柔性是激光最大的優(yōu)勢

　　由于板坯厚度變化、沖壓模具磨損等一些不可控制的因素，車身沖壓件的實際尺寸同設(shè)計尺寸之間存在著一些細微的、但卻不可預測和控制的誤差。而激光加工要求激光束的焦點位置精密控制在沖壓件表面，因此，將激光加工引入到汽車車身加工領(lǐng)域的難度是很大的。1979年，在世界上第一臺三維激光切割機問世時，它還只能進行汽車內(nèi)飾件的切割，而無法加工金屬沖壓件。1982年，普瑞瑪工業(yè)公司創(chuàng)造性地將電容式傳感器集成到了三維激光切割設(shè)備中，使機床可以自動“適應(yīng)”沖壓件彈性變形造成的誤差，從而使三維激光切割技術(shù)真正成為了汽車車身加工的一種新的精密、靈活的加工手段。

　　與傳統(tǒng)的模具或手工加工不同，激光切割不但具有切縫窄（0.1～0.3mm）、加工精度高（尺寸偏差<0.1mm）、熱影響區(qū)小的優(yōu)點，而且切口光滑平整，沒有毛刺和飛邊，加工后的零件不會對下一道沖壓工序中的模具形成任何損壞。激光加工的另一個突出的特點是：它是一種沒有切削力的加工方式，在切割過程中零件本身不受力，因此三維激光切割零件的夾具設(shè)計和制造非常簡單，可以大大節(jié)省夾具的成本和縮短制造周期。

　　由于這些優(yōu)點，三維激光加工一經(jīng)推出就馬上被汽車設(shè)計公司所采用，在樣車試制和小批量試生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用，并逐漸地被廣泛應(yīng)用于模具制造和小批量的變形車及特種車生產(chǎn)等領(lǐng)域。

　　在傳統(tǒng)的試制階段，沖壓件的切邊和切孔等工作只能依靠手工完成，一般至少需要兩到三道工序，分別完成內(nèi)框、孔、內(nèi)輪廓和外輪廓的切割。而內(nèi)框、內(nèi)輪廓的切割對于手工操作來講是極其困難的，在切割過程中出現(xiàn)廢品的機率較高，而且手工加工無法保證切割件的重復精度，根本無法滿足市場上對產(chǎn)品質(zhì)量越來越苛刻的要求。此外，每個零件必須手工劃線，加工時間長，加工后的產(chǎn)品必須逐件進行檢驗，很難符合車型開發(fā)周期越來越短的客觀要求。但對于激光加工來說，所有這些問題都不存在：所有的切割（包括孔、槽、內(nèi)外輪廓等）均可通過數(shù)控程序在三維激光切割機上一次完成；無論是加工一件還是一百件，其尺寸均完全相同；加工過程全部自動完成，徹底避免了可能出現(xiàn)的各種人為誤操作所導致的廢品。最重要的是，激光切割大大提高了零件的生產(chǎn)效率，從開始編程、準備夾具到切割出合格的產(chǎn)品，激光加工只需數(shù)小時就可以完成原來人工需要數(shù)周甚至數(shù)月的工作量。在 “時間就是金錢”、“時間就是市場”的今天，開發(fā)周期的長短直接影響著產(chǎn)品能否成功占領(lǐng)市場和生產(chǎn)廠商的成敗，因此，在試制階段采用激光切割技術(shù)已經(jīng)越來越成為各主機廠、設(shè)計公司和模具公司的唯一選擇。

　　同傳統(tǒng)沖壓加工相比的成本優(yōu)勢

　　由于三維激光切割技術(shù)在車身試制領(lǐng)域中展現(xiàn)的突出優(yōu)點，從20世紀90年代初開始，人們開始逐漸考慮將三維激光切割作為切割模具的替代品，直接用于中小批量、變形車、特種車和備件的生產(chǎn)之中。

　　同傳統(tǒng)的模具沖壓相比，激光切割最大的劣勢是單件加工周期相對比較長。以轎車車門內(nèi)側(cè)板為例，從拉延成型到完成全部沖切工序，采用模具沖壓大約需要6min左右（半自動沖壓線），而如果采用激光加工則需要10min左右。但作為柔性加工方式的一種典型代表，激光加工所需的準備時間非常短，通過先進的CAD/CAM軟件，從數(shù)模轉(zhuǎn)換、加工程序生成到工裝夾具準備完成，全部過程只需一天的時間，而準備好同樣的全部沖切模具則至少需要兩到三個月。三維激光加工另一大突出的優(yōu)點就是大大降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。在零件成型后，所有的沖切工作全部可由激光完成，無需準備昂貴的沖切模具，這將大大提高投資回報率。另外，激光加工全部通過數(shù)控程序控制，不但可隨時根據(jù)需要進行修改，而且一旦需要馬上可以切換到其他產(chǎn)品的生產(chǎn)，產(chǎn)品改變所需的成本只是重新編程和準備工裝的費用，這同更換全套模具所需的巨額投資相比，完全可以忽略不計。

