激光加工技術在汽車車身大型覆蓋件中的應用

    激光對材料的作用包括加熱、熔化、汽化、吹氧燃燒、氧化、光致壓力沖擊、分解、電離等，生產者可根據不同要求將工藝控制在不同的范圍內，得到不同加工效果。由于光束照射到物體的表面是局部的，因此對非照射部位影響極小，熱影響區(qū)小，加工件基本無變形，后續(xù)加工量小。作用材料時無機械力傳遞，因此其加工速度快、效率高、無振動、無噪聲。激光加工具有材料變性加工能力，是傳統(tǒng)機械加工方法所不具備的。激光切割材料時，可得到平整、狹窄、縫面極為光滑的切縫，切割尺寸精度很高；焊接材料時，可以使焊接組織細化，焊縫窄而深，接頭強度增強，兼用填充焊絲、送粉等技術，可得到優(yōu)異的焊接性能；熔敷材料時，可以得到材料基體和材料使用部分較高的結合強度，各部分最大限度發(fā)揮自身性能，方便地達到材料性能的組合，擴充零件性能，滿足使用要求；表面熱處理材料時，對奧氏體轉變的控制可以非常精確，表面硬度提高較大；材料打孔時，可以得到細而深的孔。激光可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、超薄、極軟及高熔點難加工材料。加工過程不受電磁干擾，可以在大氣中進行，可通過透明介質對密閉容器內的工件進行各種加工。激光束易于進行聚焦、發(fā)散、導向、掃描等空間控制變換，極易與數控系統(tǒng)配合對復雜工件進行加工，是一種極為靈活的加工方法，特別適合自動化加工?？筛鶕庸ひ笃ヅ涔獍吆凸β拭芏龋⒖蛇M行選擇性加工。

    由于激光加工為發(fā)展優(yōu)質、高效、低成本的加工方式開辟了廣闊的前景，因此在發(fā)達國家迅速普及。板材成形、汽車制造、航空航天與船舶制造、機械冶金、電子工業(yè)、廣告制作、模具制造業(yè)已形成了切割、焊接、打孔、刻槽、劃片、成形、標記、熔敷、表面熱處理、非晶化、改性和摻雜等十幾種應用工藝種類。激光加工顯示出取代某些原有傳統(tǒng)處理技術的強大生命力。

    汽車是由多種材料、大量零件組成的現(xiàn)代高級工業(yè)產品。其中很多材料及零件的制造都適合采用激光加工。激光技術在國外汽車生產廠中已采用較多，大量應用于汽車各總成零件、部件生產上，如發(fā)動機齒輪焊接、活塞環(huán)熔敷、樣車車身切割和焊接。

    在這些可加工目標中，激光加工技術對車身結構制造尤其具有明顯的優(yōu)勢。車身的研究制造是很復雜的過程。車身結構是典型的薄板殼結構，由大量低合金高強度薄鋼板經沖壓、剪裁、整形制成覆蓋件，并經焊接裝配而成。為得到外形美觀、結構合理、使用性能良好的車身，要求汽車制造廠具有較高的設計、制造水平，同時也要求車身研究部門應具備較高的研究水平。目前，德國、日本、美國、法國等國家的著名汽車制造商如大眾、BMW、戴勒姆-奔馳、歐寶、日產、福特、通用、雷諾、沃爾沃等公司，均已采用了高功率激光用于轎車車身生產，從而極大地提高了生產效率，降低了生產成本，優(yōu)化了結構設計，其主要應用如下:

    1 取代覆蓋件生產中的部分模具

    傳統(tǒng)車身覆蓋件制造采用的模具沖壓工藝較為費時、費力、耗財。汽車覆蓋件是車身結構的主要零件。覆蓋件具有材料薄、形狀復雜、多為立體曲面、結構尺寸大以及表面質量高等特點。由于覆蓋件的質量直接影響著車身的質量，因此生產中對覆蓋件的表面質量、尺寸、剛性以及工藝性等方面都有較高的要求。

