浅谈激光切割技术在汽车行业中的应用
激光是一种因产生辐射而强化的光。由于其具有方向性好、亮度高、单色性好等特性，使得激光的应用非常广泛，如激光切割、激光焊接、激光雕刻、激光打孔、激光打标等等，激光应用也成为目前有发展空间的领域之一。而激光切割作为激光加工中重要的一项技术应用，其主要有两种：一种是脉冲激光，适用于金属材料；第二种是连续激光，适用于非金属。下面就来介绍一下激光切割技术中的汽车行业中的应用。
激光切割原理及优点
激光切割是利用高功率密度的激光束扫描材料表面，在极短的时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，以达到切割的目的。
激光切割在汽车零部件的生产中具有以下优点：⑴精度高，定位精度在0.05mm左右。⑵切缝窄，激光束聚焦成很小的光点，使得焦点处达到很高的功率密度，材料加热至气化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。⑶切割面光滑，刺。⑷速度快，比线切割速度要快很多。⑸切割质量好，无接触切割，切边受热影响很小，基本不存在工件热变形现象，完全避免材料冲剪时形成的塌边，切缝一般不需要二次加工。⑹不损伤工件，激光切割头不会与工件表面接触，保证不划伤工件。⑺不受被切材料的硬度的影响，激光可以对钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金等材料进行加工。⑻不受工件外形的影响，柔性好，可以加工任意图形，也可以切割管材及其他型材。⑼节约模具的投资，激光加工不需要模具，没有模具损耗，无需修理模具，节约模具的更换时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本。⑽节省材料，采用计算机编程，可以把不同形状的产品进行整板材料套裁，提高材料的利用率。⑾可以缩短新产品的开发周期，新产品的试制，一般数量较少，结构不确定，不用制造模具，降低浪费，缩短新产品的制作周期。⑿可以切割非金属的材料。
因此在生产中采用这种设备是非常可行的，并且这种设备也适用于生产小批量工件，为零部件的前期试制开发提供了方便，节约了成本。
激光切割的设备
激光切割设备种类繁多：⑴平面激光切割机，主要切割平面工件。⑵三维激光切割机，可以切割三维空间的工件。⑶激光切割机器人(图1），可以切割更复杂的三维立体工件等。
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图1 激光切割机器人工作站
随着汽车行业的发展，激光切割机器人的应用越来越多，而且这种类型的激光切割设备也可以切割平面工件和简单的三维工件，因此下面重点介绍激光切割机器人工作站的组成部分：⑴高精度轨迹机器人，实现了高精度、高速度、立体加工以及成本的降低。⑵激光发生器，有固体激光发生器、气体激光发生器和光纤激光发生器，是产生激光源的装置。⑶冷却器，用于冷却激光发生器。⑷光纤维电缆。⑸切割头，主要包括腔体、聚焦透镜座、聚焦镜、电容式传感器和辅助气体喷嘴等零件。⑹工作台，用于安放被切割的工件，并能按照控制程序正确而精准的进行移动，是由伺服电机驱动的。⑺数控系统，控制工作台实现X、Y、Z轴的运动，同时也控制激光器的输出功率。⑻操作台，用于控制整个切割装置的工作过程。⑼气瓶，包括激光切割机工作介质气瓶和辅助气瓶。⑽空压机。⑾空气冷却干燥机、过滤器。⑿抽风除尘机等辅助设备。
激光切割机器人在汽车制造中的实践
下面列举阐述一下激光切割机器人在汽车零件加工中的应用。
管材零件的切割
