激光高效切割技術(shù)在工程機(jī)械制造中的應(yīng)用

傅中明

激光高效切割技術(shù)在工程機(jī)械制造中的應(yīng)用

傅中明

我公司生產(chǎn)的工程機(jī)械產(chǎn)品中，大部分零件應(yīng)用了目前主流的切割技術(shù)，現(xiàn)將工程機(jī)械行業(yè)常用的切割技術(shù)進(jìn)行闡述，并重點(diǎn)介紹激光切割技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展。

1. 工程機(jī)械切割下料現(xiàn)狀（以裝載機(jī)為例）

（1）裝載機(jī)下料的特點(diǎn) 首先，下料材料。裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件下料的材料主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼等，材質(zhì)本身具有良好的力學(xué)性能，產(chǎn)生冷、熱裂紋的傾向小，切割前工件不需預(yù)熱，切割后也不需特殊措施。

其次，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。裝載機(jī)下料工件包括薄板件(如駕駛室、機(jī)罩、蓋板等)，板厚為1～4 mm；中板件（如車架、行走架、動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等），板厚為6～20 mm；厚板件（如裝載機(jī)前、后輪）板厚20mm 以上。所需的下料件中，薄板件、中板件零件占的比重較大。為確保下料零件表面質(zhì)量最優(yōu)，同時(shí)考慮成本效率等因素，公司規(guī)定對(duì)不同板厚要求采用不同的切割方法（見(jiàn)附表）。

（2）裝載機(jī)切割下料應(yīng)用情況 工程機(jī)械生產(chǎn)中，切割下料通常有火焰切割、等離子切割、激光切割三種常見(jiàn)的切割技術(shù)。

首先，火焰切割（見(jiàn)圖1），主要用于切割低碳鋼。由于火焰切割的熱輸入影響大，切割速度低，所以主要用于切割板厚＞20mm、不要求尺寸精確的板材，因此主要用來(lái)開(kāi)坡口及薄板的整形工作。

其次，等離子切割（見(jiàn)圖2）。由于其工藝特點(diǎn)，主要應(yīng)用于切割30mm以下厚度的碳鋼和低合金鋼；還可切割氧乙炔無(wú)法切割的材料，如鋁合金、不銹鋼以及非金屬材料等。

最后，激光切割（見(jiàn)圖3）。激光切割的零件質(zhì)量高，切割面光滑無(wú)毛刺，表面粗糙度一般能控制在12.5μm以下，具有切縫窄、幾何形狀好，受熱影響很小，無(wú)熱變形、工作噪聲較低、污染小等特點(diǎn)。激光能夠切割的材料范圍很廣，包括各種金屬和非金屬板材，不受材料硬度的影響（如陶瓷）。但其缺點(diǎn)，主要用于切割板厚10mm以下的鈑金件，因此，廣泛應(yīng)用于各種工程機(jī)械鈑金件和零件精密切割領(lǐng)域。

切割工藝與板厚對(duì)應(yīng)表

圖1 火焰切割

圖2 等離子切割

2. 激光高效切割技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

（1）激光高效切割技術(shù)的

特點(diǎn) 激光切割具有無(wú)接觸加工、柔性化程度高、高效、質(zhì)量好，具有廣泛的適應(yīng)性和靈活性，可切割材料范圍廣等特點(diǎn)。① 激光切割切縫寬度小，材料的利用率高。并能精確切割形狀復(fù)雜、有尖角的零件，尺寸精度可達(dá)±0.05mm。 ② 激光切割作用時(shí)間短，工件變形少，周邊熱影響區(qū)很小，為0.08～0.1mm。③激光切割時(shí)只需定位，因而工件無(wú)機(jī)械應(yīng)力及表面損傷。④切割速度快，為機(jī)械方法的20倍，特別適用于中、薄板的高精度、高速度切割。⑤噪聲和振動(dòng)小，對(duì)環(huán)境基本無(wú)污染。

