王強 黨鍵 王鵬

1. 概述

激光切割技術現已廣泛應用于汽車、航天航空、機車車輛、工程機械等制造領域，它利用聚焦鏡將激光束聚焦在材料表面 , 將材料加熱使材料熔化或汽化，同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化或汽化的材料, 達到切割材料的目的，并使激光束與材料沿一定的軌跡作相對運動，從而形成一定形狀的切縫。

本公司使用的是一臺意大利PRIMA公司制造的大型龍門框架式結構三維激光切割機，設備型號為PRIMACH—9000L/3D（見圖1）。最大切割功率2 500W，配置DC 025激光器，DC系列激光器的特點是具有非常高的光束質量（光束模式為TEM00），非常好的功率穩(wěn)定性和極低的氣體消耗量，激光發(fā)生器采用最先進的電氣和機械技術，確立了最高標準的質量和可靠性。該設備在鋁合金高速動車組、不銹鋼地鐵的零件生產中發(fā)揮了重大作用。

2. 三維激光切割的應用范圍

（1）三維激光切割的工作機理 相對于二維激光切割，三維激光切割需不停地調整激光切割頭姿勢, 以保證激光切割頭始終與工件表面垂直, 從而獲得優(yōu)良的切割質量。PRIMA公司創(chuàng)造性地將電容式傳感器集成到三維激光切割設備中，使機床可以自動適應沖壓件彈性變形造成的誤差，在切割過程中，使用電容傳感器來保證噴嘴與工件之間的距離為某一常量，傳感器能夠根據數控程序自動調整切割頭與工件之間的距離。

在實際生產中，三維激光切割程序編制需先對零件三維建模，然后導入三維編程系統(tǒng)生成路徑，并需要根據零件特征、工裝特征進行手工調整，以避免切割頭發(fā)生碰撞，操作復雜，工作量較大。由于三維激光切割機的切割頭配有電容式傳感器，能自動適應零件形狀，始終和零件保持一定距離進行切割，因此在零件曲面變化不劇烈的情況下，僅使用三維激光切割機的二維編程系統(tǒng)即可滿足生產需要。

（2）在鋁合金動車組制造中的應用 三維激光切割主要應用于鋁合金動車組司機室蒙皮的切割套料。司機室蒙皮為空間曲面結構的鋁合金薄板件，特別適合使用三維激光進行切割。在成形后，使用三維激光切割進行套料，相比使用帶鋸機進行劃線鋸切，三維激光切割的生產效率、切割精度明顯更高，如圖2、圖3所示。

圖1 三維激光切割機

圖2 司機室蒙皮的裝夾

（3）在不銹鋼地鐵制造中的應用 三維激光切割主要應用于不銹鋼地鐵門上橫梁、端門立柱、內層筋板等的眼孔及缺口加工，盲窗筋板的套料。

部分梁柱結構的零件，在靠近折彎線附近開設六角形鉚釘孔，若下料時直接開孔，折彎后眼孔會發(fā)生變形；因設計結構原因，有的零件折彎翻邊尺寸較小，無法直接折彎。這些零件都需要先折彎，然后使用三維激光進行切割，如圖4所示。

部分模具擠壓成形的零件，因落料模具的設計制造成本較高、制造周期長、落料質量不佳等原因，需選用三維激光進行套料、眼孔加工，如圖5所示。

圖3 司機室蒙皮的切割

圖4 切割折彎后的翻邊

圖5 盲窗筋板的套料

3. 三維激光切割的優(yōu)缺點

經生產實踐證明，三維激光切割具有以下優(yōu)點：①柔性好，能適應不同形狀工件的切割加工。②精度高，能滿足鋁合金動車組、不銹鋼地鐵等產品的制造精度。③經濟效益高，可以取代傳統(tǒng)制造工藝的修邊模和沖孔模，其工藝步驟簡單、制造周期短、切割速度快、切縫寬度小、加工質量高，可以大幅度降低成本，縮短新車型的研發(fā)周期，具有良好的經濟價值和應用前景。

