激光切割技術(shù)在鐵路貨車制造中的應(yīng)用

     1. 概述

     鐵路貨車制造行業(yè)為滿足出口及國(guó)內(nèi)不斷升級(jí)的需要，小批量、多品種的車輛生產(chǎn)已是常態(tài)，原來(lái)通用的鐵路貨車車體配件的加工工藝（如剪板下料、手工切割等）已不能完全滿足如今的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)需求，其中激光切割機(jī)具有加工高精度、多孔類及外形復(fù)雜特征配件的特性，有不可替代的作用?，F(xiàn)在貨車制造廠家均已配備了數(shù)控精細(xì)等離子切割機(jī)、激光切割機(jī)等，用以鐵路貨車中形狀復(fù)雜，精度要求較高的板料件的加工。

     2. 激光切割技術(shù)在鐵路貨車制造中的主要優(yōu)勢(shì)

     激光切割機(jī)在鐵路貨車制造行業(yè)已廣泛應(yīng)用，并起著其他數(shù)控切割設(shè)備不可替代的作用（設(shè)備外形見(jiàn)圖1）。

圖 1

     其主要優(yōu)勢(shì)有以下幾方面：

     （1）適用多種材質(zhì)配件 鐵路貨車材料有低碳低合金鋼、高強(qiáng)鋼、耐大氣腐蝕鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼及鋁合金等，激光切割設(shè)備均可以加工，其加工范圍幾乎可以涵蓋鐵路貨車中所有材質(zhì)的板材件。

     （2）加工精度高 激光切割設(shè)備比其他切割設(shè)備加工精度高，不同設(shè)備加工工件精度對(duì)比如表1所示。從表1可知，激光切割設(shè)備的加工精度是其他加工設(shè)備的5~10倍，可以滿足高精度配件的加工要求。

     （3）割縫寬度較窄 割縫細(xì)小有利于減小配件的間距，提高材料利用率，切割時(shí)產(chǎn)生的切割渣較少，其切割參數(shù)如表2所示。而大部分?jǐn)?shù)控精細(xì)等離子切割機(jī)的割縫寬度在0.15～6mm之間，在實(shí)際生產(chǎn)中等離子切割機(jī)的割縫寬度一般在5～6mm。

     （4）材料利用率高 如圖2所示，在進(jìn)行配件切割時(shí)，可以套裁切割同板厚、同材質(zhì)的不同配件，充分利用原材料的邊角余料。激光切割配件如圖3所示。

圖  2

圖 3

     （5）切割粗糙度值低 激光切割設(shè)備，在切割同一材質(zhì)的配件時(shí)，相對(duì)其他設(shè)備來(lái)說(shuō)，切割粗糙度值較低，整體外觀質(zhì)量較高。

     在鐵路貨車制造行業(yè)中，不同數(shù)控切割設(shè)備加工工件斷面粗糙度對(duì)比，如表3所示。從表3可看出，激光切割斷面粗糙度值最低。

     圖4是在氧氣狀態(tài)下切割的6mm板厚的鋁合金零件，切割面光滑。如在氮?dú)鉅顟B(tài)下切割其斷面質(zhì)量會(huì)更高。圖5為激光切割低合金鋼的零件，切割斷面粗糙度值較低，切割面很光滑。

圖  4

圖 5

     （6）熱影響區(qū)小 激光切割過(guò)程中，被切割材料邊緣由于受熱會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)。但激光切割較其他加工方法能量集中熱輸入小，與精細(xì)等離子切割和火焰切割相比，熱影響區(qū)相對(duì)較小，如表4所示。熱輸入小，對(duì)受熱容易晶粒長(zhǎng)大的鐵素體不銹鋼和容易有淬硬傾向的高強(qiáng)鋼有很重要的意義，有利于提高焊縫質(zhì)量。

     （7）小批量生產(chǎn)激光切割成本較低 圖6所示配件，在大批量生產(chǎn)時(shí)，選擇模具落料的工藝進(jìn)行加工，大批量生產(chǎn)，制作模具的費(fèi)用均攤到每個(gè)配件上，其生產(chǎn)成本較低。但如果是小批量生產(chǎn)，采用模具沖裁的加工工藝，不但模具的制作周期較長(zhǎng)，不能滿足配件加工的時(shí)效性，而且模具制作費(fèi)用均攤到每個(gè)配件上，加工成本就相對(duì)較高。因此一般采用數(shù)控切割的方式進(jìn)行加工。

圖 6

     當(dāng)采用數(shù)控精細(xì)等離子切割時(shí)，由于等離子切割的穿孔能力較弱，切割精度較低，孔的成形質(zhì)量不良，還需要另外增加一道鉆孔工序，并需制作鉆模。不僅加工時(shí)間較長(zhǎng)，成本也比較高。

     數(shù)控精細(xì)等離子切割與激光切割成本比較如表5所示。由表5可知，激光切割成本與數(shù)控精細(xì)等離子相比，每米可節(jié)約費(fèi)用近1元。且激光切割可確保配件一次成形，有利于提高配件加工的時(shí)效性，適用于小批量生產(chǎn)。

     如何選擇切割工藝，則需根據(jù)配件尺寸、形狀、成本及配件精度要求來(lái)進(jìn)行綜合考慮。當(dāng)配件尺寸較小、孔的形狀尺寸和定位尺寸要求較高時(shí)，采用激光切割方式經(jīng)濟(jì)性比較好。