如图2所示，该零件是激光切割管材上所有的孔(左件4个孔，右件5个孔），因孔数量较多，孔径尺寸也各不相同，采用模具来冲裁的话，模具比较复杂并且模具数量也比较多，投资相对较大，而且后期的模具维修频率也较高，会占用大量的时间和人力，并且还会产生不合格品，影响零件的质量，还要有专门的质检人员进行检验，以防止不合格品的流出。而采用激光切割技术不但可以减少大量的模具资金的投入，还可以带来以下几点好处：⑴保证零件质量；零件切割位置准确，并且这种无接触加工可以避免塌角的发生。⑵节省操作工人与设备的占用；采用激光切割，程序调好之后，只需要一名工人就可以完成取件、上件、下件等一系列工作；如果用模具来实现少需要3套模具，3名操作工，3台冲压设备。⑶节省时间，操作简单；根据实践，该零件可以切割400套，并且工人不会太累，效率较高；如果采用模具实现，正常情况也可以生产400套，但是如果模具出现问题，维修、装模具、调试会耗费大量的时间和人力。⑷避免漏切、错切；激光切割如果出现漏切、错切，设备会报警，因此不会有不合格品流出的现象；如果模具出现漏冲，不容易被发现，这样不合格品流出，会带来更大的损失。
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图2 管材零件
为保证零件质量，零件定位要准确，因此需要制作零件的定位夹具(图3），该夹具结构分为三部分：⑴固定板，固定在工作站的工作台上，固定方式为螺钉和销钉。工作台上有固定位置的螺钉和销钉的，因此夹具的设计要与工作台尺寸相结合，不能盲目进行设计。⑵零件的定位装置，根据零件的使用特性，该零件在使用时孔距端头的位置重要，因此将定位设置在零件端头。⑷零件的夹紧装置，因零件在各个方向上均有切割部分，零件需要跟随工作台进行翻转，为防止工作台旋转时零件脱落，需设置四套夹紧气缸来实现。总体上来讲，该夹具结构简单易操作，并且投入的成本也很低，但是却能带来很大的收益，可以说是比较实用的。
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图3 制作管材零件的定位夹具
异型型材的切割
如图4所示，该零件需要切割两个大孔及两个端头，孔及端头采用模具冲裁时会产生变形，因此为保证零件质量，采用激光切割的方式来避免零件变形。该零件孔的切割是比较容易实现的，但是型材的端头切割加工就会有难度，该型材截面为B字形状，切割方向360度每个方向都有，所以就要求激光切割头可以360度旋转，并且要有足够的空间可以让切割头旋转，如果法线方向上空间不够，那么在不影响零件使用的情况下，可以采用小的带角度切割，因此切割头的切割轨迹的设置需要不断的进行尝试，终保证零件质量，同时降件成本，提高生产效率。
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图4 异型型材零件
该零件的激光切割夹具如图5所示，该夹具的结构同管材的夹具相似，也分为三个部分：⑴固定板，同管材的固定板固定方式一样。⑵零件定位装置，该零件上有两个很重要的安装孔，因此采用孔定位的方式使零件位置准确，定位结构采用气缸带动定位销，可以前后移动，方便工件的取放。⑶零件的夹紧装置，夹紧装置同管材件相似，只是夹紧头随零件的形状做了改变。
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图5 固定在工作台上的定位夹具
以上两个例子，激光切割夹具相对模具比较简单，都是由三部分组成：固定板、定位装置和夹紧装置。同时说明了激光切割机器人的应用可以解决很多汽车零件制作的难题，并且带来了很多方面的优点。
结束语
综上所述，激光切割在汽车加工领域中优点很突出，适应了汽车的降低成本，提高质量的发展趋势，并且激光加工机器人工作站在汽车行业的应用越来越普遍，不仅仅是应用于激光切割，激光焊接，激光打标，激光雕刻等也比较多，甚至于在非金属材料中的应用也是非常普遍的。
皮带机故障及维修方法分析
皮带机跑偏故障分析：引起皮带机跑偏有多种可能性 简单介绍几种：皮带对接安装尺寸精度不高;驱动滚筒或改向滚筒安装偏(但可调整，不会长期跑偏);滚筒与皮带之间有异物卷入;物料不在皮带正中(不经常出现) 跑偏故障多种多样，具体情况具体对待。处理方法：若是安装时皮带对接偏，一般扣连接皮带时皮带端头截斜了会出现钉扣时整个对接就会斜，不严重时用调心托辊，严重时需重新截端头重新钉扣。滚筒安装偏一般只是在刚安装时会出现，这种在平时不大出现，除了在张紧皮带时需重新调整。滚筒都有调整装置或是张紧装置，都可以调整跑偏皮带。按照相应装置具体调整。由于工作条件可能不好，例如矿井皮带机就会有煤渣或粉尘卷到皮带与滚筒之间，使得皮带在同一截面受力不均导致跑偏。定时清理皮带周围杂物和煤渣。
