激光切割技術在鐵路貨車制造中的應用

戴長林 李加良

1. 概述

鐵路貨車制造行業為滿足出口及國內不斷升級的需要，小批量、多品種的車輛生產已是常態，原來通用的鐵路貨車車體配件的加工工藝（如剪板下料、手工切割等）已不能完全滿足如今的產品質量和生產需求，其中激光切割機具有加工高精度、多孔類及外形復雜特征配件的特性，有不可替代的作用。現在貨車制造廠家均已配備了數控精細等離子切割機、激光切割機等，用以鐵路貨車中形狀復雜，精度要求較高的板料件的加工。

2. 激光切割技術在鐵路貨車制造中的主要優勢

激光切割機在鐵路貨車制造行業已廣泛應用，并起著其他數控切割設備不可替代的作用（設備外形見圖1）。

圖 1

其主要優勢有以下幾方面：

（1）適用多種材質配件 鐵路貨車材料有低碳低合金鋼、高強鋼、耐大氣腐蝕鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼及鋁合金等，激光切割設備均可以加工，其加工范圍幾乎可以涵蓋鐵路貨車中所有材質的板材件。

（2）加工精度高 激光切割設備比其他切割設備加工精度高，不同設備加工工件精度對比如表1所示。從表1可知，激光切割設備的加工精度是其他加工設備的5~10倍，可以滿足高精度配件的加工要求。

（3）割縫寬度較窄 割縫細小有利于減小配件的間距，提高材料利用率，切割時產生的切割渣較少，其切割參數如表2所示。而大部分數控精細等離子切割機的割縫寬度在0.15～6mm之間，在實際生產中等離子切割機的割縫寬度一般在5～6mm。

（4）材料利用率高 如圖2所示，在進行配件切割時，可以套裁切割同板厚、同材質的不同配件，充分利用原材料的邊角余料。激光切割配件如圖3所示。

表 1

圖 2

圖 3

表 2

（5）切割粗糙度值低 激光切割設備，在切割同一材質的配件時，相對其他設備來說，切割粗糙度值較低，整體外觀質量較高。

在鐵路貨車制造行業中，不同數控切割設備加工工件斷面粗糙度對比，如表3所示。從表3可看出，激光切割斷面粗糙度值最低。

圖4是在氧氣狀態下切割的6mm板厚的鋁合金零件，切割面光滑。如在氮氣狀態下切割其斷面質量會更高。圖5為激光切割低合金鋼的零件，切割斷面粗糙度值較低，切割面很光滑。

（6）熱影響區小 激光切割過程中，被切割材料邊緣由于受熱會產生熱影響區。但激光切割較其他加工方法能量集中熱輸入小，與精細等離子切割和火焰切割相比，熱影響區相對較小，如表4所示。熱輸入小，對受熱容易晶粒長大的鐵素體不銹鋼和容易有淬硬傾向的高強鋼有很重要的意義，有利于提高焊縫質量。

（7）小批量生產激光切割成本較低 圖6所示配件，在大批量生產時，選擇模具落料的工藝進行加工，大批量生產，制作模具的費用均攤到每個配件上，其生產成本較低。但如果是小批量生產，采用模具沖裁的加工工藝，不但模具的制作周期較長，不能滿足配件加工的時效性，而且模具制作費用均攤到每個配件上，加工成本就相對較高。因此一般采用數控切割的方式進行加工。

當采用數控精細等離子切割時，由于等離子切割的穿孔能力較弱，切割精度較低，孔的成形質量不良，還需要另外增加一道鉆孔工序，并需制作鉆模。不僅加工時間較長，成本也比較高。

數控精細等離子切割與激光切割成本比較如表5所示。由表5可知，激光切割成本與數控精細等離子相比，每米可節約費用近1元。且激光切割可確保配件一次成形，有利于提高配件加工的時效性，適用于小批量生產。