     3. 激光切割典型實(shí)例

     圖7配件為貨車K5擺動(dòng)式轉(zhuǎn)向架的彈簧托板。該配件原材質(zhì)為Q550，板厚為10mm，且該配件孔的形狀尺寸及定位尺寸精度較高，孔的形狀較多。

圖 7

     分析激光切割的可行性，激光切割機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表6所示，彈簧托板加工技術(shù)要求如表7所示，從表中數(shù)據(jù)可知，激光切割加工能力可以滿足彈簧托板加工技術(shù)要求。圖8利用一件毛坯料套材切割兩個(gè)配件的加工方式進(jìn)行切割。其切割順序?yàn)椋呵懈顑?nèi)部圓孔→半腰型孔→腰型孔→外部尺寸。切割基本按照先切割小尺寸形狀，在切割較大尺寸形狀，最后切割最大尺寸形狀的順序進(jìn)行。數(shù)控激光切割機(jī)切割彈簧托板的切割程序如圖9所示。由于激光切割后配件變形量很小，切割后的配件整體平面度基本沒(méi)有變化，切割完成的彈簧托板如圖10所示。切割后進(jìn)行模具壓型，壓形后的配件形狀如圖11所示。

圖  8

圖 9

圖  10

圖 11

     切割、壓型后的彈簧托板不需進(jìn)行任何調(diào)校，整體成形質(zhì)量高，完全滿足圖樣要求。因此采用激光切割工藝切割該配件，具有以下優(yōu)勢(shì)：

     第一，激光切割幾乎可以加工任何形狀的板料配件，故可使配件一體成形，縮短配件加工工序，減少配件運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)。

     第二，激光切割精度較高，可以確保切割后的配件各部位尺寸的精度。

     第三，由于激光切割熱影響區(qū)較小，故配件切割后板料的變形量較小。

     第四，激光切割相對(duì)于數(shù)控精細(xì)等離子和加工中心來(lái)說(shuō)，成本較低。

     在切割彈簧托板的同時(shí)還可以套材切割其他同材質(zhì)、同板厚的小配件，提高材料利用率。

     4. 激光切割技術(shù)的應(yīng)用不足

     （1）激光切割機(jī)購(gòu)買設(shè)備成本較高 以4.4kW激光切割為例，一般國(guó)產(chǎn)需要200～300萬(wàn)元，而進(jìn)口設(shè)備則需500萬(wàn)左右。且設(shè)備零部件的精密度較高，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，不僅對(duì)維修人員的素質(zhì)要求高，而且短期內(nèi)部分零部件難以購(gòu)置到位，設(shè)備短期內(nèi)難以修復(fù)，因此維護(hù)成本較高。

     （2）激光切割機(jī)切割范圍有限 一般激光切割機(jī)的工作臺(tái)尺寸為2 000mm×4 000mm，故設(shè)備所能加工的配件長(zhǎng)度尺寸會(huì)受限制。由于激光切割設(shè)備切割板材厚度有限，對(duì)于4.4kW的激光切割機(jī)來(lái)說(shuō)，所能切割的最大板厚尺寸為：碳鋼板≤25mm，不銹鋼≤20mm，鋁合金≤12mm。隨著設(shè)備使用時(shí)間的延長(zhǎng)，且最大板厚加工能力還會(huì)隨之衰減。其加工厚板的能力，一般不如數(shù)控精細(xì)等離子切割機(jī)和數(shù)控火焰切割機(jī)。

     （3）切割速度較低 對(duì)于激光切割設(shè)備來(lái)說(shuō)，其切割相同材質(zhì)和板厚配件的速度不如數(shù)控精細(xì)等離子切割機(jī)。兩種設(shè)備的切割速度如表8所示。

     由表8可知，在切割同材質(zhì)、同板厚的工件時(shí)，激光切割設(shè)備的加工效率不如數(shù)控精細(xì)等離子切割。

     （4）大批量配件生產(chǎn)效率較低 雖然激光切割技術(shù)在鐵路貨車制造行業(yè)中，因其高精度、靈活多變的切割方式，起到了其他加工設(shè)備無(wú)法替代的作用。但卻由于其設(shè)備成本較高，加工速度較慢，不能滿足于大批量生產(chǎn)，大部分情況下只能用于個(gè)別高精度配件和小批量配件的加工。

     5. 結(jié)語(yǔ)

     隨著鐵路貨車制造行業(yè)的變化及全球經(jīng)濟(jì)一體化，各鐵路貨車制造企業(yè)已經(jīng)由原單一的、大批量的國(guó)鐵車生產(chǎn)向小批量、多品種的出口車輛轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變形式也給鐵路貨車配件的制造帶來(lái)了革命性的變化，原有的剪板機(jī)、沖床等的板料加工設(shè)備的使用頻率越來(lái)越低， 由數(shù)控精細(xì)等離子切割機(jī)、數(shù)控火焰切割機(jī)及激光切割機(jī)這些數(shù)控柔性化設(shè)備所取代，其中激光切割設(shè)備以其加工高精度、小尺寸、復(fù)雜外形配件，并能夠加工多種材料的優(yōu)勢(shì)，具有無(wú)法替代的作用。

     作者簡(jiǎn)介：戴長(zhǎng)林、李加良，中國(guó)南車長(zhǎng)江車輛有限公司。

     本文摘自《金屬加工（熱加工）》2015年第4期