    覆蓋件的結構形式復雜(見圖1)，在造型設計與構件制造上具有較大的難度。一個完整的覆蓋件制造以沖壓工藝為主，經過板材落料、拉深、整形、修邊、沖孔等工序才能完成，其中最主要的工具是各類模具。模具是影響覆蓋件加工質量及加工周期的關鍵因素。而模具制造正是覆蓋件制造的難點。車身制造用主要模具包括拉伸模、修邊模、沖孔模、翻邊模。每一模具都包括上下模座、工作部分零件、導向部件、定位零件、安全裝置、進出料裝置及壓邊圈、壓料芯等沖壓配件。模具種類繁多、數量龐大。大型的車用模具甚至有上百個零件。其中一套模具的制造就需要較多的加工設備的配合，如型面加工用的3維或5維數控銑床、研配加工用的研配壓床、打磨用的手工打磨工具及研磨拋光機、測量用的3坐標劃線機、試沖用的調試設備。一個覆蓋件零件往往需要多套模具的配合與順序加工使用才能完成。復雜的工藝過程大大增加了操作難度。同時傳統(tǒng)模具制造基于經驗和技巧，與加工者個人操作技藝有很大關系，使得零件質量參差不齊。另外，模具制造周期長。如果采用手工繪圖設計、普通機械加工的方法，制造一套沖壓模具需要半年。即使采用CAD/CAM的方法，用計算機工作站設計、數控仿形銑加工，雖比一般傳統(tǒng)方法提高效率2～5倍，但也至少需要1～2個月在質量保證上，模具的質量靠試模的辦法進行，不合格的模具進行返修，這進一步加大了制造時間和人力、物力的耗費。有時試模所用的時間甚至比加工成形所用的時間還長?？梢?，模具制造是消耗覆蓋件生產準備時間最多的環(huán)節(jié)。還有，模具制造費用較高。一副零件模具加工成本即達百萬元以上人民幣。以紅旗轎車為例，發(fā)動機罩外板修邊模的制作成本花費100萬元，發(fā)動機罩內板修邊沖孔模120萬元，左/右翼子板外板修邊沖孔模各80萬元共160萬元，左/右翼子板內板修邊模各80萬元共160萬元，左/右翼子板內板沖孔模各50萬元共100萬元，翼子板加強板修邊沖孔模共需80萬元，行李箱外板修邊模約100萬元，內板修邊沖孔模180萬元。整套模具高達1000萬元以上。而且隨著產品更新?lián)Q代或結構改進要求，需要不斷制作新的模具。同時，一套模具使用壽命有限，一般在萬次左右，使用報廢后要再制作模具。這些缺點都加重了車身制造的負擔。

圖1 汽車車身覆蓋件

    采用激光加工技術取代模具后則完全避免了上述缺點。激光取代的部分模具主要是修邊模與沖孔模。激光加工過程首先通過3維示教編程或離線編程，依據覆蓋件的設計外形或實物外形生成加工軌跡。然后對平面試樣進行切割工藝試驗，獲得工藝參數。最后對覆蓋件實施一次性激光切割。采用激光切割方法，大大節(jié)約了生產時間。例如加工矩形平面開口，編程時間不到5s，切割時間不到0.5s；加工空間立體開口，編程時間不到10s，切割時間不到1s。同時，數控系統(tǒng)可以在不同加工部位間高速轉換，其延時雖比整體沖孔時間稍長，但每一次轉換均可小于0.5s，加工全部孔位的轉換時間不超過幾十秒。這比起沖孔模制造時間，的確大大縮短了。以前的設計耗時，現(xiàn)在完全表現(xiàn)為激光切割的編程耗時。而編制切割程序，不論是離線編程，還是示教編程，大部分規(guī)則形狀加工任務在1h以內即可完成；復雜軌跡空間曲線，也僅需1～2d。另外，激光加工系統(tǒng)具有較高的柔性。覆蓋件上不同部位的孔，如果沖壓方向不同，則需要設計不同的沖孔模，而對激光加工而言，激光系統(tǒng)配備柔性加工機，可以按照生成的軌跡任意調整加工方向。另外，采用激光加工系統(tǒng)也可以較大幅度地降低成本。激光加工技術的整個成本主要是在初期投資配備的激光加工系統(tǒng)上，一般約100～200萬元。而平時的加工消耗則主要是水、電、氣等價格低廉的物資。激光加工系統(tǒng)工作壽命較長，平均使用壽命在20年左右。薄板激光切割的切縫寬度可小于0.1mm，而數控定位精度小于0.01mm，在對車身零件加工孔時，尺寸精度可以直接滿足裝配其他附件要求。激光加工技術和傳統(tǒng)工藝的比較見表1。
 

