汽車(chē)變檔套激光雙工位自動(dòng)切割加工技術(shù)與裝備
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(jī)科技股份有限公司等單位合作開(kāi)發(fā)的”激光加工在汽車(chē)零部件的典型應(yīng)用與裝備”系列項(xiàng)目順利通過(guò)專(zhuān)家組鑒定。武漢科技大學(xué)孔建益教授、東風(fēng)汽車(chē)公司黃松總工等省內(nèi)知名專(zhuān)家及華工科技總裁王中、華工科技專(zhuān)家院士工作站成員段正澄院士、邵新宇教授出席了鑒定會(huì)。
此次鑒定包括”汽車(chē)座椅調(diào)角器激光全自動(dòng)焊接加工技術(shù)與裝備”、”汽車(chē)管類(lèi)零件激光在線(xiàn)高速焊接加工技術(shù)與裝備”及 ”汽車(chē)變檔套激光雙工位自動(dòng)切割加工技術(shù)與裝備”三個(gè)項(xiàng)目。鑒定會(huì)委員聽(tīng)取了項(xiàng)目組所作的工作報(bào)告和技術(shù)研究報(bào)告等，審閱了相關(guān)鑒定資料，考察了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)質(zhì)詢(xún)與認(rèn)真討論，一致同意此次項(xiàng)目鑒定成果，獲得圓滿(mǎn)通過(guò)。
華工激光法利萊公司與華中科技大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的”汽車(chē)變檔套激光雙工位自動(dòng)切割加工技術(shù)與裝備”項(xiàng)目，加工出產(chǎn)的零件為德國(guó)大眾汽車(chē)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(xiàng)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(guò)原產(chǎn)設(shè)備，且成本僅為國(guó)外的三分之一，得到德方認(rèn)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(guó)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(chē)工業(yè)的發(fā)展對(duì)車(chē)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(jiǎn)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(chē)型的研發(fā)周期，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景，在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
本課題以汽車(chē)變檔套為應(yīng)用對(duì)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(dòng)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(jìn)行激光切割技術(shù)開(kāi)發(fā)，研究實(shí)用化的激光切割關(guān)鍵技術(shù)、工藝、質(zhì)量檢驗(yàn)與控制措施，并將各加工制造系統(tǒng)有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)生產(chǎn)，滿(mǎn)足生產(chǎn)能力要求，以加速提高國(guó)有汽車(chē)零部件制造業(yè)生產(chǎn)水平。
1. 引言
目前在許多國(guó)外汽車(chē)制造公司中，激光切割技術(shù)的應(yīng)用非常普遍，主要用來(lái)開(kāi)發(fā)新車(chē)型、在線(xiàn)切割、變形車(chē)生產(chǎn)，例如切割樣車(chē)零件，車(chē)身覆蓋件的切孔、修邊，切割方向盤(pán)孔、車(chē)身?yè)躏L(fēng)板、車(chē)頂蓋支架孔、安全氣囊部件、液壓成型部件等。
對(duì)于汽車(chē)變擋套，國(guó)外主要是德國(guó) SITEC（思泰科）激光加工中心生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品，德國(guó)思泰科工業(yè)技術(shù)公司（SITEC）專(zhuān)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(guó)大眾汽車(chē)公司、雪鐵龍公司、西門(mén)子 VDO 公司、德?tīng)柛５缺姸嗥?chē)零部件生產(chǎn)公司。國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)有汽車(chē)變檔套采用激光切割方法的設(shè)備。
因此，汽車(chē)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(dá)Ra6.3~12.5微米），切縫熱影響區(qū)小，幾乎無(wú)變形，切割質(zhì)量?jī)?yōu)秀。
2. 系統(tǒng)介紹
法利萊的裝備采用整體式設(shè)計(jì)，激光器、外光路、切割頭、四軸聯(lián)動(dòng)、上下料機(jī)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(jì)的可靠性，在可靠性上比國(guó)外的分體式設(shè)計(jì)更具優(yōu)勢(shì)。整體設(shè)備布局圖如圖1所示。床身部分設(shè)計(jì)緊湊，占地面積小，放棄了傳統(tǒng)的激光器支架，機(jī)床電柜，機(jī)床床身三件分離方案，達(dá)到更穩(wěn)定、更可靠、精度更高的目的。采用機(jī)械手進(jìn)行變檔套的上下料，在機(jī)械手上安裝快換夾具進(jìn)行變檔套自動(dòng)上下料，機(jī)械手與切割頭相互配合進(jìn)行全自動(dòng)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(yùn)動(dòng)和切割的旋轉(zhuǎn)軸C軸四軸聯(lián)動(dòng)功能；在相應(yīng)夾具配合的情況下，激光設(shè)備切割專(zhuān)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(hù)罩，保證操作者和設(shè)備的安全。
圖2 工裝夾具
3. 工藝研究
在實(shí)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(guó)際上對(duì)激光切割的質(zhì)量評(píng)價(jià)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般從以下四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行判斷：切口寬度及表面粗糙度；熱影響區(qū)的寬度，有無(wú)燒傷；切口斷面的波紋；切口斷面或下表面有無(wú)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(guó)內(nèi)外大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)分析，影響激光切割質(zhì)量的主要因素可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是加工系統(tǒng)性能和光的影響；另一類(lèi)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(tái)本身確定的，如機(jī)械系統(tǒng)精度、工作臺(tái)振動(dòng)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(duì)象以及用戶(hù)質(zhì)量的要求做出選擇，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，來(lái)確定相關(guān)的參數(shù)，如輸出功率、焦點(diǎn)位置、切割速度以及輔助氣體壓力等等。因此，對(duì)于一個(gè)完整的系統(tǒng)，必須對(duì)其可控因素與加工質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)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(jìn)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
- 4. 總結(jié)
該項(xiàng)目主要成果如下：
（1）整體式設(shè)計(jì)，激光器、外光路、切割頭、四軸聯(lián)動(dòng)、上下料布置保證了定光路設(shè)計(jì)的可靠性。
（2）采用獨(dú)特的輔助裝置，使用雙工位圓盤(pán)上料裝置，提高效率，確保安全,柔性上料底盤(pán)補(bǔ)償坯料的尺寸及形狀誤差。
（3）簡(jiǎn)單的掛鉤撥叉下料裝置動(dòng)作精確柔和，避免了國(guó)外機(jī)型氣缸撞擊(或高壓吹氣)的震動(dòng)與噪音以及對(duì)設(shè)備精度的影響，且降低了成本。
（4）夾持機(jī)械手根據(jù)零件的形狀及誤差特性，采用了四點(diǎn)柔性預(yù)定位及契形鎖緊原理，保證了對(duì)零件夾持的準(zhǔn)確及可靠性。
產(chǎn)品加工精度全部滿(mǎn)足客戶(hù)Cmk值要求，屬于加工免檢類(lèi)設(shè)備。變檔套激光切割機(jī)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(guò)德國(guó)設(shè)備，得到德方的認(rèn)可，成本僅為國(guó)外的三分之一。