皮带机皮带断带或局部撕裂故障分析：超载运行或启动时局部物料压住;皮带老化严重;张紧力过大;跑偏导致皮带被卡住;物料的冲砸导致;处理方法：控制运输量或清理物料。皮带老化一般会表现出皮带不如以前硬(新皮带还是有点硬的)，太软，表面磨损光滑(新皮带表面是不光滑的)，皮带边磨损都是毛边。这是钉扣处容易撕裂。即使重新钉扣也会很快再次撕裂或断带。这时只有更换皮带。适当调整张紧力。勤观察皮带是否跑偏，若是，即使处理，否则严重时皮带会卷到滚筒与机架的缝隙中对皮带造成严重损坏。观察皮带上方是不是有其他横梁之类的东西和皮带距离很近，因为有时大物料很有可能就卡在皮带与上方横梁之间，有可能就导致皮带转不动。终导致打滑或皮带断裂，烧坏电子滚筒或电机。
一种大负角敞口零件成形工艺的研究
本文对一种大负角敞口零件成形工艺进行研究，讨论了拉深成形、管式内高压成形和弯曲胀形三种工艺方法在典型零件上的应用。通过讨论终采用弯曲胀形工艺方法对此典型零件进行CAE分析和零件试制，试制结果满足预定要求。弯曲胀形工艺可作为该典型零件和其他类似零件的成形工艺。
随着板材成形技术的发展，许多特种成形方式已经实现产业化。充液成形就是其中的一个代表工艺。充液成形按照成形方式可分为主动式充液成形（充液胀形）和被动式充液成形（充液拉深）。本文所介绍的零件采用的是弯曲胀形工艺，弯曲胀形工艺是主动式充液成形的一种，对成形深度大、带负角的敞口零件具有独特的优势。下面就分别从零件和材料简介、工艺方法研究、零件试制等方面进行介绍。
零件和材料简介
零件外形如图1所示，零件壁厚1.2mm，外形尺寸约为217mm×208mm×185mm。零件近似为两端没有底的3/5圆筒件，负角约15°。该零件材料为6A02铝合金，6A02是铝镁硅系可热处理强化的铝合金，耐腐蚀性较好，易于点焊及氢原子焊。材料在退火状态下拥有较高的塑性，淬火后拥有中等强度和塑性，但淬火后胀形易产生橘皮。该材料退火状态下力学性能参数详见表1。
工艺方法研究
仔细分析零件的形状特点，根据形状特点来研究采用何种成形工艺。该零件从轴向投影上看存在较大负角，如图2所示，红圈圈出部分即为负角部分，这部分是无法通过拉深成形出来的，且拉深深度很大，零件冲压方向的高度约185mm，再加上补充高度，拉深高度将达到220mm，近似拉深比约为3，拉深时零件会产生破裂。
该零件从周向投影看也存在负角，如图3所示，红圈圈出部分即为负角部分，负角较小，可以采用充液拉深成形出来，但是拉深深度是图2所示冲压方向拉深深度的1.5倍，拉深比达到了4，拉深不到一半就会破裂。
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图1 零件外形
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图2 零件轴向投影视图
通过对图2和图3的分析，可以得出该零件无法通过拉深这种工艺方法成形。
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图3 零件周向投影视图
然后考虑一下管式内高压胀形，相对对拉深成形的判断，此零件能否采用内高压胀形的判断相对困难些。需要将零件补成封闭的管形零件，如图4所示，测量一下零件沿轴向的截面周长，约为687.4mm，小约为552.6mm，膨胀率达到了24.4%，且图4红圈处为局部凸起的小特征，后才能胀形到位，无法从其他地方补料，导致此处因减薄过大而产生橘皮或破裂，所以采用管式内高压胀形也是不可行的。
表1 6A02-退火态材料力学性能
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图4 补充后的管形零件
后考虑采用弯曲胀形工艺。弯曲胀形工艺是主动式充液成形的一种，由弯曲和胀形两个工步组成，两个工步在一套模具中实现。首先对板料进行弯曲，弯曲胀形中的弯曲与传统弯曲工艺有一定的不同，由于胀形工艺的存在，弯曲后的零件产生的轻微褶皱均可以在胀形工步中展开，零件弯曲后的形状较传统弯曲工艺可以更加复杂。弯曲工步完成后，对弯曲后的零件进行充液胀形。由于高压液体充当胀形凸模，充液胀形较传统胀形拥有很多优势，其中的优势就是充液胀形可以胀形出带大负角且拥有较多复杂特征的零件，本文所研究的零件即属于这一类零件，这样的零件采用充液胀形工艺为合适。
