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激光加工技術(shù)在汽車車身工業(yè)中的應(yīng)用
常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 衛(wèi)熙鋒 2011/1/14
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激光加工的特點(diǎn)
激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領(lǐng)域存在的優(yōu)勢(shì)：
①由于它是無接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動(dòng)速度均可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的。
②它可以對(duì)多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點(diǎn)的材料。
③激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件。
④激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對(duì)非激光照射部位沒有影響或影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。
⑤它可以通過透明介質(zhì)對(duì)密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工。
⑥由于激光束易于導(dǎo)向、聚集實(shí)現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。
⑦使用激光加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益好。例如：①美國通用電器公司采用板條激光器加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的異形槽，不到4H即可高質(zhì)量完成，而原來采用電火花加工則需要9H以上。僅此一項(xiàng)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的造價(jià)可省5萬美元。②激光切割鋼件工效可提高8-20倍，材料可節(jié)省15-30%，大幅度降低了生產(chǎn)成本，并且加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。雖然激光加工擁有許多優(yōu)點(diǎn)，但不足之處也是很明顯的。
二 激光技術(shù)在汽車車身工業(yè)中的應(yīng)用
用激光束對(duì)材料進(jìn)行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光加工有許多優(yōu)點(diǎn)：①激光功率密度大，工件吸收激光后溫度迅速升高而熔化或汽化，即使熔點(diǎn)高、硬度大和質(zhì)脆的材料(如陶瓷、金剛石等)也可用激光加工；②激光頭與工件不接觸，不存在加工工具磨損問題；③工件不受應(yīng)力，不易污染；④可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的工件或密封在玻璃殼內(nèi)的材料加工；⑤激光束的發(fā)散角可小于1毫弧，光斑直徑可小到微米量級(jí),作用時(shí)間可以短到納秒和皮秒,同時(shí),大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達(dá)千瓦至十千瓦量級(jí)，因而激光既適于精密微細(xì)加工,又適于大型材料加工；⑥激光束容易控制,易于與精密機(jī)械、精密測(cè)量技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)加工的高度自動(dòng)化和達(dá)到很高的加工精度；⑦在惡劣環(huán)境或其他人難以接近的地方，可用機(jī)器人進(jìn)行激光加工。
柔性是激光最大的優(yōu)勢(shì) 。由于板坯厚度變化、沖壓模具磨損等一些不可控制的因素，車身沖壓件的實(shí)際尺寸同設(shè)計(jì)尺寸之間存在著一些細(xì)微的、但卻不可預(yù)測(cè)和控制的誤差。而激光加工要求激光束的焦點(diǎn)位置精密控制在沖壓件表面，因此，將激光加工引入到汽車車身加工領(lǐng)域的難度是很大的。1979年，在世界上第一臺(tái)三維激光切割機(jī)問世時(shí)，它還只能進(jìn)行汽車內(nèi)飾件的切割，而無法加工金屬?zèng)_壓件。1982年，普瑞瑪工業(yè)公司創(chuàng)造性地將電容式傳感器集成到了三維激光切割設(shè)備中，使機(jī)床可以自動(dòng)“適應(yīng)”沖壓件彈性變形造成的誤差，從而使三維激光切割技術(shù)真正成為了汽車車身加工的一種新的精密、靈活的加工手段。 與傳統(tǒng)的模具或手工加工不同，激光切割不但具有切縫窄（0.1～0.3mm）、加工精度高（尺寸偏差﹤0.1mm）、熱影響區(qū)小的優(yōu)點(diǎn)，而且切口光滑平整，沒有毛刺和飛邊，加工后的零件不會(huì)對(duì)下一道沖壓工序中的模具形成任何損壞。激光加工的另一個(gè)突出的特點(diǎn)是：它是一種沒有切削力的加工方式，在切割過程中零件本身不受力，因此三維激光切割零件的夾具設(shè)計(jì)和制造非常簡(jiǎn)單，可以大大節(jié)省夾具的成本和縮短制造周期。由于這些優(yōu)點(diǎn)，三維激光加工一經(jīng)推出就馬上被汽車設(shè)計(jì)公司所采用，在樣車試制和小批量試生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用，并逐漸地被廣泛應(yīng)用于模具制造和小批量的變形車及特種車生產(chǎn)等領(lǐng)域。
傳統(tǒng)的試制階段，沖壓件的切邊和切孔等工作只能依靠手工完成，一般至少需要兩到三道工序，分別完成內(nèi)框、孔、內(nèi)輪廓和外輪廓的切割。而內(nèi)框、內(nèi)輪廓的切割對(duì)于手工操作來講是極其困難的，在切割過程中出現(xiàn)廢品的機(jī)率較高，而且手工加工無法保證切割件的重復(fù)精度，根本無法滿足市場(chǎng)上對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量越來越苛刻的要求。此外，每個(gè)零件必須手工劃線，加工時(shí)間長，加工后的產(chǎn)品必須逐件進(jìn)行檢驗(yàn)，很難符合車型開發(fā)周期越來越短的客觀要求。但對(duì)于激光加工來說，所有這些問題都不存在：所有的切割（包括孔、槽、內(nèi)外輪廓等）均可通過數(shù)控程序在三維激光切割機(jī)上一次完成；無論是加工一件還是一百件，其尺寸均完全相同；加工過程全部自動(dòng)完成，徹底避免了可能出現(xiàn)的各種人為誤操作所導(dǎo)致的廢品。最重要的是，激光切割大大提高了零件的生產(chǎn)效率，從開始編程、準(zhǔn)備夾具到切割出合格的產(chǎn)品，激光加工只需數(shù)小時(shí)就可以完成原來人工需要數(shù)周甚至數(shù)月的工作量。在 “時(shí)間就是金錢”、“時(shí)間就是市場(chǎng)”的今天，開發(fā)周期的長短直接影響著產(chǎn)品能否成功占領(lǐng)市場(chǎng)和生產(chǎn)廠商的成敗，因此，在試制階段采用激光切割技術(shù)已經(jīng)越來越成為各主機(jī)廠、設(shè)計(jì)公司和模具公司的唯一選擇。
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