姚克甫　龔運息

【摘要】以汽車覆蓋件為對象，研究應(yīng)用激光切割技術(shù)代替汽車覆蓋件制造過程中的切邊、沖孔等工序。介紹了激光切割機床、激光切割原理和激光器的類型，對有關(guān)激光切割的編程方法和質(zhì)量控制中影響切割質(zhì)量的因素如切割速度、氣體壓力、焦點進(jìn)行了探討，展望了國內(nèi)未來激光加工技術(shù)的前景。

【關(guān)鍵詞】汽車覆蓋件；激光切割；編程；質(zhì)量控制

前言

汽車覆蓋件的制造是整車開發(fā)過程的重要環(huán)節(jié)，一般通過模具沖壓加工完成。主要工序有下料、壓延、整形、切邊、沖孔等，每道工序需要開發(fā)制造相應(yīng)的模具。因此，模具的開發(fā)周期，制約著汽車覆蓋件的開發(fā)進(jìn)度，從而影響整車的開發(fā)速度。然而，市場對新產(chǎn)品開發(fā)的要求卻越來越快，汽車行業(yè)如何實現(xiàn)制造與裝備技術(shù)的提升，引起了汽車和裝備制造業(yè)的高度重視。激光切割技術(shù)研究與應(yīng)用，為加快汽車新產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)造了條件?，F(xiàn)在，許多汽車廠在新產(chǎn)品開發(fā)階段，在覆蓋件的下料、壓延、整形之后，應(yīng)用激光切割代替汽車覆蓋件制造過程中的切邊、沖孔等工序，即使全套模具制造還沒完成，就能生產(chǎn)出完整的汽車覆蓋件，大大縮短了汽車新產(chǎn)品的開發(fā)周期。

1、汽車覆蓋件的結(jié)構(gòu)和特征

一般而言，汽車車身覆蓋件的一般結(jié)構(gòu)特征如圖1示。以常見的三廂轎車為例，主要有車門、頂蓋、發(fā)動機罩、行李箱蓋、側(cè)圍、前圍板、后圍板、地板等零部件總成組成。覆蓋件的結(jié)構(gòu)設(shè)計為了滿足車身強度要求和整車質(zhì)量要求，基本上是由板厚為0.65——2.0mm的低碳鋼薄板板材沖壓成型，形狀較為復(fù)雜，有標(biāo)準(zhǔn)的幾何曲面，有自由曲面，有各種加強筋、槽、凸臺、下陷、孔（窗）等各類幾何特征。這些覆蓋件通常都可以適用于激光切割，利用激光完成切邊、沖孔等工序作業(yè)。

2、激光切割原理和切割機床

2.1激光切割原理和激光器類型

激光切割的過程，是一個光能轉(zhuǎn)換的過程。其原理是激光發(fā)生器產(chǎn)生激光，經(jīng)過一系列光路，最后通過透鏡聚焦到切割頭上，在極短時間內(nèi)產(chǎn)生高能量，使材料迅速溶化、燒蝕，形成一條切縫。同時，借助高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實現(xiàn)割開工件，分離、去除工件多余材料的一種熱切割方法[1]。激光切割速度快，熱變型小，切割斷面精度高。一般切逢寬度為0.1—0.5mm，切逢表面粗糙度為Ra15—Ra20μm。

常用的激光發(fā)生器類型有CO2激光發(fā)生器、YAG激光發(fā)生器、光纖激光發(fā)生器。激光切割機因配置的激光發(fā)生器種類不同，分為CO2激光切割機、YAG激光切割機、光纖激光切割機。其中CO2激光切割機在汽車制造業(yè)應(yīng)用較早，技術(shù)成熟，適用于金屬非金屬，應(yīng)用范圍廣，但是價格較昂貴；光纖激光切割機則是國際上新發(fā)展的一種新型激光切割機，是一種趨勢。但是，光纖激光切割機與CO2激光切割機相比，因為激光波長的原因，其只能切金屬材料，對非金屬不容易被其吸收，從而影響其使用范圍，設(shè)備價格適中，性價比高；YAG激光發(fā)生器因功率小，運行速度較低，價格也較低，使用成本低，被廣泛應(yīng)用于廣告標(biāo)牌制作、高低壓電器柜制作、五金機械零件等制作。

