王力

泰安航天特種車有限公司 山東泰安 271000

1 序言

激光切割技術(shù)具有精度高、切割面光潔美觀、一次成形及效率高等優(yōu)點，因此應(yīng)用越來越普及，并在工業(yè)生產(chǎn)中解決了許多常規(guī)方法無法解決的難題。企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率、降低成本，部分銑邊、鉆孔及模具沖壓等作業(yè)也采用激光切割來代 替[1，2]。一種特種車縱梁孔（包括異形過孔、螺栓連接孔等），需要在縱梁折彎成形后加工。現(xiàn)有的兩種加工方式：一是利用大型數(shù)控鏜銑床加工；二是利用人工劃線、鉆床鉆孔，或空氣等離子切割、人工修磨。以上兩種方式都存在效率低、成本高的缺點。本文通過試驗驗證和生產(chǎn)檢驗，實現(xiàn)了激光加工一種特種車縱梁孔的目標(biāo)，不僅保證了加工質(zhì)量，而且提高了生產(chǎn)效率，同時降低了成本。

2 現(xiàn)有工藝

一種特種車縱梁材質(zhì)為HG785D，板厚10mm，截面為Z字形，折彎角度102°，高度900mm，上翼板寬度145mm，下翼板寬度90mm，長度約15m，如圖1所示?？v梁有連接孔約300個，異形大孔約20個。為保證縱梁孔的加工精度，先將縱梁折彎成形后再加工各孔?，F(xiàn)有的兩種加工方法，即大型數(shù)控鏜銑床加工和人工劃鉆、切割，都不利于公司提升效率和降低成本。

圖1 一種特種車縱梁

（1）人工劃鉆、切割 人工劃鉆、切割縱梁孔主要工藝過程：在平臺上用鋼拐尺、卷尺、劃針等器具劃出縱梁各孔位置，并打樣沖點，再用搖臂鉆床依據(jù)樣沖點鉆孔；異形大孔用手持式空氣等離子、樣板切割，再用電動磨光機(jī)修磨切口。該工藝方法加工縱梁的效率約24h/根，其中，劃線約需6h，鉆孔約需12h，切割、打磨約需6h。不僅生產(chǎn)效率低，而且精度較低，外觀質(zhì)量也較差。

（2）數(shù)控鏜銑床加工 該加工方法主要工藝過程：將縱梁在平臺上固定壓緊、找正，啟動程序進(jìn)行加工，如圖2所示。數(shù)控鏜銑床加工縱梁的效率約12h/根。雖然該方式加工縱梁孔精度較高，但生產(chǎn)效率較低且成本高，目前市場報價約1萬元/根。

圖2 數(shù)控鏜銑床加工縱梁孔

3 試驗

關(guān)重件（縱梁屬于關(guān)鍵件）采用新工藝前，應(yīng)進(jìn)行充分試驗驗證并確認(rèn)合格。因此，為了保證試驗可靠，試樣選用與縱梁相同材質(zhì)、板厚的HG785D鋼板制作。具體試驗包括金相、硬度、表面粗糙度、拉伸及切割精度等，驗證切割工件、切割參數(shù)、切割工藝等是否滿足質(zhì)量要求[3，4]。

3.1 金相試驗

制作金相試樣（見圖3），通過觀察發(fā)現(xiàn)切割面呈藍(lán)色，主要是因為采用氧氣作為輔助氣體，所以在表面形成了高溫氧化色。通過顯微觀察發(fā)現(xiàn)，切割面外層深約0.14mm的熱處理區(qū)域為索氏體組織（見圖4），該區(qū)域未見微裂紋等其他缺陷。索氏體組織屬于珠光體類型組織，其組織顆粒比珠光體組織更細(xì)小，并且索氏體組織具有良好的綜合力學(xué)性能[5]，滿足縱梁孔質(zhì)量要求。

圖3 金相試樣

圖4 熱處理區(qū)域組織形貌

3.2 硬度試驗

硬度試驗如圖5所示。將割縫附近區(qū)域劃分為A、B、C、D、E共5個區(qū)域分別檢測硬度（見圖6），檢測區(qū)域硬度及寬度見表1。

表1 檢測區(qū)域硬度及寬度

圖5 硬度試驗

圖6 硬度檢測區(qū)域分布

硬度試驗結(jié)果顯示，A區(qū)域范圍是0.15mm以內(nèi)，屬于熱處理索氏體組織（硬化層），其他區(qū)域硬度與母材硬度基本一致。由此可知，激光切割面不僅具有高硬度，同時可使內(nèi)部保持良好的韌性。

