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激光加工技术在机械制造中的应用研究 2021-07-25

机械制造业在我国属于支柱产业,在社会经济发展中有着不可或缺的重要作用,它的发展潜力非常巨大,前景广阔。要想实现强国梦想,在世界发展中占有一席之地,相关机械制造企业应该自主创新,确保生产高质量的产品。自主创新的一个重要方面就是进行技术创新,这也包括激光加工技术这一国际公认的先进技术。持续改进与完善激光加工技术,即可有效促进机械制造业的发展。


1.激光加工技术的基本原理

激光加工技术是一种先进的综合性加工技术,它融合了光学、电学、机械学等,在某种程度上可称之为新时代的万能加工技术,激光加工技术的出现与更新有力促进了机械制造业的进步 。激光的实质是一种光子束,它因原子 受到电流等能量的撞击而发生,集中射向一个方向并且具备一定的能量。光子和原子发生连锁反应能够出现非常高的能量,包含有非常高能量的这种激光束朝向工件的表面进行照射,结合计算机数控技术可组合而成加工设备,对机械进行自动化加工,通过高能的激光加工金属及非金属材料,对其实现切割、打孔及焊接等。激光加工技术加工制造机械产品的精度非常高,是机械制造行业里非常重要的必备技术。 


2. 激光加工技术的优势 

激光加工技术作为高精尖特的先进技术,在机械制造加工的很多方面均有广泛应用,并且应用前景广阔。激光加 工技术的优势主要有:激光加工具有较高的精度、材料利用率及加工效率,当然经济效益也高。利用价格30万元的激光切割机正常进行加工,一年半即可收回成本并盈利。激光以光源为能量介质,具备极快的加工速度。3g激光切 割机的加工速度更是毋庸置疑。激光加工有着很好的抗干扰性,不易被环境因素所左右,可保证加工零件的质量。激 光加工可有效利用材料,可比其它加工技术节约材料10%-30%。因为激光加工不用接触工件,所以能有效节约耗材,降低生产成本。激光加工适用材料非常多,既能加工金属材料,亦可加工非金属材料,并且能够实现直线、曲线 甚至异形图等不同形状的加工。


 3. 激光切割技术的应用 

激光切割技术是通过高能量密度的激光束以强光照射器件,照射温度极快升高,物料进行气化后,蒸汽在很短的时间里快速排放或熔化,辅助气体则帮助顺利排出液体,因而则产生相应狭缝。激光切割技术是工业材料主要的切割手段,激光器与数控技术也在持续发展。

激光设备在实施切割时,激光束能够聚焦为非常小的光点,将激光切割机的作用功率达到最大化,切割速度是非常快的,当然精度也相当高,同时,保证了工件不会发生变形情况。激光切割技术运用热切割实现操作,切割进行之 时受到影响的区域非常小,不会波及到较大的范围,也能够加工某些非金属材质。激光切割技术具备的能量很大,并且可以很方便地控制密度,同样也适用于局部操作。在汽车制造中,生产车身面板时应用激光三维切割更新原用的冲 压和修边模具,如此一来,新车开发好之后便可以最快速度投入生产,亦能大幅减少汽车的生产时间 。在机械制造企业中,日本将激光切割作为标准工艺,由此加快了新产品的开发,亦使产品质量得到提升,企业从而更具竞争 力。中国的一些机械制造企业也大力提倡并推广使用激光切割技术。激光切割技术在航空航天工业中也得到广泛应用,切割的零件有钛合金皮、发动机火焰筒、飞机架及钛合金薄壁机等。综合来看,大幅面激光切割机已经被全世界很多重工业企业所使用。 

当前,对工程机械板材进行加工主要使用两种激光切割机:co2激光切割机与光纤激光切割机。光纤激光的传播在光纤中进行,具有更好的通过性,能量束也非常高,而热影响却更小,会形成更窄的切割线,这样下料效率就会 高,也更能有效使用材料,更加降低板材下料时的热变形。 


4. 激光焊接技术的应用 

焊接技术是机械制造的关键性工艺,对产品的生产成本与周期都有重要影响。电弧焊这一传统的焊接方法存在使机械产品焊接变形的缺点,需要焊后矫形,耗费工时且质量不好保障。激光焊接具有多种功能,适应性与可靠性都很 强,它的功率密度高,热输入量不大,热影响区较窄,速度快而焊接变形小,很好达到自动化,焊接时并不接触工件。将激光焊接应用于机械制造,可增加焊缝强度,减少焊后矫正工作,外观结构更完美。激光焊接在工程机械推土 机中有着广泛应用,并且对厚钢板进行激光焊接的工艺已得到优化。 