用于汽車覆蓋件切割的激光切割機，其激光發(fā)生器功率通常較大，一般要達(dá)到2000W至3500W規(guī)格。若是用于焊接或熱處理，功率要求要達(dá)到3500W至5000W規(guī)格，甚至更高些。

2.2PRIMA激光切割機床

PRIMA公司是國際著名的激光切割機床生產(chǎn)廠商，全球第一臺三維激光切割機于1979年在意大利Prima工業(yè)公司誕生[2]。1982年，普瑞瑪工業(yè)公司對三維激光切割設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)升級，首次將電容式傳感器集成到了三維激光切割設(shè)備中，使機床的切割嘴可以自動“適應(yīng)”汽車覆蓋件沖壓成型所產(chǎn)生的彈性變形誤差，三維激光切割的精度更高、運行更加靈活。三維激光切割技術(shù)在汽車車身制造工程中真正發(fā)揮了作用，并在業(yè)內(nèi)逐漸推廣應(yīng)用。

柳州是廣西的工業(yè)重鎮(zhèn)，也是廣西的汽車城。國內(nèi)著名的幾大汽車集團(tuán)均有合資公司落戶于此。市內(nèi)的汽車主機廠及其子公司或汽車覆蓋件供應(yīng)商，應(yīng)用激光切割加工技術(shù)取得了良好成效。下面的章節(jié)要描述的是柳州某公司引進(jìn)的一款意大利PRIMA公司OPTIMO MC2200激光切割機的應(yīng)用實踐。

2.2.1 OPTIMO MC2200激光切割機主要參數(shù)

PRIMA OPTIMO MC2200激光切割機主要參數(shù)如表一所示，機床外觀效果如圖2所示。該機配置的是美國PRC公司的CO2激光發(fā)生器。

2.2.2 OPTIMO MC2200切割頭

如前所述，為了滿足汽車覆蓋件的結(jié)構(gòu)和特征的需要，三維激光切割機的切割頭運動必須有足夠的自由度。OPTIMO MC2200切割機配置的是一款6軸聯(lián)動切割頭，即X、Y、Z、A、B、F軸，如圖2所示。其中X、Y、Z為笛卡爾坐標(biāo)軸；A、B為旋轉(zhuǎn)軸，調(diào)節(jié)切割頭與工件表面的法矢方向；F軸則為自適應(yīng)軸，也稱焦位控制軸，用于進(jìn)行激光頭的焦位控制[3]。內(nèi)置的電容式傳感器使機床可以自動適應(yīng)覆蓋件的表面特征或沖壓件彈性變形，它始終保持激光聚焦點與工件表面距離為最佳[4]。切割頭及運動坐標(biāo)如圖3所示。

2.2.3 OPTIMO MC2200激光切割機使用氣體和作用

激光切割的過程，是一組氣體發(fā)生效應(yīng)的過程。分兩類氣體——處理氣體和輔助氣體。處理氣體是CO2、Ne、He，使用比例分別為2%、18%、80%，分別起到產(chǎn)生光源、溫度調(diào)節(jié)和保護(hù)的作用。輔助氣體（或稱介質(zhì)氣體）是O2、N2，分布在光束周圍，參與切割助切、吹掉熔渣和冷卻作用。O2氣體壓力在3——5bar，用于切割薄板鋼、鋁件。N2的氣體壓力在10——20bar，用于切割厚板鋼、不銹鋼、鈦金屬、塑料件等。

激光切割機使用氣體的純度，對機床構(gòu)造和切割質(zhì)量以及切割速度有很大的影響。高純度的氣體將提高機床的使用壽命和切割質(zhì)量。如果氣體的純度過低，將造成切割頭零部件的損壞。氣體的純度要求如下：CO2、Ne、He為99.995——99.996%；O2為99.95%；N2為99.8%。

3、激光切割的編程方法

激光切割頭的運動是通過程序控制的。PRIMA機器所使用的語言是機器人語言（RML），切割軌跡的定義有四種，即PTP（點到點）、LIN（直線）、CIR（圓弧）、HOLE（孔），如圖4所示。

