有行業龍頭企業以自動圓盤鋸和自動直料下料機及管件成型等半自動設備為主;激光切割設備在國內還沒有正式投入使用。這樣的行業狀況，對于客車小批量、多品種的訂單式生產模式來講制作過程已經沒有太多的工藝提升空間，生產效率和產品質量受到了很大的限制，尤其是電泳工藝在客車行業的普遍應用，對管件加工設備自動化水平的提升特別迫切。另外，對于客車上的管件加工，從工藝上比較，傳統的加工設備和激光切割設備工藝[2]分別為：

普通的加工設備對管件原材料生產工藝為：下料——去毛刺——吹鐵屑——沖電泳孔——轉下道工序;

激光切割設備對管件原材料生產工藝為：下料——轉下道工序;

相比之下，激光切割設備節省了去毛刺、吹鐵屑、沖電泳孔三道工序，縮短了生產周期，并且可以和PLM數據系統聯網，做到從銷售訂單到生產工位的信息化、集成化、柔性化管理，以達到零庫存的經營管理目標，特別適應小批量、多品種的訂單式企業經營模式。

綜上所述，激光切割設備在客車行業的應用是迫切的、變革性的行業發展需要。

2.激光切割設備應用于客車車身方管加工的功能模塊分析

國外，用于方管加工的激光切割設備已經較成熟，但價格較高，一般單價在600萬元人民幣以上，并且不能適應國內客車行業小批量、多品種的生產經營模式，它比較適合電梯、健身器材等行業品種單一、批量大的行業，否則，發揮不了激光切割高精度、高速度的價值。所以，從價格、維修和客車行業用途上對比，國外的激光切割設備不具有在國內有大規模應用的前景。同時，國內對方管加工激光氣割設備的研究就迫在眉睫。我們公司與激光切割技術公司合作，研發了國內首臺用于客車方管加工的激光切割設備，樣機實驗已經有6個月的時間，切割的精度和機器的穩定性基本能達到項目策劃的要求，但生產效率還有較大改進的空間。下面主要介紹如何提升激光切割設備的生產效率做設計改進方案分析。

2.1簡介方管加工的激光切割設備的構成

方管加工的激光切割設備構成主要由后臺料單處理模塊、上料模塊、送料模塊、切割模塊、下料模塊、面板控制模塊、輔助功能模塊組成。后臺料單處理模塊主要是被加工件數控加工編程軟件，將加工件圖紙轉化成切割文件。上料模塊分為全自動上料和半自動上料兩種模式。送料模塊分為兩個卡盤夾緊和三個卡盤夾緊的模式，兩種模式的區別在于被加工件的長度決定用哪種，長料加工要優選三個卡盤夾緊的模式。切割模塊主要由切割頭和激光器組成。氣體激光器有光纖和二氧化碳兩種，與二氧化碳激光切割機相比，光纖的切割范圍相對狹窄。因為波長的原因，其只能切金屬材料，對非金屬不容易被其吸收。其他方面，光纖切割機[3]具有較明顯的優勢：

（1）卓越的光束質量：聚焦光斑更小，切割線條更精細，工作效率更高，加工質量更好;

（2）極高的切割速度：是同等功率CO2激光切割機的2倍;

（3）極高的穩定性：采用世界頂級的進口光纖激光器，性能穩定，關鍵部件使用壽命可達10萬小時;

（4）極高的電光轉換效率：光纖激光切割機光電轉換效率達30%左右，是CO2激光切割機高3倍，節能環保;

（5）極低的使用成本：整機耗電量僅為同類CO2激光切割機的20-30%;

（6）極低的維護成本：無激光器工作氣體;光纖傳輸，無需反射鏡片;可節約大量維護成本;

（7）產品操作維護方便：光纖傳輸，無需調整光路;

