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激光加工技術(shù)在汽車(chē)車(chē)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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同傳統(tǒng)沖壓加工相比的成本優(yōu)勢(shì) 。由于三維激光切割技術(shù)在車(chē)身試制領(lǐng)域中展現(xiàn)的突出優(yōu)點(diǎn)，從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，人們開(kāi)始逐漸考慮將三維激光切割作為切割模具的替代品，直接用于中小批量、變形車(chē)、特種車(chē)和備件的生產(chǎn)之中。
同傳統(tǒng)的模具沖壓相比，激光切割最大的劣勢(shì)是單件加工周期相對(duì)比較長(zhǎng)。以轎車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)側(cè)板為例，從拉延成型到完成全部沖切工序，采用模具沖壓大約需要6min左右（半自動(dòng)沖壓線），而如果采用激光加工則需要10min左右。但作為柔性加工方式的一種典型代表，激光加工所需的準(zhǔn)備時(shí)間非常短，通過(guò)先進(jìn)的CAD/CAM軟件，從數(shù)模轉(zhuǎn)換、加工程序生成到工裝夾具準(zhǔn)備完成，全部過(guò)程只需一天的時(shí)間，而準(zhǔn)備好同樣的全部沖切模具則至少需要兩到三個(gè)月。三維激光加工另一大突出的優(yōu)點(diǎn)就是大大降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。在零件成型后，所有的沖切工作全部可由激光完成，無(wú)需準(zhǔn)備昂貴的沖切模具，這將大大提高投資回報(bào)率。另外，激光加工全部通過(guò)數(shù)控程序控制，不但可隨時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行修改，而且一旦需要馬上可以切換到其他產(chǎn)品的生產(chǎn)，產(chǎn)品改變所需的成本只是重新編程和準(zhǔn)備工裝的費(fèi)用，這同更換全套模具所需的巨額投資相比，完全可以忽略不計(jì)。
假設(shè)某一個(gè)轎車(chē)需要10個(gè)車(chē)身覆蓋件，如果采用常規(guī)的沖切模具進(jìn)行生產(chǎn)，所需模具的成本大約在200～400萬(wàn)美元之間，全部的工裝準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)調(diào)試的人天工作量需要25個(gè)月，而如果采用三維激光切割設(shè)備，全部切割準(zhǔn)備的總成本僅為5萬(wàn)美元，而所需的時(shí)間也僅為50天。由此可見(jiàn)，即使三維激光切割機(jī)的采購(gòu)成本高達(dá)100萬(wàn)美元，生產(chǎn)一個(gè)車(chē)型所需模具的投資也僅相當(dāng)于三臺(tái)大型三維激光切割機(jī)床的價(jià)格，而且這里還不包括購(gòu)買(mǎi)壓力機(jī)所需的費(fèi)用。因此，對(duì)于中小批量規(guī)模生產(chǎn)的車(chē)型，完全可以考慮用兩到三臺(tái)激光切割機(jī)并行工作，替代全部沖切模具的工作，在保證相同生產(chǎn)效率的同時(shí)，不但可以為用戶節(jié)省巨額的模具開(kāi)發(fā)制作成本，而且還可以大大縮短新車(chē)上市的時(shí)間。這種并行模式所帶來(lái)的另一個(gè)好處是即使一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)了故障，也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線停機(jī)，而只是損失1/3的生產(chǎn)率，大大降低了生產(chǎn)管理風(fēng)險(xiǎn)。最重要的是，一次性購(gòu)買(mǎi)的激光切割機(jī)可以反復(fù)用于各種零件的加工，幫助廠家避免了車(chē)型改變所帶來(lái)的投資風(fēng)險(xiǎn)。
三 三維激光加工設(shè)備
先進(jìn)三維激光加工設(shè)備的共同點(diǎn)
21世紀(jì)的激光加工設(shè)備還應(yīng)該具有一些新的特點(diǎn)，以符合技術(shù)不斷進(jìn)步的要求。首先，先進(jìn)的三維激光切割機(jī)應(yīng)采用全飛行光路技術(shù)，即加工過(guò)程中工件和夾具保持靜止不動(dòng)，全部的運(yùn)動(dòng)由加工頭完成，加工過(guò)程不受工件重量、尺寸、占地面積及夾具等方面的限制。因?yàn)榧す饧庸け旧砭褪且环N沒(méi)有切削力的加工方式，采用飛行光路技術(shù)后，工裝夾具只起支撐和定位的作用，而無(wú)需考慮工件移動(dòng)帶來(lái)的定位和固定等問(wèn)題，可以大大節(jié)省用戶工裝夾具設(shè)計(jì)的成本和時(shí)間。同時(shí)，由于工件靜止不動(dòng)，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部分幾乎沒(méi)有負(fù)載，這大大降低了機(jī)床自身的磨損，可以保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。另外，由于采用了飛行光路技術(shù)，機(jī)床的占地面積大大減少，并可靈活配置各種自動(dòng)上下料系統(tǒng)以充分利用設(shè)備的效率。
三維激光加工設(shè)備另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是其加工頭的設(shè)計(jì)。好的五軸加工頭不但應(yīng)該結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、具有非常好的接近性，同時(shí)它還可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)n×360°(無(wú)限制旋轉(zhuǎn)）和120°的擺動(dòng)，即使是非常復(fù)雜的零件表面（如內(nèi)高壓成型件），也可以非常好地接近加工并減少五軸編程的工作量。
當(dāng)然，成熟的三維激光設(shè)備還應(yīng)通過(guò)歐洲CE和美國(guó)CDRH安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，配置有完善的安全防護(hù)系統(tǒng)，在加工過(guò)程中將加工區(qū)域完全封閉，不但可保證操作人員的安全，還可大大提高加工區(qū)域內(nèi)廢氣抽風(fēng)除塵系統(tǒng)的工作效率。目前先進(jìn)的三維激光切割機(jī)的各數(shù)控軸已全部采用光柵尺全閉環(huán)反饋控制，其定位精度和重復(fù)定位精度比市場(chǎng)上采用編碼器半閉環(huán)控制的傳統(tǒng)設(shè)備提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
四 激光加工在汽車(chē)制造業(yè)的發(fā)展前景
進(jìn)入21世紀(jì)后，在日本、美國(guó)及歐洲的汽車(chē)工業(yè)中，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注保持自己在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力尤其是研發(fā)能力。小批量生產(chǎn)、訂制生產(chǎn)已經(jīng)成為一種發(fā)展方向。這種生產(chǎn)方式融合了手工制造及大批量生產(chǎn)兩者的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)避免了手工生產(chǎn)的成本過(guò)高以及大批量生產(chǎn)缺乏靈活性的缺點(diǎn)。
在這種條件下就要求激光加工設(shè)備的制造商必須不斷地對(duì)自己的產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)革新并保持自己產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，在設(shè)計(jì)中不僅要注意滿足目前汽車(chē)覆蓋件加工應(yīng)用中的需要，而且要為用戶今后的發(fā)展做好準(zhǔn)備，即為小批量生產(chǎn)模式預(yù)先提供合理的解決方案。針對(duì)最近幾年中汽車(chē)車(chē)身工業(yè)用戶對(duì)設(shè)備在以下三個(gè)方面的性能改進(jìn)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的需求——更快的加工速度、更大的加工范圍（特別是目前（未完，下一頁(yè)）
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