激光切割的編程方式一般分為三種：

（1）示教編程（Self-teaching）

編程步驟：

①事先在三坐標(biāo)劃線機上劃出被切割工件的切邊線、切孔線；

②手持操作盒驅(qū)動激光頭，開啟低功率“點光”沿工件上的線采集點，點間距要適當(dāng)；

③存儲采集點數(shù)據(jù)，傳到計算機上進(jìn)行編輯生成切割程序；

④在激光關(guān)閉狀態(tài)下試運行程序，檢驗并修正切割頭的運行軌跡；

⑤開啟激光，試切割工件；

⑥根據(jù)工件的切口質(zhì)量，修正程序參數(shù)，再次優(yōu)化切割程序，使其切割高質(zhì)量、高效率運行。

編程特點：程序直觀，能有效避開激光頭與工件干涉的部位。但工序長，效率低。常用于無CAD數(shù)模的車身覆蓋件切割。

（2）手工編程

根據(jù)圖紙尺寸，在進(jìn)行工藝分析的基礎(chǔ)上，編程人員在計算機上用文本編輯器編寫程序。

編程特點：手工錄入編寫，易出錯，效率低。只能用于二維編程或很簡單的三維編程。

（3）自動編程（CAD/CAM編程）

要實現(xiàn)三維激光自動編程，就要能自動產(chǎn)生三維工件的輪廓線以及輪廓線上的法線，然后控制激光加工機3個相互垂直的直線運動（X、Y、Z），同時控制2個旋轉(zhuǎn)軸（A、B）使激光與法線一致[5]。

PRIMA激光切割機提供了一套自動編程軟件系統(tǒng)，即FORMA CAD/CAM系統(tǒng)。

自動編程的前提是工件有CAD數(shù)模，現(xiàn)在的車身設(shè)計，CAD數(shù)模完整。把CAD數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出IGES文件格式到FORMA CAD/CAM系統(tǒng)，通過編程軟件生成切割程序。

編程步驟：

①接收并轉(zhuǎn)換工件CAD數(shù)模的IGES文件；②登陸FORMA編程系統(tǒng)，編輯修改設(shè)計參數(shù)；③把設(shè)計參數(shù)轉(zhuǎn)換成加工參數(shù)；④進(jìn)入FORMA的CAM模塊作加工編程：定義加工序列，選擇加工對象；定義進(jìn)刀和退刀方式；定義加工參數(shù)；存儲加工序列文件；生成刀具路徑；生成刀位文件（*.CLF文件）；⑤轉(zhuǎn)換刀位文件，生成*.S文件；⑥刀具路徑模擬；⑦切割干涉檢查；⑧編輯*.S文件，避免干涉；⑨把*.S文件轉(zhuǎn)換成*.EXE文件，作切割加工使用。

編程特點：

CAD/CAM編程方式是激光切割的最理想編程方式，實現(xiàn)了與其它CAD數(shù)據(jù)共享。編程時曲面的法矢計算精確，編程精度高、效率高。

需要強調(diào)的是，無論采取何種編程方式，編程完成后，都要檢驗程序的正確性和切割質(zhì)量效果。一是在關(guān)閉激光狀態(tài)下，全程模擬切割路徑走刀，檢查干涉、碰撞和路徑拐點避讓情況；二是開啟激光試切首件，檢查首件切割質(zhì)量。切割質(zhì)量的控制要通過切割參數(shù)不斷優(yōu)化才能獲得。

如圖5所示為示教編程操作作業(yè)，圖6所示為切割機執(zhí)行程序切割車架大梁鈑金件。

4、激光切割的質(zhì)量控制

汽車覆蓋件鈑金材料一般為低碳鋼，厚度一般在0.65——2mm。加強板之類的零件，厚度一般大于2——5mm。切割表面質(zhì)量一般用表面粗糙度來衡量。要獲得較好的切割表面質(zhì)量，要對切割速度、焦點位置、輔助氣體壓力、激光輸出功率等參數(shù)作優(yōu)化設(shè)置。

以下是激光切割質(zhì)量影響分析。

（1）切割速度

切割速度過快或過慢，對切割都會產(chǎn)生不良影響。那么如何確定合理的切割速度呢？

一般而言，在材料厚度一定的條件下，切割速度與激光功率成正比，即激光功率越大，切割速度越快。在激光功率一定的條件下，切割速度與材料厚度成反比，即材料越厚，切割速度越慢[6]。如圖7所示。

另據(jù)有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)報道，通過試驗驗證，得出切割速度V與切割表面粗糙度Ra的關(guān)系曲線如圖8所示。隨著切割速度V由小變大，粗糙度Ra表現(xiàn)為近似于拋物線曲線，有一個最小值，切割質(zhì)量為最佳[7]。

