論激光切割技術及其在農機制造中的應用

喬建峰

（中國農業機械化科學研究院，北京 100086）

1 農機行業的快速發展對現代加工技術的迫切需求

1.1 農機行業的發展現狀

中國是農業大國，農業是國家的命脈，農業機械化發展是農業發展的重要保證。我國農業機械制造業是在新中國成立后，從無到有逐步發展起來的，是從增補舊式農具和制造推廣新式農具起步的。我國農機工業經過50年的發展，已形成了拖拉機、內燃機、耕作機械、植保機械、收獲機械、排灌機械、運輸機械、畜牧機械、農副產品加工機械、飼料加工機械、半機械化農具、拖內配件等13個小行業，能生產16大類、104個小類、3200多種產品的完整工業體系，使我國農業機械化水平不斷提高，促進了我國農業勞動力結構的巨大變化，對我國農業和農村經濟的發展作出了重要貢獻。

雖然中國農機總量快速發展，但巨大的人口基數仍使中國農機人均保有量處于世界平均水平之下，綜合機械化水平僅約48%，并呈現明顯的結構性不均衡：小型機械較多而大中型機械較少、動力機械較多而配套機械較少、機耕機械化水平顯著高于機播和機收、糧食作物機械化水平普遍高于經濟作物，丘陵地帶機械化仍處于起步階段。同時，由于我國的農業機械工業規模普遍偏小，產品技術含量較低，新技術和新設備又難以得到很好的推廣，造成了農機行業整體發展水平的滯后。

1.2 農業機械的產業特征

我國的農業生產的特點直接決定了我國農業機械的產業特征具有農機種類品種多樣化，農機的技術難度大小反差很大，而且農機使用要求可靠性高、適應性強，特別是農機科研、生產的周期長、投入大。在農業生產中，種植業、林業、漁業的開墾、種植和收獲都受到季節性影響，農機研制經過設計、試制、性能試驗、生產試驗、推廣示范等步驟才能用到生產中去；生產試驗和推廣示范都受到農業季節性制約，錯過生產的季節性工況環境，只能等下一個年度再進行，所以，一種新機型的誕生，一般需要經過3～5年，有的甚至更長。因此農機科研周期長，消耗的物力和人力多。

1.3 農機制造對現代加工技術的迫切需求

我國目前雖然已經成為農機的生產大國，但是我國農機制造技術及裝備水平與發達國家相比，還約有20到30年的差距。企業的設備新度系數很低，差距甚大。有的第一線生產設備甚至是發達國家20世紀五、六十年代的產品。甚至一些骨干老企業設備新度系數僅為0.3～0.4，遠低于其它機械行業0.6～0.7的普遍標準，設備陳舊，產品質量難以控制；因此，農機制造業對新型加工方式提出了迫切的需求，如CAD/CAM、激光加工技術、數控與自動化技術等，這些先進技術的應用，將加快我國農機制造現代化的進程，本文將主要論述激光切割技術在農機制造業的研究及其應用。

2 數控激光切割技術的原理

激光技術是20世紀偉大的發明之一，自1960年第一臺激光器問世以來，固體激光器（Nd：YAG等）、氣體激光器、半導體激光器以及準分子激光器陸續誕生；激光不同于普通光源，它具有良好的單色性和相干性，很好的方向性，極高的能量密度，這些特點使得激光廣泛地應用于各類機械加工領域，如激光切割、焊接、激光淬火、激光打標等等，而激光切割被認為是激光技術應用中最成熟的工藝。

激光切割是用聚焦后的激光束照射在被切割材料的表面，光能轉換成熱能，在數微秒的時間內，光斑區的溫度升高至材料的熔點甚至沸點，材料被熔化和汽化，一個直徑為100μm的小孔被打出，當激光束沿著設定的路徑移動，光束與材料不斷相互作用，割縫隨之形成，在這一過程中，輔助氣體通過切割嘴吹過割縫，其作用有三：助切（氧氣在碳素鋼切割上占到60%的熱量提供）、吹去熔渣和冷卻。而激光切割的質量（包括切縫的寬度、邊緣的直線度以及切割斷面的粗糙度）由激光功率、激光模式（通常為低階模、單模）與偏振（圓偏振）、輔助氣體壓力以及切割速度決定。

3 數控激光切割技術的主要優點

激光切割是當今世界上最先進的切割工藝，與其他切割工藝如火焰切割、等離子切割、高壓水射流切割等相比具有十分巨大的優勢，其加工對象幾乎包括了所有的金屬和非金屬材料，可以對高硬度、高脆性、高熔點的材料進行形狀復雜的三維立體零件切割，這也是數控激光切割技術的優勢所在。

