一种特种车纵梁孔激光切割技术

王力

泰安航天特种车有限公司 山东泰安 271000

1 序言

激光切割技术具有精度高、切割面光洁美观、一次成形及效率高等优点，因此应用越来越普及，并在工业生产中解决了许多常规方法无法解决的难题。企业为了提高生产效率、降低成本，部分铣边、钻孔及模具冲压等作业也采用激光切割来代 替[1，2]。一种特种车纵梁孔（包括异形过孔、螺栓连接孔等），需要在纵梁折弯成形后加工。现有的两种加工方式：一是利用大型数控镗铣床加工；二是利用人工划线、钻床钻孔，或空气等离子切割、人工修磨。以上两种方式都存在效率低、成本高的缺点。本文通过试验验证和生产检验，实现了激光加工一种特种车纵梁孔的目标，不仅保证了加工质量，而且提高了生产效率，同时降低了成本。

2 现有工艺

一种特种车纵梁材质为HG785D，板厚10mm，截面为Z字形，折弯角度102°，高度900mm，上翼板宽度145mm，下翼板宽度90mm，长度约15m，如图1所示。纵梁有连接孔约300个，异形大孔约20个。为保证纵梁孔的加工精度，先将纵梁折弯成形后再加工各孔。现有的两种加工方法，即大型数控镗铣床加工和人工划钻、切割，都不利于公司提升效率和降低成本。

图1 一种特种车纵梁

（1）人工划钻、切割 人工划钻、切割纵梁孔主要工艺过程：在平台上用钢拐尺、卷尺、划针等器具划出纵梁各孔位置，并打样冲点，再用摇臂钻床依据样冲点钻孔；异形大孔用手持式空气等离子、样板切割，再用电动磨光机修磨切口。该工艺方法加工纵梁的效率约24h/根，其中，划线约需6h，钻孔约需12h，切割、打磨约需6h。不仅生产效率低，而且精度较低，外观质量也较差。

（2）数控镗铣床加工 该加工方法主要工艺过程：将纵梁在平台上固定压紧、找正，启动程序进行加工，如图2所示。数控镗铣床加工纵梁的效率约12h/根。虽然该方式加工纵梁孔精度较高，但生产效率较低且成本高，目前市场报价约1万元/根。

图2 数控镗铣床加工纵梁孔

3 试验

关重件（纵梁属于关键件）采用新工艺前，应进行充分试验验证并确认合格。因此，为了保证试验可靠，试样选用与纵梁相同材质、板厚的HG785D钢板制作。具体试验包括金相、硬度、表面粗糙度、拉伸及切割精度等，验证切割工件、切割参数、切割工艺等是否满足质量要求[3，4]。

3.1 金相试验

制作金相试样（见图3），通过观察发现切割面呈蓝色，主要是因为采用氧气作为辅助气体，所以在表面形成了高温氧化色。通过显微观察发现，切割面外层深约0.14mm的热处理区域为索氏体组织（见图4），该区域未见微裂纹等其他缺陷。索氏体组织属于珠光体类型组织，其组织颗粒比珠光体组织更细小，并且索氏体组织具有良好的综合力学性能[5]，满足纵梁孔质量要求。

图3 金相试样

图4 热处理区域组织形貌

3.2 硬度试验

硬度试验如图5所示。将割缝附近区域划分为A、B、C、D、E共5个区域分别检测硬度（见图6），检测区域硬度及宽度见表1。

表1 检测区域硬度及宽度

图5 硬度试验

图6 硬度检测区域分布

硬度试验结果显示，A区域范围是0.15mm以内，属于热处理索氏体组织（硬化层），其他区域硬度与母材硬度基本一致。由此可知，激光切割面不仅具有高硬度，同时可使内部保持良好的韧性。

3.3 表面粗糙度试验

对试板进行表面粗糙度检测，如图7所示。激光切割时应设置起弧点内切进入，避免引弧凹坑，并根据切割功率调试、修正切割参数，进一步完善切割工艺[6，7]。最终检测结果为Ra1.37μm和Ra2.46μm，由此可知激光切割表面质量高，满足质量要求。

图7 表面粗糙度检测

3.4 拉伸试验

为了验证激光切割对材料强度的影响，制作拉伸试样进行试验，结果见表2。试验结果显示，激光切割对母材强度没有影响。试验后发现试样出现缩颈、拉断的部位均位于激光切割孔的中间位置，如图8所示。

表2 拉伸试验结果 （MPa）

图8 拉断试样

3.5 精度试验

激光切割精度试样如图9所示，并检测孔径及孔间距精度，试验数据见表3。试验结果显示，激光切割误差≤0.1mm，满足纵梁孔加工精度要求。

图9 激光切割精度试样

表3 激光切割精度试验数据 （mm）

4 激光切割纵梁孔

激光切割机是以PLC作为控制核心，与其他电气元件进行配合，从而构成了一套运动控制系统，使得该装置能够快速、准确地交换，完成激光切割的工作[8]。一种特种车纵梁激光切割孔加工工装（见图10），包括二维激光切割机、检测样板、调节件、纵梁定位调直工装和工作台。纵梁定位调直工装固定设置于工作台上；二维激光切割机位于纵梁定位调直工装和工作台上方；调节件设置于纵梁定位调直工装一端。使用时，将纵梁放到纵梁定位调直工装上，二维激光切割机在纵梁上打基准线标记。依据基准线，利用卷尺、检测样板检测纵梁直线度，并用调节螺栓调整纵梁直线度，直至纵梁直线度满足技术要求，启动切割程序，二维激光切割机开始加工纵梁孔。与现有技术相比，大大提高了生产效率和加工速度，降低了加工成本，提升了加工精度。

图10 一种特种车纵梁激光切割孔加工工装

5 效果分析

（1）切割质量 经检测，纵梁激光切割后孔径和孔间距精度误差≤0.1mm，纵梁上平面至孔中心尺寸误差＜1mm，满足质量要求。

（2）切割效率 经统计，激光加工一根纵梁孔总工时约3h，其中纵梁装夹、调直约1h，激光切割时间约2h。相比数控镗铣床加工（12h/根）和人工划钻、切割（24h/根），效率分别提升了4倍和8倍。

（3）降低成本 激光切割效率高、耗费低，根据当地市场报价，激光切割一种特种车纵梁孔价格约2000元/根，远低于人工划钻、切割的5000元/根和数控镗铣床加工的1万元/根。

6 结束语

本文通过试验，验证了激光切割的高质量，满足纵梁孔的质量要求。根据一种特种车纵梁的结构特点，设计针对Z字形纵梁定位调直工装及其他附件，用于切割前调直纵梁直线度，保证了纵梁切割精度。经过试验和生产检验，证明采用该激光切割工艺加工一种特种车纵梁孔，不仅满足质量要求，而且可提高生产效率，降低成本。