三维激光切割技术在机车车辆制造中的应用

王强 党键 王鹏

1. 概述

激光切割技术现已广泛应用于汽车、航天航空、机车车辆、工程机械等制造领域，它利用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面 , 将材料加热使材料熔化或汽化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化或汽化的材料, 达到切割材料的目的，并使激光束与材料沿一定的轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。

本公司使用的是一台意大利PRIMA公司制造的大型龙门框架式结构三维激光切割机，设备型号为PRIMACH—9000L/3D（见图1）。最大切割功率2 500W，配置DC 025激光器，DC系列激光器的特点是具有非常高的光束质量（光束模式为TEM00），非常好的功率稳定性和极低的气体消耗量，激光发生器采用最先进的电气和机械技术，确立了最高标准的质量和可靠性。该设备在铝合金高速动车组、不锈钢地铁的零件生产中发挥了重大作用。

2. 三维激光切割的应用范围

（1）三维激光切割的工作机理 相对于二维激光切割，三维激光切割需不停地调整激光切割头姿势, 以保证激光切割头始终与工件表面垂直, 从而获得优良的切割质量。PRIMA公司创造性地将电容式传感器集成到三维激光切割设备中，使机床可以自动适应冲压件弹性变形造成的误差，在切割过程中，使用电容传感器来保证喷嘴与工件之间的距离为某一常量，传感器能够根据数控程序自动调整切割头与工件之间的距离。

在实际生产中，三维激光切割程序编制需先对零件三维建模，然后导入三维编程系统生成路径，并需要根据零件特征、工装特征进行手工调整，以避免切割头发生碰撞，操作复杂，工作量较大。由于三维激光切割机的切割头配有电容式传感器，能自动适应零件形状，始终和零件保持一定距离进行切割，因此在零件曲面变化不剧烈的情况下，仅使用三维激光切割机的二维编程系统即可满足生产需要。

（2）在铝合金动车组制造中的应用 三维激光切割主要应用于铝合金动车组司机室蒙皮的切割套料。司机室蒙皮为空间曲面结构的铝合金薄板件，特别适合使用三维激光进行切割。在成形后，使用三维激光切割进行套料，相比使用带锯机进行划线锯切，三维激光切割的生产效率、切割精度明显更高，如图2、图3所示。

图1 三维激光切割机

图2 司机室蒙皮的装夹

（3）在不锈钢地铁制造中的应用 三维激光切割主要应用于不锈钢地铁门上横梁、端门立柱、内层筋板等的眼孔及缺口加工，盲窗筋板的套料。

部分梁柱结构的零件，在靠近折弯线附近开设六角形铆钉孔，若下料时直接开孔，折弯后眼孔会发生变形；因设计结构原因，有的零件折弯翻边尺寸较小，无法直接折弯。这些零件都需要先折弯，然后使用三维激光进行切割，如图4所示。

部分模具挤压成形的零件，因落料模具的设计制造成本较高、制造周期长、落料质量不佳等原因，需选用三维激光进行套料、眼孔加工，如图5所示。

图3 司机室蒙皮的切割

图4 切割折弯后的翻边

图5 盲窗筋板的套料

3. 三维激光切割的优缺点

经生产实践证明，三维激光切割具有以下优点：①柔性好，能适应不同形状工件的切割加工。②精度高，能满足铝合金动车组、不锈钢地铁等产品的制造精度。③经济效益高，可以取代传统制造工艺的修边模和冲孔模，其工艺步骤简单、制造周期短、切割速度快、切缝宽度小、加工质量高，可以大幅度降低成本，缩短新车型的研发周期，具有良好的经济价值和应用前景。

在本公司三维激光切割机的应用中，主要有以下不足：①切割功率较小，无法切割厚板，仅能切割板厚＜4mm的不锈钢和铝合金板。②维修费用较高，关键零部件依靠进口。

4. 影响三维激光切割质量的因素

三维激光切割可获得较高的精度，主要得益于三维激光切割机本身的高精度制造。激光切割的质量评价指标主要有过烧、挂渣、切割表面粗糙度、切口宽度及切口锥度。影响激光切割质量的主要因素有焦点位置、切割功率、切割速度、切割气压。

生产中，一般根据工件的材质、板厚、曲面复杂程度设置切割参数如附表所示。

由附表可见，通过选用合理的切割速度即可获得比较满意的切割质量，如图6、图7所示。

三维激光切割参数

图6 不锈钢零件的切割质量

图7 铝合金零件的切割质量

5. 影响三维激光切割效率的因素

（1）牢固可靠装夹工装 三维激光切割一般需要配备一套牢固可靠的装夹工装，保证工件在切割过程中，工作放置平稳，不会因受热变形及辅助气体的作用而发生偏移，不会出现颤动。若出现颤动，则会导致设备报警而停止，严重的会导致切割头碰撞而损坏。

装夹工装的定位方式要合理，应选用零件的主要特征进行定位，以提高定位精度。

装夹工装应具有较高的通用性，实现多种工件在同一套装夹工装上切割，消除调整工装的辅助时间。

结合生产实际，设计、制作了基于蒙皮切割的不锈钢零件切割组合工装（见图8）。切割蒙皮时，将不锈钢切割工装整体移除，根据蒙皮的空间几何尺寸通过控制系统将支撑柱升起；切割不锈钢零件时，将蒙皮支撑柱降低，通过连接座将不锈钢井字形插接工装安装在蒙皮支撑柱上。巧妙地将两套工装组合起来，节省了工装调整时间，满足了20余种蒙皮、30余种不锈钢零件的切割生产需要。

图8 切割组合工装的应用

（2）稳定的零件精度 虽然三维激光切割机具有较高的切割精度，但是在零件定位方式和数控程序不变的情况下，如果零件的质量不稳定，则每次切割都需调整程序，势必降低生产效率。

（3）合理的数控程序 编程时，应设置合理的切割顺序，尽量减少空行程。

（4）合理的生产批量 三维激光虽然具有较高柔性，适合于多品种小批量生产，但是在实际生产中，安排合适的生产批量，可减少品种转换之间的程序调整、工装调整的时间。

6. 结论和展望

三维激光切割技术在铝合金动车组、不锈钢地铁的生产中应用广泛，已实现批量化生产，并发展成为企业不可替代的重要加工方法。在提高生产效率、缩短制造周期、减少模具种类和数量方面发挥了显著的作用，为企业赢得市场发挥了积极作用。

柔性制造是制造业发展的趋势，三维激光切割技术以其高度柔性化，必将在制造业各领域中占据越来越重要的地位，应用也必将越来越广泛。随着技术的发展，期待国产三维激光切割设备及编程系统能发挥更大作用，降低企业的设备投入及维修成本。

[1]谢德华. 基于三维激光切割技术的车身覆盖件切割夹具设计 [D]. 湖南大学，2005.

[2]陈涛，王智勇. 激光加工技术在汽车车身大型覆盖件中的应用[J].中国机械工程，2002，13(1)：8-11.