　　假設(shè)某一個轎車需要10個車身覆蓋件，如果采用常規(guī)的沖切模具進行生產(chǎn)，所需模具的成本大約在200～400萬美元之間，全部的工裝準備、設(shè)計調(diào)試的人天工作量需要25個月，而如果采用三維激光切割設(shè)備，全部切割準備的總成本僅為5萬美元，而所需的時間也僅為50天。由此可見，即使三維激光切割機的采購成本高達100萬美元，生產(chǎn)一個車型所需模具的投資也僅相當于三臺大型三維激光切割機床的價格，而且這里還不包括購買壓力機所需的費用。

　　因此，對于中小批量規(guī)模生產(chǎn)的車型，完全可以考慮用兩到三臺激光切割機并行工作，替代全部沖切模具的工作，在保證相同生產(chǎn)效率的同時，不但可以為用戶節(jié)省巨額的模具開發(fā)制作成本，而且還可以大大縮短新車上市的時間。這種并行模式所帶來的另一個好處是即使一臺設(shè)備出現(xiàn)了故障，也不會導致整個生產(chǎn)線停機，而只是損失1/3的生產(chǎn)率，大大降低了生產(chǎn)管理風險。最重要的是，一次性購買的激光切割機可以反復用于各種零件的加工，幫助廠家避免了車型改變所帶來的投資風險。

　新世紀的新發(fā)展

　　進入21世紀后，在日本、美國及歐洲的汽車工業(yè)中，人們越來越關(guān)注保持自己在市場中的競爭力尤其是研發(fā)能力。小批量生產(chǎn)、訂制生產(chǎn)已經(jīng)成為一種發(fā)展方向。這種生產(chǎn)方式融合了手工制造及大批量生產(chǎn)兩者的優(yōu)勢，同時避免了手工生產(chǎn)的成本過高以及大批量生產(chǎn)缺乏靈活性的缺點。

　　在這種條件下就要求激光加工設(shè)備的制造商必須不斷地對自己的產(chǎn)品進行技術(shù)革新并保持自己產(chǎn)品的競爭力，在設(shè)計中不僅要注意滿足目前汽車覆蓋件加工應(yīng)用中的需要，而且要為用戶今后的發(fā)展做好準備，即為小批量生產(chǎn)模式預先提供合理的解決方案。針對最近幾年中汽車車身工業(yè)用戶對設(shè)備在以下三個方面的性能改進表現(xiàn)出強烈的需求——更快的加工速度、更大的加工范圍（特別是目前非常成功的MPV、SUV、皮卡對這方面需求更加強烈）以及具有靈活性、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡明等特點，普瑞瑪工業(yè)公司專門對其旗艦型三維激光加工機床OPTIMO做了全新的設(shè)計。新改進的OTPIMO機床的行程為2500mm×4500mm×920mm，是目前市場上加工范圍最大的標準三維激光切割機床之一。它采用龍門框架式結(jié)構(gòu)，全部運動部分均架在空中，整個加工區(qū)域全部面向用戶開放，具有非常好的可接近性，用戶可根據(jù)自身產(chǎn)品的情況選擇從手工到全自動的多種配置方案。在動態(tài)性能方面，OPTIMO也達到了前所未有的水平：其最大定位速度為84m/min，最大加速度為0.5g，同老式激光加工機相比，其加工效率提高了至少一倍。同時，OPTIMO采用集成式結(jié)構(gòu)設(shè)計，不但安裝簡便迅速，還具備可以快速安裝及可以在不同的生產(chǎn)部門之間快速重新定位的功能，就像最新型的車床和磨床一樣。

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　　新材料、新工藝更需要激光

　　隨著人們對汽車舒適性和安全性等方面的要求越來越高，逐漸增加車身尺寸、考慮使用四輪驅(qū)動技術(shù)、增加更多的電子設(shè)備等在汽車工業(yè)中越來越成為趨勢，而所有這些都不可避免地會增加整車的重量，并導致同降低油耗這一目標之間的矛盾，唯一的解決辦法就是在不影響性能的同時降低車身自身的重量。這一點可以從目前內(nèi)高壓成型零件（IHU）和高硬質(zhì)鋼材料（溫熱成型鋼）在汽車車身領(lǐng)域的廣泛使用得到驗證。