图5所示为零件弯曲胀形工艺分析模型。模型由凸模、板料、凹模组成。
工艺动作顺序为：首先凸模下行，将板料弯曲，直至与凹模合死；然后高压液体从凸模打入到零件上表面，在高压液体的作用下零件胀形直至完全与凹模相贴合。
凸模的主要作用是对板料进行弯曲，凸模型面的形状决定了零件压弯后的形状。为了避免压弯后的零件产生破裂和严重的褶皱，要求凸模型面要有较大曲率且曲率变化不要过大。零件的凸模模型如图6所示。
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图5 弯曲胀形工艺分析模型
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图6 弯曲胀形凸模模型
凹模的主要作用是使零件胀形后贴在凹模型面上，从而成形出零件终形状。凹模型面的形状是根据零件终形状进行回弹补偿后的形状。此零件的凹模模型如图7所示。
工艺参数设置为：凸凹模摩擦系数0.125，板料网格1.2mm，凸模压力300t，液室压力10MPa，零件坯料尺寸800mm×500mm×1.2mm，弯曲高度228mm。采用CAE软件DYNAFORM对工艺进行分析，分析结果如图8所示。
从分析结果可以看出零件的减薄为11.2 %。零件材料为6A02-O，根据以往经验材料减薄不超过13%就不会产生橘皮或破裂。零件增厚为4.4%，不会产生褶皱。综上可以得出弯曲胀形工艺可行。
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图7 弯曲胀形凹模模型
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图8 零件减薄云图
零件试制
根据工艺分析结果对零件进行试制。制件过程如下：首先利用剪板机进行下料；打磨料边缘的毛刺；将料与凹模相贴的地方贴上塑料膜，防止零件表面划伤。然后将料对中放在凹模上；凸模下行合模到底后加压至300t；加液压到设定压力10MPa；后卸掉液室压力，卸掉设备合模压力，开模取件，完成制件。
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图9 零件实物
终制造出的零件如图9所示。零件无起皱和破裂，轮廓度0.1mm，减薄约12%，与CAE软件分析结果相近且达到图纸要求。
结论
本文对一种大负角敞口零件的成形工艺进行了研究，讨论了拉深成形、管式内高压成形和弯曲胀形三种工艺方法在此典型零件上的应用。通过讨论终采用弯曲胀形工艺方法对此典型零件进行CAE分析和零件试制，终制造出的零件与CAE软件分析结果相近且达到图纸要求，证明了弯曲胀形工艺的可行性。而对于和本文所述零件相类似，拥有较大负角、零件轴向两端敞口且采用内高压成形胀形量很大的零件，可以采用本文所述弯曲胀形工艺作为零件成形工艺。
耙斗机维修工操作规程
熟知耙斗机维修保养规定。一般规定维修电钳工应保证耙斗装岩机处于完好状态和安全可靠地工作。维修工必须遵守电钳工的一般规定，熟悉机器的各部结构和工作面的供电系统，掌握机械设备的完好标准、维修质量标准、油脂管理标准和安全技术保养规定。
下井前必须查阅耙斗机的运行情况记录，认真听取上一班人员的汇报，备足工作器具、常用材料、备品、备件及施工防护用品。工作前，必须检查作业点是否安全，瓦斯浓度是否符合规定，做到不安全不操作。维修工作前，必须切断电源，闭锁开关，并挂好“有人工作、不准送电”牌。
耙斗机对需要打开维修的减速器、滚筒、风动推车器等，要采取严密的防尘及遮盖措施，严防掉入煤、矸、杂物、淋水等。维修拆装必须按维修操作标准执行。维修工作中必须注意保护设备的防爆面不受损伤。拆装零部件时，应注意保管好小零件，严禁将其丢失和掉入机器内部。对需要维修或更换的齿轮、轴承、风管、阀等，必须选用同型号规格的元件。经维修的耙斗装岩机必须达到质量完好标准，由专人联系送电并交当班司机试运转，确认无问题后，方可交付使用。