3.1 激光功率高，切口質量好：激光束是高能量密度的熱源，切割低碳鋼，切口寬度可小于0.1～0.2mm，切割表面粗糙度只有十幾微米，切割零件的精度可達±0.05mm，因此激光切割的零件因切割質量好，經常無需機械加工而直接使用。

3.2 輸入熱量小、材料變形小、材料性能受影響小：由于激光束的功率密度極高，切割時熱影響區域極小，對薄板一般只有0.01～0.1，切口附近材料變形很小，性能幾乎不受影響。

3.3 加工柔性好：激光切割無需任何刀具和模具，激光通過光學鏡片傳導，切割過程可實現全部數控，在計算機控制下，可直接實現二維、三維上任意形狀的板類和殼體類零件的柔性加工，特別適用于新產品研制開發階段的多品種、小批量的鈑金類零件的加工，可省去費用很高的模具設計、制造費，極大的縮短生產周期。

3.4 切割效率高：以1mm厚的碳鋼板為例，切割速度可達40m/min，高效率使得單件加工成本成幾何級數地降低，甚至低于傳統加工方法。

3.5 激光切割為非接觸光學熱加工，被譽為永不磨損的萬能刀具：激光束在零件表面游走即可實現切割功能，工件裝卡簡單，甚至不需要裝卡，而且工件可以進行任意形式的緊密排料或套裁，使原材料得到充分應用，由于是非接觸加工，加工后工件沒有任何變形。

4 數控激光切割技術在農機制造中的應用

農業機械種類繁多，更新換代迅速，新產品研制周期長，而且多數種類的產品都屬于小批量生產，農機產品的鈑金加工件一般采用4～6mm鋼板，板金件種類多，并且更新快，傳統的農機產品板金加工件通常采用沖床方式，模具消耗大，通常一個大型的農機生產廠家用于模具存放的庫房就近300m2，由此可見，農機部件的加工如果仍然停留在傳統的方式，將嚴重制約產品的快速更新換代與技術開發，而數控激光切割技術的柔性加工優勢就體現出來了。

激光加工能借助現代的CAD/CAM軟件，對農機產品中諸多形狀復雜的結構件實現任何形狀的切割，現在國產的數控激光切割機的切割厚度也可達到18～20mm，切割速度高達3m/min。采用激光加工，不僅加工速度快、效率高、成本低，而且避免了模具或刀具更換，縮短了生產準備時間周期，易于實現連續加工，提高了生產效率。可進行多種工件交替安裝。一個工件加工時，可卸下已完成的部件，并安裝待加工工件，實現并行加工。

“中國農業機械化科學研究院”作為農機科研和產業開發的龍頭，近年來一直致力于做到產、學、研、推、管相結合，提高農機制造的技術水平，使其與其他機械制造行業平行發展。也一直在探索數控激光加工等先進制造技術在農機制造中的研究和應用方式，以提高農機制造企業的現代化生產水平。

2002年我院就購置了第一臺國產的數控激光切割機，激光功率為2千瓦，切割厚度為不銹鋼切割厚度6mm，碳素鋼切割厚度最大為10mm；切割板面范圍（長×寬）為3000mm×1500mm。

數控激光切割機的投入使用，在農機新產品的研發過程中起到了重要的作用，提高了產品的關鍵部件的加工精度，縮短了開發周期，如圖1所示為玉米聯合收割機割臺的關鍵部件右下固定齒。

圖1

零件齒頂外徑為1468.2mm，齒形為材料為δ6mm厚碳素鋼板，使用傳統加工方法加工外徑接近1500mm的齒圈，如使用大型機加設備進行車削、銑削的工藝幾乎是行不通的，一般中小型農機企業都是使用火焰仿形切割后打磨，加工的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度都很難達到工件的設計要求，而收割機割臺中此類尺寸大、形狀復雜、尺寸以及形位精度要求高的關鍵零部件還有很多，諸多加工精度不達標的零部件裝配到一起，勢必嚴重影響玉米聯合收割機的整體性能。而使用數控激光切割機對右下固定齒進行加工，連同輔助時間加工每件用時不超過10分鐘，尺寸精度和形位精度均能達到零件設計要求，而且在右下固定齒內圈里面還可以套料，同時切出其它齒類零件，極大地提高了加工效率，降低了加工成本，而且隨著數控激光切割工藝的應用，也可以對農機產品的設計進行優化，從而提高產品的綜合性能以及現代化水平。

結語

農機行業的快速發展，產品加速更新換代，對現代加工技術提出了迫切需求，而像數控激光切割此類先進的加工手段可以縮短產品開發周期，提高產品生產效率，尤其對新開發產品中的復雜零件，激光切割則更具優勢；數控激光切割技術在農機生產中將逐漸成為必不可少的加工手段，成為提升農機產品裝備制造業現代化程度的新興增長點，成為改造傳統農機加工的重要技術支撐，數控激光加工的廣泛應用一定可以推動農機行業的快速發展。

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