将激光焊接齿轮技术应用于汽车变速器的加工,不但生产效率高且不会浪费原材料。激光焊接齿轮时,具有较窄的焊缝热影响区,强度大,焊缝有达到12:1的深宽比,焊缝的机械性能相当于甚至高于母材,这样就对齿轮传递较大转矩提供了保障;加热与冷却可以极快实现,焊接齿轮的变形可控制得很小,焊后齿轮不用再进行精加工;加工过程的稳定性与准确性都较高,并且速度也快,异种材料也可进行焊接 。激光焊接齿轮技术极大地提高了机械用变速 器齿轮的制造水平。 

激光焊接技术应用于汽车制造中,不但能够加大车体的强度,而且凭借其优点,使焊缝外形更加美观流畅,功能和形态达到了完美契合,成为某些汽车构件加工的主要焊接手段。叉车、推土机等一些工程机械的驾驶室在外形上显得笨重呆板,在其设计制造中引入激光焊接是必然手段,机械外观会给人以美观明快的感觉。 


5. 技术的应用 

机械再制造近年来呈现迅速发展势头,一方面国家提倡绿色制造,主张节能降耗;另一方面经过再制造的机械产品有不亚于新品的性能,而价格却大约只有新品的2/3,能得到用户的认可,而企业的制造成本仅有50%左右,也愿 意从事再制造 。零部件的再制造,主要是对某些密封件、易损件进行更换,对机构磨损给予修复,而这其中需用 到的最重要技术就是技术,即高效激光堆焊技术。激光熔覆技术的基本原理是使高功率与高密度的激光束作 用于基体表面,使之出现一层微熔层,预置直特定成分的熔合金粉,也可同步添加,以此均匀修复受到磨损的零部件,这是一种增材制造技术。激光熔覆技术的灵活性较强,零部件的堆焊区域与材料是可选的,并且性能也具有可选性,为差异化定制产品提供了强有力的技术支撑。例如,大功率推土机底盘用履带涨紧弹簧筒受到磨损需要修复,即可使用激光熔覆技术对磨损区域实施增材处理(示意见图1),从多个方面检测耐磨指标,熔覆状态层硬度梯度较合理,表面硬度达标,金相组织亦很好,有效延长大功率推土机弹簧筒3倍的寿命。不仅限于机械再制造,在新品上应用激光熔覆技术更换原镀铬加前期感应热处理技术,也会极大增强产品的竞争力。 

大功率推土机弹簧筒激光增材示意

6. 激光打标技术的应用 

机械产品的不同部位均须予以标记,如条码、公司标志、序列号及生产日期等,这有助于企业创建推广品牌。传统的气动打标机速度慢、噪声大、字迹不清,并且会消耗较多工作备件,滞后于生产的现代化。 

激光打标技术通过高能量密度的激光在工件局部进行照射,使其表层材料发生气化或出现颜色变化,利用化学反应而留存永久性标记,见图2。

激光打码

激光打标技术对传统打标方法而言有着明显优点:

(1)与工件间没有接触,不发生 切削力,热影响也小,可有效维持工件精度,能应用于多种材料,标记精细且持久。

(2)激光在时间与空间上均有 良好的控制性,对工件的材质、大小、形状及加工环境存在较大的自由度,尤其适合进行自动化加工与特殊表面加工 。

(3)激光有刻划精细的特点,所制作的标记难以更改与仿造。

(4)容易与计算机数控技术配合,制作出多种 不同的文字、符号与图案,可通过软件对图样进行设计标刻或更改,满足现代化生产要求。

(5)清洁无污染,绿色环保。激光打标技术因其优点而在各行业中广泛应用,为现代化制造企业树立机械品牌形象发挥着重要作用。


 7. 结语 

为了更好达成“中国制造2025”目标,必须改变以前低端、低效而高能耗的机械制造业生产局面。激光加工技术是 一种前沿性的高精度机械制造技术,符合现代化的生产需求,应该积极探索与推广。在加强技术研发的背景下,激光加工技术一定会继续进步,设备必会更加智能化、小型化,实现加工功能多样化,使中国的机械制造水平持续提高。




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