基于激光切割的液壓支架結構件工藝優化

宋靈修，馬恒波，孫滿春

（鄭州煤礦機械集團股份有限公司 成套裝備研究院，河南 鄭州 450016）

0 引言

液壓支架主體部分是由中厚鋼板的結構件和油缸兩部分組成。如圖1 所示，其中由中厚鋼板組成的結構件約占液壓支架總重量的79%左右，原材料主要是以厚度16 mm ～50 mm 的中厚鋼板為主。針對中厚鋼板的切割，傳統的切割設備主要是以火焰切割機和等離子切割機為主。在一定程度上由于等離子和火焰切割設備在切割下料時容易產生不均勻的收縮和一定程度上的熱變形量，切割成型時容易發生割縫補償，不能有效保證切割精度[1]。而切割質量差會導致結構件零件拼裝定位困難、機械加工余量過大等問題，嚴重的甚至會導致液壓支架在煤礦開采過程中對煤礦井下生產和煤礦工人安全帶來嚴重的安全隱患。為保證液壓支架結構件零件切割下料時滿足圖紙、工藝的公差尺寸，在液壓支架結構件工藝加工方案中存在著大量的機械加工工序，極大地影響了結構件生產加工節拍。

圖1 液壓支架成品圖

而切割速度快、加工質量高的激光切割機由于成本和設備功率等因素的影響，在以往液壓支架結構件下料切割時僅應用于一些液壓閥板（4 mm ～25 mm）、標牌等一些非受力薄板的切割，并未在液壓支架結構件切割中產生廣泛的應用。那么在保證產品質量的前提下，減少不必要的加工工序，優化工藝流程，提升加工效率就變得尤為重要，因此光纖激光切割、大功率激光切割技術也應運而生[2]。

1 激光切割的應用

（1）激光切割的應用原理

目前對于激光切割薄板的工作原理和工藝方法的研究已經相當深入，而針對厚板的激光切割工藝研究報道還相對較少。對于中厚板的激光切割則需要在激光光束中加入氧氣等活性氣體作為輔助氣體，利用高密度的能量匯聚到微小的空間通過激光束加熱工件，使金屬或非金屬的工件溫度迅速上升，在非常短的時間內達到材料的熔點和沸點，致使材料開始快速熔化并汽化形成蒸氣。并且依靠輔助氣體的動力學作用把熔化的熔渣從切口中吹出去，從而在材料上形成切口。

（2）激光切割的特點

與傳統的火焰切割、等離子切割方式相比，激光切割在金屬材料切割加工中最重要的專業優勢就是生產切割加工速度更快、切割質量更高。如圖2 所示，金屬材料經過激光切割后，切割位置熱影響區寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，并且工件變形小。切割表面不容易產生熔渣、氧化皮，部分液壓支架結構件零件經下料切割后甚至可作為最后一道加工工序，無需機械加工，零件可直接供焊接、裝配使用。

圖2 激光切割實際效果

激光切割屬于熱切割方式的一種，在切割過程中有0.1 ～0.3 mm 左右的材料被去除，其次，熱加工就會產生熱變形，見表1 說明材料厚度、零件尺寸大小與誤差的關系。

表1 激光切割尺寸精度誤差表

（3）激光切割板厚的影響因素

激光切割時，激光發生器的功率與金屬材料的光纖激光切割速度成正比，而激光功率大小的選擇對切割板厚也有本質上的影響。切割功率需根據切割板材的材質及板材的厚度來確定，功率過大或過小都無法得到良好的切割面。激光切割時功率太小會產生切割熔漬，切割斷面上會產生明顯的瘤疤。適當激光功率的選擇，配合適當的切割氣體和氣體壓力，才能保證產品良好的切割質量，因此對中厚板的切割需要匹配相應大功率的激光切割設備才能夠有效保證生產切割的精度，激光切割影響因素見表2。

表2 激光切割板厚影響因素

2 傳統液壓支架結構件工藝存在的問題

液壓支架結構件零件目前較多采用的加工工序有：火焰（等離子）切割、清渣（清除氧化皮）、矯平、割坡口、折彎、銑邊、鉆孔、鏜孔工序。如圖3 所示，在首道工序切割下料時經常無法有效保證切割面質量和切割尺寸精度[3]，外形切割尺寸偏差最大在±3 mm，且在切割過程中產生大量的割渣、飛濺、氧化皮。因此需要通過增加清渣、矯平和機械加工（銑邊、鉆孔、鏜孔）來保證液壓支架結構件零件的外形尺寸和切割面質量。

圖3 火焰切割實際效果

（1）經火焰（等離子）切割下料的切割面會產生較多的割渣與氧化皮。割渣影響組件拼裝定位尺寸，而氧化皮影響結構件焊接質量，因此下料切割后常需要增加清工序，清凈切割產生大的熔渣，打磨干凈氧化皮，以此來保證液壓支架結構件拼焊質量[4]。