    激光加工是激光應用的一個重要方面，被譽為“21世紀的萬能加工工具”、“未來制造系統(tǒng)的共同加工手段”。激光加工的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)制造業(yè)注入了新的生機和活力。

    激光對材料的作用包括加熱、熔化、汽化、吹氧燃燒、氧化、光致壓力沖擊、分解、電離等，生產者可根據不同要求將工藝控制在不同的范圍內，得到不同加工效果。由于光束照射到物體的表面是局部的，因此對非照射部位影響極小，熱影響區(qū)小，加工件基本無變形，后續(xù)加工量小。作用材料時無機械力傳遞，因此其加工速度快、效率高、無振動、無噪聲。激光加工具有材料變性加工能力，是傳統(tǒng)機械加工方法所不具備的。激光切割材料時，可得到平整、狹窄、縫面極為光滑的切縫，切割尺寸精度很高；焊接材料時，可以使焊接組織細化，焊縫窄而深，接頭強度增強，兼用填充焊絲、送粉等技術，可得到優(yōu)異的焊接性能；熔敷材料時，可以得到材料基體和材料使用部分較高的結合強度，各部分最大限度發(fā)揮自身性能，方便地達到材料性能的組合，擴充零件性能，滿足使用要求；表面熱處理材料時，對奧氏體轉變的控制可以非常精確，表面硬度提高較大；材料打孔時，可以得到細而深的孔。激光可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、超薄、極軟及高熔點難加工材料。加工過程不受電磁干擾，可以在大氣中進行，可通過透明介質對密閉容器內的工件進行各種加工。激光束易于進行聚焦、發(fā)散、導向、掃描等空間控制變換，極易與數控系統(tǒng)配合對復雜工件進行加工，是一種極為靈活的加工方法，特別適合自動化加工?？筛鶕庸ひ笃ヅ涔獍吆凸β拭芏?，并可進行選擇性加工。

    由于激光加工為發(fā)展優(yōu)質、高效、低成本的加工方式開辟了廣闊的前景，因此在發(fā)達國家迅速普及。板材成形、汽車制造、航空航天與船舶制造、機械冶金、電子工業(yè)、廣告制作、模具制造業(yè)已形成了切割、焊接、打孔、刻槽、劃片、成形、標記、熔敷、表面熱處理、非晶化、改性和摻雜等十幾種應用工藝種類。激光加工顯示出取代某些原有傳統(tǒng)處理技術的強大生命力。

    汽車是由多種材料、大量零件組成的現(xiàn)代高級工業(yè)產品。其中很多材料及零件的制造都適合采用激光加工。激光技術在國外汽車生產廠中已采用較多，大量應用于汽車各總成零件、部件生產上，如發(fā)動機齒輪焊接、活塞環(huán)熔敷、樣車車身切割和焊接。

    在這些可加工目標中，激光加工技術對車身結構制造尤其具有明顯的優(yōu)勢。車身的研究制造是很復雜的過程。車身結構是典型的薄板殼結構，由大量低合金高強度薄鋼板經沖壓、剪裁、整形制成覆蓋件，并經焊接裝配而成。為得到外形美觀、結構合理、使用性能良好的車身，要求汽車制造廠具有較高的設計、制造水平，同時也要求車身研究部門應具備較高的研究水平。目前，德國、日本、美國、法國等國家的著名汽車制造商如大眾、BMW、戴勒姆-奔馳、歐寶、日產、福特、通用、雷諾、沃爾沃等公司，均已采用了高功率激光用于轎車車身生產，從而極大地提高了生產效率，降低了生產成本，優(yōu)化了結構設計，其主要應用如下:

    1 取代覆蓋件生產中的部分模具

    傳統(tǒng)車身覆蓋件制造采用的模具沖壓工藝較為費時、費力、耗財。汽車覆蓋件是車身結構的主要零件。覆蓋件具有材料薄、形狀復雜、多為立體曲面、結構尺寸大以及表面質量高等特點。由于覆蓋件的質量直接影響著車身的質量，因此生產中對覆蓋件的表面質量、尺寸、剛性以及工藝性等方面都有較高的要求。