3.3 表面粗糙度試驗

對試板進(jìn)行表面粗糙度檢測，如圖7所示。激光切割時應(yīng)設(shè)置起弧點內(nèi)切進(jìn)入，避免引弧凹坑，并根據(jù)切割功率調(diào)試、修正切割參數(shù)，進(jìn)一步完善切割工藝[6，7]。最終檢測結(jié)果為Ra1.37μm和Ra2.46μm，由此可知激光切割表面質(zhì)量高，滿足質(zhì)量要求。

圖7 表面粗糙度檢測

3.4 拉伸試驗

為了驗證激光切割對材料強(qiáng)度的影響，制作拉伸試樣進(jìn)行試驗，結(jié)果見表2。試驗結(jié)果顯示，激光切割對母材強(qiáng)度沒有影響。試驗后發(fā)現(xiàn)試樣出現(xiàn)縮頸、拉斷的部位均位于激光切割孔的中間位置，如圖8所示。

表2 拉伸試驗結(jié)果 （MPa）

圖8 拉斷試樣

3.5 精度試驗

激光切割精度試樣如圖9所示，并檢測孔徑及孔間距精度，試驗數(shù)據(jù)見表3。試驗結(jié)果顯示，激光切割誤差≤0.1mm，滿足縱梁孔加工精度要求。

圖9 激光切割精度試樣

表3 激光切割精度試驗數(shù)據(jù) （mm）

4 激光切割縱梁孔

激光切割機(jī)是以PLC作為控制核心，與其他電氣元件進(jìn)行配合，從而構(gòu)成了一套運(yùn)動控制系統(tǒng)，使得該裝置能夠快速、準(zhǔn)確地交換，完成激光切割的工作[8]。一種特種車縱梁激光切割孔加工工裝（見圖10），包括二維激光切割機(jī)、檢測樣板、調(diào)節(jié)件、縱梁定位調(diào)直工裝和工作臺。縱梁定位調(diào)直工裝固定設(shè)置于工作臺上；二維激光切割機(jī)位于縱梁定位調(diào)直工裝和工作臺上方；調(diào)節(jié)件設(shè)置于縱梁定位調(diào)直工裝一端。使用時，將縱梁放到縱梁定位調(diào)直工裝上，二維激光切割機(jī)在縱梁上打基準(zhǔn)線標(biāo)記。依據(jù)基準(zhǔn)線，利用卷尺、檢測樣板檢測縱梁直線度，并用調(diào)節(jié)螺栓調(diào)整縱梁直線度，直至縱梁直線度滿足技術(shù)要求，啟動切割程序，二維激光切割機(jī)開始加工縱梁孔。與現(xiàn)有技術(shù)相比，大大提高了生產(chǎn)效率和加工速度，降低了加工成本，提升了加工精度。

圖10 一種特種車縱梁激光切割孔加工工裝

5 效果分析

（1）切割質(zhì)量 經(jīng)檢測，縱梁激光切割后孔徑和孔間距精度誤差≤0.1mm，縱梁上平面至孔中心尺寸誤差＜1mm，滿足質(zhì)量要求。

（2）切割效率 經(jīng)統(tǒng)計，激光加工一根縱梁孔總工時約3h，其中縱梁裝夾、調(diào)直約1h，激光切割時間約2h。相比數(shù)控鏜銑床加工（12h/根）和人工劃鉆、切割（24h/根），效率分別提升了4倍和8倍。

（3）降低成本 激光切割效率高、耗費低，根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌鰣髢r，激光切割一種特種車縱梁孔價格約2000元/根，遠(yuǎn)低于人工劃鉆、切割的5000元/根和數(shù)控鏜銑床加工的1萬元/根。

6 結(jié)束語

本文通過試驗，驗證了激光切割的高質(zhì)量，滿足縱梁孔的質(zhì)量要求。根據(jù)一種特種車縱梁的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計針對Z字形縱梁定位調(diào)直工裝及其他附件，用于切割前調(diào)直縱梁直線度，保證了縱梁切割精度。經(jīng)過試驗和生產(chǎn)檢驗，證明采用該激光切割工藝加工一種特種車縱梁孔，不僅滿足質(zhì)量要求，而且可提高生產(chǎn)效率，降低成本。