（2）火焰（等離子）切割時局部熱量高，導致零件熱變形量較大，結構件板件零件的平面度無法達到圖紙、工藝標準，影響后續工序折彎、銑邊、鏜孔、鉆孔的尺寸定位基準。因此，當需要進行折彎和機械加工的零件在下料切割后機械加工前需要對零件進行矯平工序，以此來保證零件平面度滿足圖紙和工藝的要求。

（3）火焰（等離子）切割后外輪廓及內孔的切割面會產生一定的傾斜角，起割點局部會產生缺陷。而切割面需要配合拼裝和保證定位尺寸的零件需要在切割下料時留機械加工余量，后續增加銑邊工序從而保證拼裝定位尺寸。

（4）孔作為零件重要受力部位，不能直接切割出來，需要通過鉆孔（鏜孔）工序機械加工出來。但是孔加工時容易出現定位錯位、漏加工、加工超差等問題，而導致產品的報廢，造成極大的材料成本和加工成本的浪費，影響整體的生產效率。

3 激光切割對傳統加工工藝的影響

為了提高切割生產效率和保證切割生產質量，大功率激光切割機和光纖激光切割機產生更廣泛的應用[5]。如圖4 所示，經激光切割（未經人工打磨清渣）的液壓支架零件中筋板、插板、閥板等零件，切割表面光滑，無明顯的割渣、飛濺、氧化皮，且內孔均勻光滑，起割點無明顯的切割缺陷[6]。經測量切割下料誤差在±0.55 以內，滿足圖紙、工藝規范的要求。因此，在采用激光切割設備在保證工件切割質量的前提下，可適當減少傳統工藝中不必要的加工工序[7]，優化工藝流程，提升加工效率。

圖4 激光切割液壓支架零件實際效果

（1）經激光切割下料后，根據切割面的切割情況可以取消清渣工序中清除氧化皮的作業內容，以此來提高整體生產節拍。

（2）對于非細長件零件（長寬比≤5），用20 kW、30 kW 的大功率光纖激光切割機切割后，平面度滿足圖紙工藝要求的可取消矯平工序，若無折彎、割坡口、機械加工等工序的，激光切割下料后可直接轉運至配套工序進行配套。

（3）采用大功率激光切割機切割的板厚為10 mm ～40 mm 零件時，可適當取消耳板、平衡耳板、柱窩下筋板、定位筋板的銑邊工序。由傳統的工藝流程：數控切割—清（清渣、清氧化皮）—機械加工工藝流程，優化為：激光切割—清（清渣），優化了作業流程，提升了生產效率。

（4）不連接千斤頂的不受力的耳板、閥板、蓋板鎖銷孔均由激光下料直接割成，可取消鉆孔、鏜孔工序，降低了加工成本，提升了整體的生產效率。

（5）頂梁、掩護梁、底座三大件鉸接孔的加工可由傳統的主筋零件預割孔—主筋組件預鏜孔—部件整體鏜孔的工藝流程，在基于20 kW、30 kW 的大功率激光切割機切割的板厚為10 mm ～40 mm 的鉸接孔加工工藝優化為：主筋零件預割孔后直接轉運至部件整體鏜孔，在保證整體鏜孔余量的基礎上，取消了主筋組件預鏜孔的工序，能有效縮短物流轉運周期。

4 激光切割的發展

目前激光切割正向著智能化、產線化的方向發展，通過生產車間內所有物流設備、激光切割設備、安環設備的所有硬件實現網絡互聯互通，再通過切割設備與MES 生產控制、WMS 倉儲管理、WCS 物流執行系統、QMS 質量管理系統相集成。最終實現激光切割設備的鋼板自動上下料、離線切割程序的自動下發、切割任務的智能分配、零件的自動切割等智能化功能。打破了傳統切割行業人機交互的生產狀況，依靠數字化系統集成，實現激光切割的設備自動化、物流自動化與信息自動化。在保證質量的前提下大幅提升了液壓支架結構件切割生產效率和整體的生產產能。

5 結論

基于大功率激光切割的特點結合現場激光切割精度及質量狀況，可適當取消傳統液壓支架結構件工藝中打磨氧化皮、矯平、銑邊、鉆孔、鏜孔、組件預鏜等工序。在保證產品質量要求的前提下，減少了傳統工藝流程的加工工序，降低了液壓支架的加工成本。

未來隨著激光切割技術的發展，采用大功率激光切割工藝，能夠有效地縮短生產加工節拍，提高生產效率。在保證產品質量的前提下，能夠有效降低制造成本，符合節能、綠色、高效、智能的數字化生產模式[8]，可以切實提高液壓支架結構件產品的生產效能、產品質量，縮短企業交貨周期。