    覆蓋件的結構形式復雜(見圖1)，在造型設計與構件制造上具有較大的難度。一個完整的覆蓋件制造以沖壓工藝為主，經過板材落料、拉深、整形、修邊、沖孔等工序才能完成，其中最主要的工具是各類模具。模具是影響覆蓋件加工質量及加工周期的關鍵因素。而模具制造正是覆蓋件制造的難點。車身制造用主要模具包括拉伸模、修邊模、沖孔模、翻邊模。每一模具都包括上下模座、工作部分零件、導向部件、定位零件、安全裝置、進出料裝置及壓邊圈、壓料芯等沖壓配件。模具種類繁多、數量龐大。大型的車用模具甚至有上百個零件。其中一套模具的制造就需要較多的加工設備的配合，如型面加工用的3維或5維數控銑床、研配加工用的研配壓床、打磨用的手工打磨工具及研磨拋光機、測量用的3坐標劃線機、試沖用的調試設備。一個覆蓋件零件往往需要多套模具的配合與順序加工使用才能完成。復雜的工藝過程大大增加了操作難度。同時傳統(tǒng)模具制造基于經驗和技巧，與加工者個人操作技藝有很大關系，使得零件質量參差不齊。另外，模具制造周期長。如果采用手工繪圖設計、普通機械加工的方法，制造一套沖壓模具需要半年。即使采用CAD/CAM的方法，用計算機工作站設計、數控仿形銑加工，雖比一般傳統(tǒng)方法提高效率2～5倍，但也至少需要1～2個月在質量保證上，模具的質量靠試模的辦法進行，不合格的模具進行返修，這進一步加大了制造時間和人力、物力的耗費。有時試模所用的時間甚至比加工成形所用的時間還長。可見，模具制造是消耗覆蓋件生產準備時間最多的環(huán)節(jié)。還有，模具制造費用較高。一副零件模具加工成本即達百萬元以上人民幣。以紅旗轎車為例，發(fā)動機罩外板修邊模的制作成本花費100萬元，發(fā)動機罩內板修邊沖孔模120萬元，左/右翼子板外板修邊沖孔模各80萬元共160萬元，左/右翼子板內板修邊模各80萬元共160萬元，左/右翼子板內板沖孔模各50萬元共100萬元，翼子板加強板修邊沖孔模共需80萬元，行李箱外板修邊模約100萬元，內板修邊沖孔模180萬元。整套模具高達1000萬元以上。而且隨著產品更新?lián)Q代或結構改進要求，需要不斷制作新的模具。同時，一套模具使用壽命有限，一般在萬次左右，使用報廢后要再制作模具。這些缺點都加重了車身制造的負擔。

圖1 汽車車身覆蓋件

    采用激光加工技術取代模具后則完全避免了上述缺點。激光取代的部分模具主要是修邊模與沖孔模。激光加工過程首先通過3維示教編程或離線編程，依據覆蓋件的設計外形或實物外形生成加工軌跡。然后對平面試樣進行切割工藝試驗，獲得工藝參數。最后對覆蓋件實施一次性激光切割。采用激光切割方法，大大節(jié)約了生產時間。例如加工矩形平面開口，編程時間不到5s，切割時間不到0.5s；加工空間立體開口，編程時間不到10s，切割時間不到1s。同時，數控系統(tǒng)可以在不同加工部位間高速轉換，其延時雖比整體沖孔時間稍長，但每一次轉換均可小于0.5s，加工全部孔位的轉換時間不超過幾十秒。這比起沖孔模制造時間，的確大大縮短了。以前的設計耗時，現(xiàn)在完全表現(xiàn)為激光切割的編程耗時。而編制切割程序，不論是離線編程，還是示教編程，大部分規(guī)則形狀加工任務在1h以內即可完成；復雜軌跡空間曲線，也僅需1～2d。另外，激光加工系統(tǒng)具有較高的柔性。覆蓋件上不同部位的孔，如果沖壓方向不同，則需要設計不同的沖孔模，而對激光加工而言，激光系統(tǒng)配備柔性加工機，可以按照生成的軌跡任意調整加工方向。另外，采用激光加工系統(tǒng)也可以較大幅度地降低成本。激光加工技術的整個成本主要是在初期投資配備的激光加工系統(tǒng)上，一般約100～200萬元。而平時的加工消耗則主要是水、電、氣等價格低廉的物資。激光加工系統(tǒng)工作壽命較長，平均使用壽命在20年左右。薄板激光切割的切縫寬度可小于0.1mm，而數控定位精度小于0.01mm，在對車身零件加工孔時，尺寸精度可以直接滿足裝配其他附件要求。激光加工技術和傳統(tǒng)工藝的比較見表1。