通過試切樣件可知，一般厚度的汽車覆蓋件，三維輪廓切邊（切孔）時速度設(shè)定為10——20m/min，二維輪廓切邊（切孔）時速度設(shè)定為20——50m/min，可以獲得較理想的切割質(zhì)量。

（2）焦點位置

激光焦點位置是能量密度最高位置，對材料切割最有利，激光能量密度對切割質(zhì)量有重要影響。由于能量密度與光斑面積πd2/4（d為焦點光斑直徑）成反比，即光斑面積越小，能量密度越大。所以盡可能減小光斑面積，即減小焦點光斑直徑，提高能量密度，以便產(chǎn)生較窄的切縫，獲得較好的切割質(zhì)量。

焦點位置相對于工件的距離可以用離焦量來描述。正離焦表示焦點位于工件上方，零離焦表示焦點位于工件表面，負(fù)離焦則表示焦點位于工件內(nèi)部。

通過試切觀察，對于厚度較?。ê穸刃∮?mm）的覆蓋件，焦點調(diào)節(jié)位于工件的表面，離焦量為零。對于厚度較厚（厚度大于5mm）的汽車加強板件，焦點調(diào)節(jié)低于表面1mm較為適當(dāng)。

因激光切割機作業(yè)受到環(huán)境因素影響，聚焦的透鏡會發(fā)生焦長變化，要定期檢查和校正焦長，確保焦點與工件相對位置恒定，以獲得穩(wěn)定的切割質(zhì)量。

（3）輔助氣體及氣體壓力

切割作業(yè)時，輔助氣體與激光光束同軸沿切割嘴噴出，保護(hù)透鏡免受污染，同時吹走切割路徑區(qū)域的溶渣。

輔助氣體及氣體壓力對切割質(zhì)量有較大影響。汽車覆蓋件材料一般為低碳鋼，以氧氣作為輔助氣體。切割速度較快時，需要較高的氣體壓力。當(dāng)材料厚度增加，或切割速度較慢時，可以適當(dāng)?shù)慕档蜌怏w壓力。在相同輸出功率的條件下，切逢表面粗糙度Ra值隨氣體壓力的變化而變化。其趨勢是氣體壓力由小變大時，表面粗糙度由大變小，直到某個最小值，然后又隨氣體壓力的增加而變大[6]。在實際切割時，要選擇適當(dāng)?shù)臍怏w壓力，保證氣體壓力在理想值。圖9所示。

（4）激光輸出功率

由此可知，為了獲得高的能量密度必須提高激光輸出功率。為了獲得高的切割速度又不減小能量密度，也必須提高激光輸出功率。

為了提高生產(chǎn)作業(yè)效率，需要保證激光功率大小和模式處在良好狀態(tài)。實際操作時，常常設(shè)置最大功率。在南方地區(qū)潮濕季節(jié)，空氣格外潮濕，空氣相對濕度可達(dá)85%以上，會產(chǎn)生水珠現(xiàn)象，對切割機的激光發(fā)生器光路影響大，這時候要加大除濕措施，降低空氣濕度。當(dāng)激光輸出功率衰減20%以上，要檢查和維修光路，恢復(fù)到設(shè)備額定值。否則，激光輸出功率過低，將影響切割質(zhì)量。

5、結(jié)束語

由于不需要開切邊模和沖孔模，就可以切割出覆蓋件的修邊和孔位輪廓，三維激光切割加工為我們展現(xiàn)了一種先進(jìn)的制造工藝，節(jié)省了模具的開模費用，加快了產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度，在汽車工業(yè)越來越廣泛使用。歐美的汽車制造業(yè)有50%以上汽車零部件采用激光加工（包括激光切割、激光焊接）。隨著國內(nèi)勞動力成本的提高，以及工業(yè)化時代新技術(shù)的要求，為縮小與西方工業(yè)化國家的差距，包括激光加工在內(nèi)的工業(yè)機器人技術(shù)和設(shè)備的研究與應(yīng)用，已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略。國內(nèi)的上海和深圳等多家公司正致力于加快激光加工設(shè)備的自主創(chuàng)新和技術(shù)研發(fā)，為國內(nèi)的汽車工業(yè)提供了比進(jìn)口更具良好性價比的設(shè)備。展望未來，激光加工技術(shù)在中國的汽車制造業(yè)前景廣闊。

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作者簡介

姚克甫（1970年——），男，高級工程師，碩士，主要從事汽車產(chǎn)品開發(fā)和制造技術(shù)研究工作。