激光高效切割技術在工程機械制造中的應用

傅中明

激光高效切割技術在工程機械制造中的應用

傅中明

我公司生產的工程機械產品中，大部分零件應用了目前主流的切割技術，現將工程機械行業常用的切割技術進行闡述，并重點介紹激光切割技術的應用及發展。

1. 工程機械切割下料現狀（以裝載機為例）

（1）裝載機下料的特點 首先，下料材料。裝載機結構件下料的材料主要是碳素結構鋼、低合金結構鋼等，材質本身具有良好的力學性能，產生冷、熱裂紋的傾向小，切割前工件不需預熱，切割后也不需特殊措施。

其次，結構特點。裝載機下料工件包括薄板件(如駕駛室、機罩、蓋板等)，板厚為1～4 mm；中板件（如車架、行走架、動臂、斗桿、鏟斗等），板厚為6～20 mm；厚板件（如裝載機前、后輪）板厚20mm 以上。所需的下料件中，薄板件、中板件零件占的比重較大。為確保下料零件表面質量最優，同時考慮成本效率等因素，公司規定對不同板厚要求采用不同的切割方法（見附表）。

（2）裝載機切割下料應用情況 工程機械生產中，切割下料通常有火焰切割、等離子切割、激光切割三種常見的切割技術。

首先，火焰切割（見圖1），主要用于切割低碳鋼。由于火焰切割的熱輸入影響大，切割速度低，所以主要用于切割板厚＞20mm、不要求尺寸精確的板材，因此主要用來開坡口及薄板的整形工作。

其次，等離子切割（見圖2）。由于其工藝特點，主要應用于切割30mm以下厚度的碳鋼和低合金鋼；還可切割氧乙炔無法切割的材料，如鋁合金、不銹鋼以及非金屬材料等。

最后，激光切割（見圖3）。激光切割的零件質量高，切割面光滑無毛刺，表面粗糙度一般能控制在12.5μm以下，具有切縫窄、幾何形狀好，受熱影響很小，無熱變形、工作噪聲較低、污染小等特點。激光能夠切割的材料范圍很廣，包括各種金屬和非金屬板材，不受材料硬度的影響（如陶瓷）。但其缺點，主要用于切割板厚10mm以下的鈑金件，因此，廣泛應用于各種工程機械鈑金件和零件精密切割領域。

切割工藝與板厚對應表

圖1 火焰切割

圖2 等離子切割

2. 激光高效切割技術的特點及優勢

（1）激光高效切割技術的

特點 激光切割具有無接觸加工、柔性化程度高、高效、質量好，具有廣泛的適應性和靈活性，可切割材料范圍廣等特點。① 激光切割切縫寬度小，材料的利用率高。并能精確切割形狀復雜、有尖角的零件，尺寸精度可達±0.05mm。 ② 激光切割作用時間短，工件變形少，周邊熱影響區很小，為0.08～0.1mm。③激光切割時只需定位，因而工件無機械應力及表面損傷。④切割速度快，為機械方法的20倍，特別適用于中、薄板的高精度、高速度切割。⑤噪聲和振動小，對環境基本無污染。

圖3 激光切割

（2）激光高效切割應用的優勢 柳工集團是最早將激光切割加工系統引進到工程機械的廠家之一，其主要應用于大型覆蓋件的切割下料，擋風板的激光切割等。激光切割除了可以快速方便地切割各種不同形狀的坯料外（見圖4），還用來切割加工因規格不同，需要更改的零件安裝孔位置，如標志燈、車架、車身兩側裝飾線等。三維激光切割技術，由于其本身具有加工靈活和保證質量的特性，故被公司用來新車試制，用于切割輪廓和修正。公司采用Rofin-Sinar的500W激光器通過光纖連接到裝在機械手上的焊頭，用以切割裝載機門各種安裝孔，1min就完成一扇門開孔的加工。另外在車身裝配后的加工、開行李架固定孔，頂蓋滑軌孔、天線安裝孔、修改車輪擋泥板形狀等也經常應用。它既縮短了試制周期又省了節模具，充分體現出采用激光切割加工的優點。

與其他切割方法相比，激光切割有以下三大優勢：

第一，工件可以進行任意形式的緊密排料或套裁，使原材料得到充分利用，并且加工后的零件沒有任何形變。

第二，效率高，以1mm厚的鋁合金板為例，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。

第三，無需刀具和模具。在計算機控制下，可直接實現二維、三維以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，極大地縮短了生產周期。

3. 激光高效切割在工程機械制造應用的發展

我國激光工業起步較晚，雖然在近幾年來已經涌現出像華工激光、楚天激光以及大族激光等比較知名的激光加工設備企業，但由于激光核心技術與國外相比還存在一定的差距，特別是激光電源方面，主要以國外為主，致使激光加工設備的成本比較高，在企業的應用還不是很廣泛。但是，隨著國內激光加工技術的快速發展，激光加工電源必將在加工成本、加工厚度等方面實現突破，推動激光切割技術不斷地向前發展。

發展趨勢如下：

第一，激光切割將向數字化、智能化方向發展。將CAD/ CAPP/CAM以及人工智能運用于激光切割，研制出高度智能化的多功能激光加工系統。

第二，激光切割向多功能的激光加工中心發展，將激光切割、激光焊接以及熱處理等各道工序后的質量反饋集成在一起，充分發揮激光加工的整體優勢。

第三，激光切割將向更高效率、精度，以及多功能和高適應性方向發展，激光切割機器人的應用范圍將會越來越大。

第四，激光切割正向著柔性化方向發展。

圖4 激光切割下料

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4. 結語

隨著未來“中國制造2025”規劃的深入實施，中國工程機械制造將對高效制造技術的應用越來越廣泛。由于激光加工技術具有高效率、高精度等優勢，加上配合未來智能制造技術的應用，激光切割將在工程機械鈑金加工下料中起到越來越重要的作用。激光加工企業也應當加快智能化激光切割技術的研發步伐，適應企業生產發展的需要。

傅中明，揚州柳工建設機械有限公司