（8）超強的柔性導光效果：體積小巧，結構緊湊，易于柔性加工要求。

下料模塊主要是實現廢料和工件的分揀功能，是一個托舉裝置。

面板控制模塊包括數控系統、可編程控制器、控制柜等。這個模塊是激光切割機其他模塊的控制中心，相當于人類大腦的作用。

輔助功能模塊主要由除塵、冷卻、空氣壓縮機及后處理裝置構成。

2.2方管加工的激光切割設備的生產效率提升方案

國內制作激光切割設備主要是機械運動部分的設計和制作，數控系統、切割文件轉換軟件系統、激光器、切割頭都是進口的，這些核心件技術是比較成熟的，導致激光切割設備加工方管生產效率低的原因主要是這些模塊沒有適應客車生產模式的環境問題。客車生產以小批量多品種的行業特點著稱，激光切割設備選型和切割文件轉換軟件必須有一套合適的接口處理才能適應于客車行業的方管加工。根據目前樣機實驗的情況和我們公司生產情況對激光切割設備的選型為：半自動上料、兩個卡盤夾緊的模式、2000W的光纖切割激光器、3軸聯動激光切割頭、PA8000數控系統軟件、LANTEK自動編程軟件、下料自動分揀裝置。客車行業生產特點決定了方管加工圖紙占80%比例的為一次性用圖，這部分圖紙重復使用的頻率非常低，所以客車行業對這部分圖紙是不下發到工位的，而是采取以企業標準標注的形式來表示這部分工件的圖紙信息，工人拿到手的執行文件都是以Excel表格的形式表示的料單，國外所有激光切割文件的編程軟件目前都不能識別Excel表格的數據，那些軟件只能識別CAD、Solidwork、?Pro-E、UG等二維或三維軟件。如果要使用激光切割設備加工客車上的方管就必須將Excel表格轉化成二維或三維的零件圖紙，并且這些圖紙幾乎不會再次使用，這樣就造成了激光切割速度很快但用于激光切割的文件準備時間相當長，而且這些時間沒有產生可觀的價值，第二天這些準備的激光切割的文件就被丟棄了，幾乎沒有再次利用的可能。所以，要想提高客車上的方管激光切割的生產效率最根本的是解決Excel表格的數據如何自動的轉化成激光切割的文件。由于激光切割的文件的編程軟件都是國外進口的，定制費用特別昂貴，所以選擇國內的軟件公司開發一個轉換軟件，用于Excel表格的數據自動轉化成CAD、Solidwork、?Pro-E、UG等二維或三維軟件以識別用于激光切割文件生成的編程軟件。這個轉換軟件就是后臺料單處理模塊的一部分，開發時還要考慮套裁和數據轉換速度的問題。方管套裁目的是為了節約原材料，同時也減少了加工時間。如：A2.4040.30.0130??A=90°B=45°?22件在40面兩頭各加工1個R12X20的半腰孔，A2.4040.30.0850??1件在40面兩頭各加工一個R12X20的半腰孔，A2.5040.20.0910??A40=20°B40=35°?5件在40面兩頭各加工1個R12X20的半腰孔;物料單里有不同管型和角度的工件尺寸，軟件需要先轉化成圖紙，然后把同種規格的物料排在一列，最后對這一列的物料按照兩個角度之和是180°的排在一起的原則進行排序，這個過程就是具有套裁功能的轉換軟件要實現的目的。數據轉換速度主要取決于轉換軟件是將Excel表格的信息轉換成二維圖紙還是三維圖紙。根據客車行業的特點，選擇轉換成二維圖紙更好一些，是因為三維圖紙數據生成比二維圖紙數據生成慢且數據占的內存也大，影響大批量轉化的速度。所以，根據客車方管加工特點恰當的選擇激光切割設備配置和切割文件轉換軟件就能夠使國產的激光切割設備適應國內的客車行業需要，并能大規模的推廣應用，代替進口的激光切割設備。

3.結束語

國內，使用激光切割設備加工客車骨架方管的工藝還沒有普及，現在還處于研發試驗階段，未來幾年將迎來客車行業大規模使用這種設備的高潮，這對于激光切割設備制作廠家和客車制作業都是一個巨大的市場機遇。

參考文獻：

[1]鄧樹森.中國激光加工產業現狀[N].上海激光通訊.2002/7;制造技術與激光加工[J].激光集錦，2003.13（4）：16-20

[2]董峰，陸雅娟.激光切割工藝及設備[J].CAD/CAM與制造業信息化，2003，（04）：17-23

[3]高允貴.金屬的激光切割[J].光電子技術與信息，1996（03）

作者簡介：

楊毅（1964.5—），男，漢族，安徽人，本科學歷，中級職稱，1990年7月至今在安徽安凱金達機械制造有限公司技術中心工作，擔任領導職務，主要負責客車焊接構件生產工藝制作和平衡懸架、翻轉懸架設計開發指導工作。