　　內(nèi)高壓成型是通過高壓乳化液（水和添加劑）使處于模具內(nèi)的空心件（主要為管狀件）外壁完全緊貼模具而成型。用這種方法生產(chǎn)出的零件成型精確高，重量輕，并可將原來需要焊接的多根管材一次成型完成，減少了焊接次數(shù)并提高整體強度，其良好的強度重量比和低生產(chǎn)成本使其在車身和底盤結(jié)構(gòu)中也得到了廣泛的應(yīng)用。由于內(nèi)高壓成型件的形狀非常復雜，而且有一定數(shù)量的孔和槽要切割，因此采用傳統(tǒng)的沖切模具是無法加工的，三維激光切割是目前最佳的解決方案之一。

　　高硬質(zhì)鋼材料（溫熱成型鋼）具有極高的內(nèi)部張力（1500MPa/mm2），因此彈性變形非常小，非常適合在汽車車身對強度要求高的部位使用，如保險杠支架、前梁、側(cè)梁、加強筋等位置。而在相同的強度要求下，高硬質(zhì)鋼的重量比正常鋼板要輕許多，并可減免很多焊接工序，因此在保證安全的前提下可以有效地降低車身的重量。正是因為這原因，這種材料的零件幾乎無法采用傳統(tǒng)的沖切模具方式加工，而唯一的解決方式就是三維激光切割。

　　激光焊接有巨大的發(fā)展前景

　　由于激光焊接技術(shù)的焊接速度快、焊縫質(zhì)量高，已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域取得了成功，當然也包括汽車車身制造領(lǐng)域。激光不等厚板拼焊就是一個成功的例子。所謂不等厚板拼焊，就是將不同材料或不同厚度的板材通過激光焊接成整張板材，然后進行沖壓成型，這樣生產(chǎn)的零件既可以滿足車身結(jié)構(gòu)局部對強度的要求，又可以降低對強度要求不高的局部的材料重量，達到降低整車重量的目的。激光焊接速度快（可達8m/min），焊接后板材的變形非常小，而且焊縫質(zhì)量非常好，其焊縫的強度甚至超過了母體。

　　目前最新應(yīng)用的焊接技術(shù)是遙控激光焊接。它是指焊接頭在距離焊點500～700mm的距離進行焊接，以徹底解決焊接過程中工裝夾具和焊頭之間互相干擾的問題。同時，遙控焊接還具有無與倫比的速度優(yōu)勢：其每個焊點（焊縫）的平均焊接時間僅為0.5s，一臺遙控激光焊接單元的工作效率相當于10～20臺焊接機器人。由于其在效率和降低投資、減輕維護成本等方面的優(yōu)異表現(xiàn)，目前這一系統(tǒng)已經(jīng)在車門、車地板、車身側(cè)圍和分裝組件等裝配線上獲得了成功的應(yīng)用。

　　先進三維激光加工設(shè)備的共同點

　　21世紀的激光加工設(shè)備還應(yīng)該具有一些新的特點，以符合技術(shù)不斷進步的要求。首先，先進的三維激光切割機應(yīng)采用全飛行光路技術(shù)，即加工過程中工件和夾具保持靜止不動，全部的運動由加工頭完成，加工過程不受工件重量、尺寸、占地面積及夾具等方面的限制。因為激光加工本身就是一種沒有切削力的加工方式，采用飛行光路技術(shù)后，工裝夾具只起支撐和定位的作用，而無需考慮工件移動帶來的定位和固定等問題，可以大大節(jié)省用戶工裝夾具設(shè)計的成本和時間。同時，由于工件靜止不動，機床的運動部分幾乎沒有負載，這大大降低了機床自身的磨損，可以保證設(shè)備長期穩(wěn)定可靠的運行。另外，由于采用了飛行光路技術(shù)，機床的占地面積大大減少，并可靈活配置各種自動上下料系統(tǒng)以充分利用設(shè)備的效率。

　　三維激光加工設(shè)備另一個關(guān)鍵技術(shù)就是其加工頭的設(shè)計。好的五軸加工頭不但應(yīng)該結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計簡潔、具有非常好的接近性，同時它還可以實現(xiàn)連續(xù)n×360°(無限制旋轉(zhuǎn)）和120°的擺動，即使是非常復雜的零件表面（如內(nèi)高壓成型件），也可以非常好地接近加工并減少五軸編程的工作量。

　　當然，成熟的三維激光設(shè)備還應(yīng)通過歐洲CE和美國CDRH安全標準認證，配置有完善的安全防護系統(tǒng)，在加工過程中將加工區(qū)域完全封閉，不但可保證操作人員的安全，還可大大提高加工區(qū)域內(nèi)廢氣抽風除塵系統(tǒng)的工作效率。目前先進
 

的三維激光切割機的各數(shù)控軸已全部采用光柵尺全閉環(huán)反饋控制，其定位精度和重復定位精度比市場上采用編碼器半閉環(huán)控制的傳統(tǒng)設(shè)備提高了一個數(shù)量級。