背景介绍

2012年11月28日，由华工激光法利莱公司联合华中科技大学、中航精机科技股份有限公司等单位合作开发的“激光加工在汽车零部件的典型应用与装备”系列项目顺利通过专家组鉴定。武汉科技大学孔建益教授、东风汽车公司黄松总工等省内知名专家及华工科技总裁王中、华工科技专家院士工作站成员段正澄院士、邵新宇教授出席了鉴定会。

此次鉴定包括“汽车座椅调角器激光全自动焊接加工技术与装备”、“汽车管类零件激光在线高速焊接加工技术与装备”及 “汽车变档套激光双工位自动切割加工技术与装备”三个项目。鉴定会委员听取了项目组所作的工作报告和技术研究报告等，审阅了相关鉴定资料，考察了生产现场，经质询与认真讨论，一致同意此次项目鉴定成果，获得圆满通过。

华工激光法利莱公司与华中科技大学合作开发的“汽车变档套激光双工位自动切割加工技术与装备”项目，加工出产的零件为德国大众汽车配套的变速装置关键零件，原仅为德资奥地利厂商生产。项目设备采用一系列当今世界顶尖技术，使其加工能力及加工质量均超过原产设备，且成本仅为国外的三分之一，得到德方认可。自华工激光法利莱公司批量生产该零件后，德资奥地利厂商已停止该零件的加工。目前，国际上仅有华工激光法利莱公司的设备能加工出产该零件。

汽车工业的发展对车体质量提出了更高的要求。激光切割技术不仅在加工质量方面优于传统加工方法，而且生产效率也得到显著提高。激光切割技术飞速发展，其工艺步骤简单，切割速度快、切缝宽度小、加工质量高、可大幅度降低成本、缩短新车型的研发周期，具有良好的经济价值和应用前景，在汽车工业中的应用越来越广泛。

本课题以汽车变档套为应用对象，研制相关的激光切割加工设备，以替代传统工艺，提高生产效率，提升自动化程度。采用 CO2 激光器配以相应的导光系统、工装夹具、上下料系统、控制系统等进行激光切割技术开发，研究实用化的激光切割关键技术、工艺、质量检验与控制措施，并将各加工制造系统有机集成，实现在线生产，满足生产能力要求，以加速提高国有汽车零部件制造业生产水平。

1. 引言

目前在许多国外汽车制造公司中，激光切割技术的应用非常普遍，主要用来开发新车型、在线切割、变形车生产，例如切割样车零件，车身覆盖件的切孔、修边，切割方向盘孔、车身挡风板、车顶盖支架孔、安全气囊部件、液压成型部件等。

对于汽车变挡套，国外主要是德国 SITEC（思泰科）激光加工中心生产相关产品，德国思泰科工业技术公司（SITEC）专业从事激光加工设备研发和制造的高科技企业，在欧洲是众多精密加工生产商的知名合作伙伴。其生产的 LWS 系列激光加工中心应用在德国大众汽车公司、雪铁龙公司、西门子 VDO 公司、德尔福等众多汽车零部件生产公司。国内还未见有汽车变档套采用激光切割方法的设备。

因此，汽车变档套激光切割是激光加工应用的新领域。传统的加工方式是采用冲床，效率不高，精度较低，切割端面有毛边。采用激光切割方式，可以使切割效率大幅提高，并且精度较高（激光切割表面粗糙度可达Ra6.3~12.5微米），切缝热影响区小，几乎无变形，切割质量优秀。

2. 系统介绍

法利莱的装备采用整体式设计，激光器、外光路、切割头、四轴联动、上下料机构均布置其上，提高了整套系统的硬、软刚性，克服了光路不稳、加工误差大的缺陷，保证了定光路设计的可靠性，在可靠性上比国外的分体式设计更具优势。整体设备布局图如图1所示。床身部分设计紧凑，占地面积小，放弃了传统的激光器支架，机床电柜，机床床身三件分离方案，达到更稳定、更可靠、精度更高的目的。采用机械手进行变档套的上下料，在机械手上安装快换夹具进行变档套自动上下料，机械手与切割头相互配合进行全自动上下料与激光切割，效率更高。

该设备具有切割头的X、Y、Z轴运动和切割的旋转轴C轴四轴联动功能；在相应夹具配合的情况下，激光设备切割专用的导向套筒功能，工装夹具如图2所示；功能区域封闭，并具有工作区域照明功能；配置激光防护罩，保证操作者和设备的安全。

1. 工艺研究

在实际生产中，激光切割质量的优劣一般指切割尺寸精度高低和切割端面质量的好坏。目前国际上对激光切割的质量评价还没有一个统一的标准，一般从以下四个指标进行判断：切口宽度及表面粗糙度；热影响区的宽度，有无烧伤；切口断面的波纹；切口断面或下表面有无挂渣。

影响激光切割质量的因素很多，除了切割参数和工件本身特性的影响以外，还同照射功率密度、喷嘴直径和喷嘴与工件表面间距等因素有关。综合国内外大量的理论研究和实验分析，影响激光切割质量的主要因素可以分为两类：一类是加工系统性能和光的影响；另一类是加工材料因素和工艺参数的影响。在影响激光切割质量的诸多因素中，有的是由加工工作台本身确定的，如机械系统精度、工作台振动程度等；有的是材料固有的因素，如材料的物理化学性质、材料的反射率等；而还有一些因素是要根据具体的加工对象以及用户质量的要求做出选择，进行相应的调整，来确定相关的参数，如输出功率、焦点位置、切割速度以及辅助气体压力等等。因此，对于一个完整的系统，必须对其可控因素与加工质量之间的关系进行深入地研究，在掌握其规律基础上，采用数控方法进行最优化控制。图3为变档套切割成品。

2. 总结

该项目主要成果如下：

（1）整体式设计，激光器、外光路、切割头、四轴联动、上下料布置保证了定光路设计的可靠性。
（2）采用独特的辅助装置，使用双工位圆盘上料装置，提高效率，确保安全,柔性上料底盘补偿坯料的尺寸及形状误差。
（3）简单的挂钩拨叉下料装置动作精确柔和，避免了国外机型气缸撞击(或高压吹气)的震动与噪音以及对设备精度的影响，且降低了成本。
（4）夹持机械手根据零件的形状及误差特性，采用了四点柔性预定位及契形锁紧原理，保证了对零件夹持的准确及可靠性。

产品加工精度全部满足客户Cmk值要求，属于加工免检类设备。变档套激光切割机采用了一系列当今世界上的顶尖技术，使其加工能力及加工质量均超过德国设备，得到德方的认可，成本仅为国外的三分之一。

作者：华工激光法利莱