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 背景介紹 

       2012年11月28日，由華工激光法利萊公司聯(lián)合華中科技大學(xué)、中航精機科技股份有限公司等單位合作開發(fā)的“激光加工在汽車零部件的典型應(yīng)用與裝備”系列項目順利通過專家組鑒定。武漢科技大學(xué)孔建益教授、東風(fēng)汽車公司黃松總工等省內(nèi)知名專家及華工科技總裁王中、華工科技專家院士工作站成員段正澄院士、邵新宇教授出席了鑒定會。 

       此次鑒定包括“汽車座椅調(diào)角器激光全自動焊接加工技術(shù)與裝備”、“汽車管類零件激光在線高速焊接加工技術(shù)與裝備”及 “汽車變檔套激光雙工位自動切割加工技術(shù)與裝備”三個項目。鑒定會委員聽取了項目組所作的工作報告和技術(shù)研究報告等，審閱了相關(guān)鑒定資料，考察了生產(chǎn)現(xiàn)場，經(jīng)質(zhì)詢與認真討論，一致同意此次項目鑒定成果，獲得圓滿通過。 

       華工激光法利萊公司與華中科技大學(xué)合作開發(fā)的“汽車變檔套激光雙工位自動切割加工技術(shù)與裝備”項目，加工出產(chǎn)的零件為德國大眾汽車配套的變速裝置關(guān)鍵零件，原僅為德資奧地利廠商生產(chǎn)。項目設(shè)備采用一系列當(dāng)今世界頂尖技術(shù)，使其加工能力及加工質(zhì)量均超過原產(chǎn)設(shè)備，且成本僅為國外的三分之一，得到德方認可。自華工激光法利萊公司批量生產(chǎn)該零件后，德資奧地利廠商已停止該零件的加工。目前，國際上僅有華工激光法利萊公司的設(shè)備能加工出產(chǎn)該零件。 

       汽車工業(yè)的發(fā)展對車體質(zhì)量提出了更高的要求。激光切割技術(shù)不僅在加工質(zhì)量方面優(yōu)于傳統(tǒng)加工方法，而且生產(chǎn)效率也得到顯著提高。激光切割技術(shù)飛速發(fā)展，其工藝步驟簡單，切割速度快、切縫寬度小、加工質(zhì)量高、可大幅度降低成本、縮短新車型的研發(fā)周期，具有良好的經(jīng)濟價值和應(yīng)用前景，在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。 

       本課題以汽車變檔套為應(yīng)用對象，研制相關(guān)的激光切割加工設(shè)備，以替代傳統(tǒng)工藝，提高生產(chǎn)效率，提升自動化程度。采用 CO2 激光器配以相應(yīng)的導(dǎo)光系統(tǒng)、工裝夾具、上下料系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等進行激光切割技術(shù)開發(fā)，研究實用化的激光切割關(guān)鍵技術(shù)、工藝、質(zhì)量檢驗與控制措施，并將各加工制造系統(tǒng)有機集成，實現(xiàn)在線生產(chǎn)，滿足生產(chǎn)能力要求，以加速提高國有汽車零部件制造業(yè)生產(chǎn)水平。 

1. 引言 

       目前在許多國外汽車制造公司中，激光切割技術(shù)的應(yīng)用非常普遍，主要用來開發(fā)新車型、在線切割、變形車生產(chǎn)，例如切割樣車零件，車身覆蓋件的切孔、修邊，切割方向盤孔、車身擋風(fēng)板、車頂蓋支架孔、安全氣囊部件、液壓成型部件等。 

       對于汽車變擋套，國外主要是德國 SITEC（思泰科）激光加工中心生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品，德國思泰科工業(yè)技術(shù)公司（SITEC）專業(yè)從事激光加工設(shè)備研發(fā)和制造的高科技企業(yè)，在歐洲是眾多精密加工生產(chǎn)商的知名合作伙伴。其生產(chǎn)的 LWS 系列激光加工中心應(yīng)用在德國大眾汽車公司、雪鐵龍公司、西門子 VDO 公司、德爾福等眾多汽車零部件生產(chǎn)公司。國內(nèi)還未見有汽車變檔套采用激光切割方法的設(shè)備。 

       因此，汽車變檔套激光切割是激光加工應(yīng)用的新領(lǐng)域。傳統(tǒng)的加工方式是采用沖床，效率不高，精度較低，切割端面有毛邊。采用激光切割方式，可以使切割效率大幅提高，并且精度較高（激光切割表面粗糙度可達Ra6.3~12.5微米），切縫熱影響區(qū)小，幾乎無變形，切割質(zhì)量優(yōu)秀。 

