一種特種車縱梁孔激光切割技術

王力

泰安航天特種車有限公司 山東泰安 271000

1 序言

激光切割技術具有精度高、切割面光潔美觀、一次成形及效率高等優點，因此應用越來越普及，并在工業生產中解決了許多常規方法無法解決的難題。企業為了提高生產效率、降低成本，部分銑邊、鉆孔及模具沖壓等作業也采用激光切割來代 替[1，2]。一種特種車縱梁孔（包括異形過孔、螺栓連接孔等），需要在縱梁折彎成形后加工。現有的兩種加工方式：一是利用大型數控鏜銑床加工；二是利用人工劃線、鉆床鉆孔，或空氣等離子切割、人工修磨。以上兩種方式都存在效率低、成本高的缺點。本文通過試驗驗證和生產檢驗，實現了激光加工一種特種車縱梁孔的目標，不僅保證了加工質量，而且提高了生產效率，同時降低了成本。

2 現有工藝

一種特種車縱梁材質為HG785D，板厚10mm，截面為Z字形，折彎角度102°，高度900mm，上翼板寬度145mm，下翼板寬度90mm，長度約15m，如圖1所示。縱梁有連接孔約300個，異形大孔約20個。為保證縱梁孔的加工精度，先將縱梁折彎成形后再加工各孔。現有的兩種加工方法，即大型數控鏜銑床加工和人工劃鉆、切割，都不利于公司提升效率和降低成本。

圖1 一種特種車縱梁

（1）人工劃鉆、切割 人工劃鉆、切割縱梁孔主要工藝過程：在平臺上用鋼拐尺、卷尺、劃針等器具劃出縱梁各孔位置，并打樣沖點，再用搖臂鉆床依據樣沖點鉆孔；異形大孔用手持式空氣等離子、樣板切割，再用電動磨光機修磨切口。該工藝方法加工縱梁的效率約24h/根，其中，劃線約需6h，鉆孔約需12h，切割、打磨約需6h。不僅生產效率低，而且精度較低，外觀質量也較差。

（2）數控鏜銑床加工 該加工方法主要工藝過程：將縱梁在平臺上固定壓緊、找正，啟動程序進行加工，如圖2所示。數控鏜銑床加工縱梁的效率約12h/根。雖然該方式加工縱梁孔精度較高，但生產效率較低且成本高，目前市場報價約1萬元/根。

圖2 數控鏜銑床加工縱梁孔

3 試驗

關重件（縱梁屬于關鍵件）采用新工藝前，應進行充分試驗驗證并確認合格。因此，為了保證試驗可靠，試樣選用與縱梁相同材質、板厚的HG785D鋼板制作。具體試驗包括金相、硬度、表面粗糙度、拉伸及切割精度等，驗證切割工件、切割參數、切割工藝等是否滿足質量要求[3，4]。

3.1 金相試驗

制作金相試樣（見圖3），通過觀察發現切割面呈藍色，主要是因為采用氧氣作為輔助氣體，所以在表面形成了高溫氧化色。通過顯微觀察發現，切割面外層深約0.14mm的熱處理區域為索氏體組織（見圖4），該區域未見微裂紋等其他缺陷。索氏體組織屬于珠光體類型組織，其組織顆粒比珠光體組織更細小，并且索氏體組織具有良好的綜合力學性能[5]，滿足縱梁孔質量要求。

圖3 金相試樣

圖4 熱處理區域組織形貌

3.2 硬度試驗

硬度試驗如圖5所示。將割縫附近區域劃分為A、B、C、D、E共5個區域分別檢測硬度（見圖6），檢測區域硬度及寬度見表1。

表1 檢測區域硬度及寬度

圖5 硬度試驗

圖6 硬度檢測區域分布

硬度試驗結果顯示，A區域范圍是0.15mm以內，屬于熱處理索氏體組織（硬化層），其他區域硬度與母材硬度基本一致。由此可知，激光切割面不僅具有高硬度，同時可使內部保持良好的韌性。

3.3 表面粗糙度試驗

對試板進行表面粗糙度檢測，如圖7所示。激光切割時應設置起弧點內切進入，避免引弧凹坑，并根據切割功率調試、修正切割參數，進一步完善切割工藝[6，7]。最終檢測結果為Ra1.37μm和Ra2.46μm，由此可知激光切割表面質量高，滿足質量要求。

圖7 表面粗糙度檢測

3.4 拉伸試驗

為了驗證激光切割對材料強度的影響，制作拉伸試樣進行試驗，結果見表2。試驗結果顯示，激光切割對母材強度沒有影響。試驗后發現試樣出現縮頸、拉斷的部位均位于激光切割孔的中間位置，如圖8所示。

表2 拉伸試驗結果 （MPa）

圖8 拉斷試樣

3.5 精度試驗

激光切割精度試樣如圖9所示，并檢測孔徑及孔間距精度，試驗數據見表3。試驗結果顯示，激光切割誤差≤0.1mm，滿足縱梁孔加工精度要求。

圖9 激光切割精度試樣

表3 激光切割精度試驗數據 （mm）

4 激光切割縱梁孔

激光切割機是以PLC作為控制核心，與其他電氣元件進行配合，從而構成了一套運動控制系統，使得該裝置能夠快速、準確地交換，完成激光切割的工作[8]。一種特種車縱梁激光切割孔加工工裝（見圖10），包括二維激光切割機、檢測樣板、調節件、縱梁定位調直工裝和工作臺。縱梁定位調直工裝固定設置于工作臺上；二維激光切割機位于縱梁定位調直工裝和工作臺上方；調節件設置于縱梁定位調直工裝一端。使用時，將縱梁放到縱梁定位調直工裝上，二維激光切割機在縱梁上打基準線標記。依據基準線，利用卷尺、檢測樣板檢測縱梁直線度，并用調節螺栓調整縱梁直線度，直至縱梁直線度滿足技術要求，啟動切割程序，二維激光切割機開始加工縱梁孔。與現有技術相比，大大提高了生產效率和加工速度，降低了加工成本，提升了加工精度。

圖10 一種特種車縱梁激光切割孔加工工裝

5 效果分析

（1）切割質量 經檢測，縱梁激光切割后孔徑和孔間距精度誤差≤0.1mm，縱梁上平面至孔中心尺寸誤差＜1mm，滿足質量要求。

（2）切割效率 經統計，激光加工一根縱梁孔總工時約3h，其中縱梁裝夾、調直約1h，激光切割時間約2h。相比數控鏜銑床加工（12h/根）和人工劃鉆、切割（24h/根），效率分別提升了4倍和8倍。

（3）降低成本 激光切割效率高、耗費低，根據當地市場報價，激光切割一種特種車縱梁孔價格約2000元/根，遠低于人工劃鉆、切割的5000元/根和數控鏜銑床加工的1萬元/根。

6 結束語

本文通過試驗，驗證了激光切割的高質量，滿足縱梁孔的質量要求。根據一種特種車縱梁的結構特點，設計針對Z字形縱梁定位調直工裝及其他附件，用于切割前調直縱梁直線度，保證了縱梁切割精度。經過試驗和生產檢驗，證明采用該激光切割工藝加工一種特種車縱梁孔，不僅滿足質量要求，而且可提高生產效率，降低成本。