在本公司三維激光切割機的應用中，主要有以下不足：①切割功率較小，無法切割厚板，僅能切割板厚＜4mm的不銹鋼和鋁合金板。②維修費用較高，關鍵零部件依靠進口。

4. 影響三維激光切割質量的因素

三維激光切割可獲得較高的精度，主要得益于三維激光切割機本身的高精度制造。激光切割的質量評價指標主要有過燒、掛渣、切割表面粗糙度、切口寬度及切口錐度。影響激光切割質量的主要因素有焦點位置、切割功率、切割速度、切割氣壓。

生產中，一般根據工件的材質、板厚、曲面復雜程度設置切割參數如附表所示。

由附表可見，通過選用合理的切割速度即可獲得比較滿意的切割質量，如圖6、圖7所示。

三維激光切割參數

圖6 不銹鋼零件的切割質量

圖7 鋁合金零件的切割質量

5. 影響三維激光切割效率的因素

（1）牢固可靠裝夾工裝 三維激光切割一般需要配備一套牢固可靠的裝夾工裝，保證工件在切割過程中，工作放置平穩(wěn)，不會因受熱變形及輔助氣體的作用而發(fā)生偏移，不會出現顫動。若出現顫動，則會導致設備報警而停止，嚴重的會導致切割頭碰撞而損壞。

裝夾工裝的定位方式要合理，應選用零件的主要特征進行定位，以提高定位精度。

裝夾工裝應具有較高的通用性，實現多種工件在同一套裝夾工裝上切割，消除調整工裝的輔助時間。

結合生產實際，設計、制作了基于蒙皮切割的不銹鋼零件切割組合工裝（見圖8）。切割蒙皮時，將不銹鋼切割工裝整體移除，根據蒙皮的空間幾何尺寸通過控制系統(tǒng)將支撐柱升起；切割不銹鋼零件時，將蒙皮支撐柱降低，通過連接座將不銹鋼井字形插接工裝安裝在蒙皮支撐柱上。巧妙地將兩套工裝組合起來，節(jié)省了工裝調整時間，滿足了20余種蒙皮、30余種不銹鋼零件的切割生產需要。

圖8 切割組合工裝的應用

（2）穩(wěn)定的零件精度 雖然三維激光切割機具有較高的切割精度，但是在零件定位方式和數控程序不變的情況下，如果零件的質量不穩(wěn)定，則每次切割都需調整程序，勢必降低生產效率。

（3）合理的數控程序 編程時，應設置合理的切割順序，盡量減少空行程。

（4）合理的生產批量 三維激光雖然具有較高柔性，適合于多品種小批量生產，但是在實際生產中，安排合適的生產批量，可減少品種轉換之間的程序調整、工裝調整的時間。

6. 結論和展望

三維激光切割技術在鋁合金動車組、不銹鋼地鐵的生產中應用廣泛，已實現批量化生產，并發(fā)展成為企業(yè)不可替代的重要加工方法。在提高生產效率、縮短制造周期、減少模具種類和數量方面發(fā)揮了顯著的作用，為企業(yè)贏得市場發(fā)揮了積極作用。

柔性制造是制造業(yè)發(fā)展的趨勢，三維激光切割技術以其高度柔性化，必將在制造業(yè)各領域中占據越來越重要的地位，應用也必將越來越廣泛。隨著技術的發(fā)展，期待國產三維激光切割設備及編程系統(tǒng)能發(fā)揮更大作用，降低企業(yè)的設備投入及維修成本。

[1]謝德華. 基于三維激光切割技術的車身覆蓋件切割夾具設計 [D]. 湖南大學，2005.

[2]陳濤，王智勇. 激光加工技術在汽車車身大型覆蓋件中的應用[J].中國機械工程，2002，13(1)：8-11.