2. 系統(tǒng)介紹 

       法利萊的裝備采用整體式設(shè)計，激光器、外光路、切割頭、四軸聯(lián)動、上下料機構(gòu)均布置其上，提高了整套系統(tǒng)的硬、軟剛性，克服了光路不穩(wěn)、加工誤差大的缺陷，保證了定光路設(shè)計的可靠性，在可靠性上比國外的分體式設(shè)計更具優(yōu)勢。整體設(shè)備布局圖如圖1所示。床身部分設(shè)計緊湊，占地面積小，放棄了傳統(tǒng)的激光器支架，機床電柜，機床床身三件分離方案，達到更穩(wěn)定、更可靠、精度更高的目的。采用機械手進行變檔套的上下料，在機械手上安裝快換夾具進行變檔套自動上下料，機械手與切割頭相互配合進行全自動上下料與激光切割，效率更高。 

圖1 整體設(shè)備布局圖

       該設(shè)備具有切割頭的X、Y、Z軸運動和切割的旋轉(zhuǎn)軸C軸四軸聯(lián)動功能；在相應(yīng)夾具配合的情況下，激光設(shè)備切割專用的導(dǎo)向套筒功能，工裝夾具如圖2所示；功能區(qū)域封閉，并具有工作區(qū)域照明功能；配置激光防護罩，保證操作者和設(shè)備的安全。

 
圖2 工裝夾具

1. 工藝研究 

       在實際生產(chǎn)中，激光切割質(zhì)量的優(yōu)劣一般指切割尺寸精度高低和切割端面質(zhì)量的好壞。目前國際上對激光切割的質(zhì)量評價還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準，一般從以下四個指標(biāo)進行判斷：切口寬度及表面粗糙度；熱影響區(qū)的寬度，有無燒傷；切口斷面的波紋；切口斷面或下表面有無掛渣。 

        影響激光切割質(zhì)量的因素很多，除了切割參數(shù)和工件本身特性的影響以外，還同照射功率密度、噴嘴直徑和噴嘴與工件表面間距等因素有關(guān)。綜合國內(nèi)外大量的理論研究和實驗分析，影響激光切割質(zhì)量的主要因素可以分為兩類：一類是加工系統(tǒng)性能和光的影響；另一類是加工材料因素和工藝參數(shù)的影響。在影響激光切割質(zhì)量的諸多因素中，有的是由加工工作臺本身確定的，如機械系統(tǒng)精度、工作臺振動程度等；有的是材料固有的因素，如材料的物理化學(xué)性質(zhì)、材料的反射率等；而還有一些因素是要根據(jù)具體的加工對象以及用戶質(zhì)量的要求做出選擇，進行相應(yīng)的調(diào)整，來確定相關(guān)的參數(shù)，如輸出功率、焦點位置、切割速度以及輔助氣體壓力等等。因此，對于一個完整的系統(tǒng)，必須對其可控因素與加工質(zhì)量之間的關(guān)系進行深入地研究，在掌握其規(guī)律基礎(chǔ)上，采用數(shù)控方法進行最優(yōu)化控制。圖3為變檔套切割成品。

 
圖3 變檔套切割成品

2. 總結(jié) 

該項目主要成果如下： 

（1）整體式設(shè)計，激光器、外光路、切割頭、四軸聯(lián)動、上下料布置保證了定光路設(shè)計的可靠性。 
（2）采用獨特的輔助裝置，使用雙工位圓盤上料裝置，提高效率，確保安全,柔性上料底盤補償坯料的尺寸及形狀誤差。 
（3）簡單的掛鉤撥叉下料裝置動作精確柔和，避免了國外機型氣缸撞擊(或高壓吹氣)的震動與噪音以及對設(shè)備精度的影響，且降低了成本。 
（4）夾持機械手根據(jù)零件的形狀及誤差特性，采用了四點柔性預(yù)定位及契形鎖緊原理，保證了對零件夾持的準確及可靠性。 

產(chǎn)品加工精度全部滿足客戶Cmk值要求，屬于加工免檢類設(shè)備。變檔套激光切割機采用了一系列當(dāng)今世界上的頂尖技術(shù)，使其加工能力及加工質(zhì)量均超過德國設(shè)備，得到德方的認可，成本僅為國外的三分之一。