如何選擇切割工藝，則需根據配件尺寸、形狀、成本及配件精度要求來進行綜合考慮。當配件尺寸較小、孔的形狀尺寸和定位尺寸要求較高時，采用激光切割方式經濟性比較好。

圖 4

圖 5

圖 6

3. 激光切割典型實例

圖7配件為貨車K5擺動式轉向架的彈簧托板。該配件原材質為Q550，板厚為10mm，且該配件孔的形狀尺寸及定位尺寸精度較高，孔的形狀較多。

表 3

表 4

表 5

分析激光切割的可行性，激光切割機的技術參數如表6所示，彈簧托板加工技術要求如表7所示，從表中數據可知，激光切割加工能力可以滿足彈簧托板加工技術要求。圖8利用一件毛坯料套材切割兩個配件的加工方式進行切割。其切割順序為：切割內部圓孔→半腰型孔→腰型孔→外部尺寸。切割基本按照先切割小尺寸形狀，在切割較大尺寸形狀，最后切割最大尺寸形狀的順序進行。數控激光切割機切割彈簧托板的切割程序如圖9所示。由于激光切割后配件變形量很小，切割后的配件整體平面度基本沒有變化，切割完成的彈簧托板如圖10所示。切割后進行模具壓型，壓形后的配件形狀如圖11所示。

切割、壓型后的彈簧托板不需進行任何調校，整體成形質量高，完全滿足圖樣要求。

因此采用激光切割工藝切割該配件，具有以下優勢：

第一，激光切割幾乎可以加工任何形狀的板料配件，故可使配件一體成形，縮短配件加工工序，減少配件運轉次數。

第二，激光切割精度較高，可以確保切割后的配件各部位尺寸的精度。

第三，由于激光切割熱影響區較小，故配件切割后板料的變形量較小。

第四，激光切割相對于數控精細等離子和加工中心來說，成本較低。

表6 激光切割機技術參數

表7 彈簧托板加工技術要求

圖 8

圖 9

圖 10

圖 11

在切割彈簧托板的同時還可以套材切割其他同材質、同板厚的小配件，提高材料利用率。

4. 激光切割技術的應用不足

（1）激光切割機購買設備成本較高 以4.4kW激光切割為例，一般國產需要200～300萬元，而進口設備則需500萬左右。且設備零部件的精密度較高，一旦設備出現故障，不僅對維修人員的素質要求高，而且短期內部分零部件難以購置到位，設備短期內難以修復，因此維護成本較高。

（2）激光切割機切割范圍有限 一般激光切割機的工作臺尺寸為2 000mm×4 000mm，故設備所能加工的配件長度尺寸會受限制。由于激光切割設備切割板材厚度有限，對于4.4kW的激光切割機來說，所能切割的最大板厚尺寸為：碳鋼板≤25mm，不銹鋼≤20mm，鋁合金≤12mm。隨著設備使用時間的延長，且最大板厚加工能力還會隨之衰減。其加工厚板的能力，一般不如數控精細等離子切割機和數控火焰切割機。

（3）切割速度較低 對于激光切割設備來說，其切割相同材質和板厚配件的速度不如數控精細等離子切割機。兩種設備的切割速度如表8所示。

由表8可知，在切割同材質、同板厚的工件時，激光切割設備的加工效率不如數控精細等離子切割。

（4）大批量配件生產效率較低 雖然激光切割技術在鐵路貨車制造行業中，因其高精度、靈活多變的切割方式，起到了其他加工設備無法替代的作用。但卻由于其設備成本較高，加工速度較慢，不能滿足于大批量生產，大部分情況下只能用于個別高精度配件和小批量配件的加工。

表 8

5. 結語

隨著鐵路貨車制造行業的變化及全球經濟一體化，各鐵路貨車制造企業已經由原單一的、大批量的國鐵車生產向小批量、多品種的出口車輛轉變。這種轉變形式也給鐵路貨車配件的制造帶來了革命性的變化，原有的剪板機、沖床等的板料加工設備的使用頻率越來越低， 由數控精細等離子切割機、數控火焰切割機及激光切割機這些數控柔性化設備所取代，其中激光切割設備以其加工高精度、小尺寸、復雜外形配件，并能夠加工多種材料的優勢，具有無法替代的作用。