工程機械覆蓋件激光切割技術制造工藝研究

李艷萍 尹占雄

（寧夏六盤山水務有限公司，固原 756000）

我國工程機械行業近年來發展迅速。廣大客戶對工程機械產品的要求越來越高，不僅要求功能多、性能優良，還要求外觀、造型美觀，線條流暢。工程機械覆蓋件不斷推出各種流線造型，大膽使用圓弧、曲線過渡。它外觀的優劣，直接體現了工業造型設計的優劣，使得工程機械覆蓋件的設計和生產越來越受到各生產企業的重視。工程機械覆蓋件屬于鈑金件，將低碳冷軋薄鋼板通過模具沖壓產生塑性變形，形成一定形狀和尺寸的半成品工序零件。它表面上的造型、散熱孔應用三維激光切割機進行切割加工，優點是鈑金模具設計簡單，造價低廉，生產周期短[1]。

激光切割覆蓋件尤其是試制產品，因為模具還未開發生產，所以不需要使用模具成型。鈑金手工制作完成工序樣件后，利用三維激光切割機可以完成較為復雜工件的孔、洞切割任務。因此，三維切割機可以替代一些大型復雜模具的沖切加工，大大縮短了試制周期，降低了樣機試制成本，有助于將新機型迅速投放市場，搶占市場先機。因此，激光切割廣泛應用于工程機械的試制階段以及多品種、小批量工程機械覆蓋件的生產。

1 三維激光切割機的結構及技術參數

以上海團結普瑞瑪生產的Pratico 2530D型數控三維激光切割機為例，對其結構、技術參數以及相關特點進行介紹。

它是一臺氣體激光切割機（大都采用CO2激光器），主要由激光發生器、棱鏡導光系統、數控驅動系統、操作臺、氣源、水源及除塵系統等組成。

Pratico 2530D型數控三維激光切割系統的主要技術參數見表1。機床中，傳動軸X軸（工作平臺的縱向移動）由滾珠絲杠傳動，傳動間隙極小（0.008 mm），工作臺質量小，慣性矩小，定位精確。切割較小孔時，切割的孔較圓且較規則，直線距離X軸方向誤差小。Y軸是滾珠絲杠傳動（激光切割頭的橫向移動）。Z軸（激光切割頭的上下移動）滾珠絲杠傳動，汽缸做平衡運動。工作臺上的加工矩形槽與X平行，槽內可放置定位塊。此外，臺面預留螺紋孔，可裝限位螺釘和壓緊螺釘[2]。

表1 主要技術參數

2 激光切割工藝

2.1 切割工件材料及形狀要求

工程機械覆蓋件使用厚度為3.0 mm、2.0 mm、1.5 mm的08AL或ST14等冷軋薄鋼板材料制成。這種材料的含C（＜0.080%）、Mn（＜0.400%）、P（＜0.020%）、S（＜0.030%）、Al（＞0.015%），屈服強度為130～210 MPa，抗拉強度不小于270 MPa，斷后伸長率不小于34%，屬于深拉伸級冷軋鋼板。將這種薄板經過模具拉伸產生塑性變形，形成一定形狀和尺寸的毛坯件[3]。覆蓋件多采用沖壓成型，剛性好。外形尺寸通過加工模具塑造，零件沖壓后再進行裁邊處理即可使用。但是，這種模具造價高，設計復雜，生產周期長，不適宜工程機械覆蓋件多品種、多規格、小批量生產，決定了工程機械覆蓋件生產不可能像汽車車身蒙皮采用大批量的沖壓成型技術生產線。因此，此類工件經過簡易模具壓制成型后即可采用三維激光切割機進行孔洞切割，大大節省了對復雜模具的資金投入。

2.2 切割工藝特點

激光切割后的切口有一定錐度，且斷面會留下很淺的熱影響層。但與其他切割方法比較，切割同等厚度的同種材料，利用激光切割速度最高，切口寬度最小。

同等厚度同種材料采用一定功率的激光切割時，輔助氣體活性越大，壓力越大，切口寬度越小。若焦點位于材料表面下方1/3板厚處，切割深度最大，切口寬度最小。激光光束與噴氣流同軸度越高，切口寬度越小，切割質量越高。

利用激光切割鈦合金板材時，切割速度越高，切口表面質量越好，熱影響區也越小。輔助氣體不僅可改善切割表面的質量，還可使切口變窄，一般采用數控技術控制切口的形狀和尺寸。

2.3 激光切割工藝流程

采用三維激光切割機切割工程機械覆蓋件孔洞時，要建立三維數字模型，依據三維數字模型設計拉伸模具和編制數控切割程序，然后壓制產品毛坯件進行切割加工。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 三維激光切割工藝流程

以SWE150挖掘機發動機罩為例，運用三維激光切割機的制造工藝分析，以圖片演示建模、切割步驟過程。

2.3.1 建立產品數模

運用三維軟件設計產品數模，見圖3。

圖3 產品數模

2.3.2 編程

運用CAD/CAM技術，由計算機軟件生成三維激光切割程序，并轉換成數控機床的數控指令。

2.3.3 碰撞檢測

編程軟件自帶碰撞檢測程序，當編程步驟完成后，按“碰撞檢測”命令，系統將會自動檢測生成的程序是否存在碰撞現象，模擬實際加工狀態，避免加工過程中發生因激光切割頭與工件發生碰撞而造成的質量、安全事故[4]，見圖4和圖5。

圖4 碰撞檢測

圖5 無碰撞

2.3.4 確定定位點

程序編好后，確定激光切割頭的起始位置，即確定定位點。在實際加工中，確定的定位點與工件的定位點一一對應，可確保切割空位的準確性，否則將出現錯位現象，見圖6和圖7。

圖6 實際位置轉換

圖7 割除寬鰭片后吹灰器孔附近樣貌

圖7 確定定位點

2.3.5 模擬切割

當碰撞檢測完成后，可進行模擬切割。點擊模擬切割命令后，模擬激光切割頭便沿著切割路徑進行模擬切割，檢查切割順序是否合理，是否有漏切現象，見圖8和圖9。

圖8 選擇模擬切割

圖9 沿切割路徑進行模擬切割

2.3.6 設置切割參數、生成程序

切割參數的設置主要是針對切割速度，一般將速度設置為20 mm·min-1，點擊“生成程序”命令，軟件將自動生成數控程序，見圖10和圖11。

圖11 生成程序

2.3.7 實際加工

將已經生成的程序從計算機中導出，并導入到三維激光切割機操作臺，對好控制點位（定位點），啟動后便可實現激光切割加工。

3 結語

工程機械覆蓋件是多品種、小批量生產，使用三維激光切割機切割的速度可達10 m·min-1，不僅大幅度縮短了生產周期，而且實現了生產的柔性化。通過改變加工程序，能對不同形狀的孔、洞進行切割。由于切割加工效率高，因此模具總的加工費用降低了50%以上[5]。

雖然加工覆蓋件上的孔、洞使用三維激光切割機較為理想，但切割任意自由曲面的孔洞，價格昂貴，使用成本較高。因此，生產前需要建模和編程，對技術人員的要求高。隨著科技的不斷發展和進步，三維激光切割機的應用范圍會更加廣泛，生產成本會逐步降低，操作也會更加便捷。