圖3 激光切割

（2）激光高效切割應(yīng)用的優(yōu)勢(shì) 柳工集團(tuán)是最早將激光切割加工系統(tǒng)引進(jìn)到工程機(jī)械的廠家之一，其主要應(yīng)用于大型覆蓋件的切割下料，擋風(fēng)板的激光切割等。激光切割除了可以快速方便地切割各種不同形狀的坯料外（見(jiàn)圖4），還用來(lái)切割加工因規(guī)格不同，需要更改的零件安裝孔位置，如標(biāo)志燈、車架、車身兩側(cè)裝飾線等。三維激光切割技術(shù)，由于其本身具有加工靈活和保證質(zhì)量的特性，故被公司用來(lái)新車試制，用于切割輪廓和修正。公司采用Rofin-Sinar的500W激光器通過(guò)光纖連接到裝在機(jī)械手上的焊頭，用以切割裝載機(jī)門各種安裝孔，1min就完成一扇門開(kāi)孔的加工。另外在車身裝配后的加工、開(kāi)行李架固定孔，頂蓋滑軌孔、天線安裝孔、修改車輪擋泥板形狀等也經(jīng)常應(yīng)用。它既縮短了試制周期又省了節(jié)模具，充分體現(xiàn)出采用激光切割加工的優(yōu)點(diǎn)。

與其他切割方法相比，激光切割有以下三大優(yōu)勢(shì)：

第一，工件可以進(jìn)行任意形式的緊密排料或套裁，使原材料得到充分利用，并且加工后的零件沒(méi)有任何形變。

第二，效率高，以1mm厚的鋁合金板為例，切割速度可達(dá)40m/min。高效率使得單件加工成本成幾何級(jí)數(shù)地降低，甚至低于傳統(tǒng)加工方法。

第三，無(wú)需刀具和模具。在計(jì)算機(jī)控制下，可直接實(shí)現(xiàn)二維、三維以上任意形狀的板類和殼體類零件的柔性加工，特別適用于新產(chǎn)品研制開(kāi)發(fā)階段的多品種、小批量的鈑金類零件的加工，可省去費(fèi)用很高的模具設(shè)計(jì)、制造費(fèi)，極大地縮短了生產(chǎn)周期。

3. 激光高效切割在工程機(jī)械制造應(yīng)用的發(fā)展

我國(guó)激光工業(yè)起步較晚，雖然在近幾年來(lái)已經(jīng)涌現(xiàn)出像華工激光、楚天激光以及大族激光等比較知名的激光加工設(shè)備企業(yè)，但由于激光核心技術(shù)與國(guó)外相比還存在一定的差距，特別是激光電源方面，主要以國(guó)外為主，致使激光加工設(shè)備的成本比較高，在企業(yè)的應(yīng)用還不是很廣泛。但是，隨著國(guó)內(nèi)激光加工技術(shù)的快速發(fā)展，激光加工電源必將在加工成本、加工厚度等方面實(shí)現(xiàn)突破，推動(dòng)激光切割技術(shù)不斷地向前發(fā)展。

發(fā)展趨勢(shì)如下：

第一，激光切割將向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。將CAD/ CAPP/CAM以及人工智能運(yùn)用于激光切割，研制出高度智能化的多功能激光加工系統(tǒng)。

第二，激光切割向多功能的激光加工中心發(fā)展，將激光切割、激光焊接以及熱處理等各道工序后的質(zhì)量反饋集成在一起，充分發(fā)揮激光加工的整體優(yōu)勢(shì)。

第三，激光切割將向更高效率、精度，以及多功能和高適應(yīng)性方向發(fā)展，激光切割機(jī)器人的應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越大。

第四，激光切割正向著柔性化方向發(fā)展。

圖4 激光切割下料

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4. 結(jié)語(yǔ)

隨著未來(lái)“中國(guó)制造2025”規(guī)劃的深入實(shí)施，中國(guó)工程機(jī)械制造將對(duì)高效制造技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于激光加工技術(shù)具有高效率、高精度等優(yōu)勢(shì)，加上配合未來(lái)智能制造技術(shù)的應(yīng)用，激光切割將在工程機(jī)械鈑金加工下料中起到越來(lái)越重要的作用。激光加工企業(yè)也應(yīng)當(dāng)加快智能化激光切割技術(shù)的研發(fā)步伐，適應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。

傅中明，揚(yáng)州柳工建設(shè)機(jī)械有限公司