柔性是激光最大的優(yōu)勢(shì)
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(shí)際尺寸同設(shè)計(jì)尺寸之間存在著一些細(xì)微的、但卻不可預(yù)測(cè)和控制的誤差。而激光加工要求激光束的焦點(diǎn)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(tái)三維激光切割機(jī)問(wèn)世時(shí)，它還只能進(jìn)行汽車內(nèi)飾件的切割，而無(wú)法加工金屬?zèng)_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(jī)床可以自動(dòng)“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(diǎn)，而且切口光滑平整，沒(méi)有毛刺和飛邊，加工后的零件不會(huì)對(duì)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(gè)突出的特點(diǎn)是：它是一種沒(méi)有切削力的加工方式，在切割過(guò)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(jì)和制造非常簡(jiǎn)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(diǎn)，三維激光加工一經(jīng)推出就馬上被汽車設(shè)計(jì)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(duì)于手工操作來(lái)講是極其困難的，在切割過(guò)程中出現(xiàn)廢品的機(jī)率較高，而且手工加工無(wú)法保證切割件的重復(fù)精度，根本無(wú)法滿足市場(chǎng)上對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量越來(lái)越苛刻的要求。此外，每個(gè)零件必須手工劃線，加工時(shí)間長(zhǎng)，加工后的產(chǎn)品必須逐件進(jìn)行檢驗(yàn)，很難符合車型開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短的客觀要求。但對(duì)于激光加工來(lái)說(shuō)，所有這些問(wèn)題都不存在：所有的切割（包括孔、槽、內(nèi)外輪廓等）均可通過(guò)數(shù)控程序在三維激光切割機(jī)上一次完成；無(wú)論是加工一件還是一百件，其尺寸均完全相同；加工過(guò)程全部自動(dòng)完成，徹底避免了可能出現(xiàn)的各種人為誤操作所導(dǎo)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(kāi)始編程、準(zhǔn)備夾具到切割出合格的產(chǎn)品，激光加工只需數(shù)小時(shí)就可以完成原來(lái)人工需要數(shù)周甚至數(shù)月的工作量。在 “時(shí)間就是金錢”、“時(shí)間就是市場(chǎng)”的今天，開(kāi)發(fā)周期的長(zhǎng)短直接影響著產(chǎn)品能否成功占領(lǐng)市場(chǎng)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(lái)越成為各主機(jī)廠、設(shè)計(jì)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(shì)
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(diǎn)，從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，人們開(kāi)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(shì)是單件加工周期相對(duì)比較長(zhǎng)。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(dòng)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(zhǔn)備時(shí)間非常短，通過(guò)先進(jìn)的CAD/CAM軟件，從數(shù)模轉(zhuǎn)換、加工程序生成到工裝夾具準(zhǔn)備完成，全部過(guò)程只需一天的時(shí)間，而準(zhǔn)備好同樣的全部沖切模具則至少需要兩到三個(gè)月。三維激光加工另一大突出的優(yōu)點(diǎn)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(wú)需準(zhǔn)備昂貴的沖切模具，這將大大提高投資回報(bào)率。另外，激光加工全部通過(guò)數(shù)控程序控制，不但可隨時(shí)根據(jù)需要進(jìn)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(zhǔn)備工裝的費(fèi)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(jì)。
假設(shè)某一個(gè)轎車需要10個(gè)車身覆蓋件，如果采用常規(guī)的沖切模具進(jìn)行生產(chǎn)，所需模具的成本大約在200～400萬(wàn)美元之間，全部的工裝準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)調(diào)試的人天工作量需要25個(gè)月，而如果采用三維激光切割設(shè)備，全部切割準(zhǔn)備的總成本僅為5萬(wàn)美元，而所需的時(shí)間也僅為50天。由此可見(jiàn)，即使三維激光切割機(jī)的采購(gòu)成本高達(dá)100萬(wàn)美元，生產(chǎn)一個(gè)車型所需模具的投資也僅相當(dāng)于三臺(tái)大型三維激光切割機(jī)床的價(jià)格，而且這里還不包括購(gòu)買壓力機(jī)所需的費(fèi)用。
因此，對(duì)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(tái)激光切割機(jī)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(shí)，不但可以為用戶節(jié)省巨額的模具開(kāi)發(fā)制作成本，而且還可以大大縮短新車上市的時(shí)間。這種并行模式所帶來(lái)的另一個(gè)好處是即使一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)了故障，也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線停機(jī)，而只是損失1/3的生產(chǎn)率，大大降低了生產(chǎn)管理風(fēng)險(xiǎn)。最重要的是，一次性購(gòu)買的激光切割機(jī)可以反復(fù)用于各種零件的加工，幫助廠家避免了車型改變所帶來(lái)的投資風(fēng)險(xiǎn)。
新世紀(jì)的新發(fā)展
進(jìn)入21世紀(jì)后，在日本、美國(guó)及歐洲的汽車工業(yè)中，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注保持自己在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)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(shì)，同時(shí)避免了手工生產(chǎn)的成本過(guò)高以及大批量生產(chǎn)缺乏靈活性的缺點(diǎn)。
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(duì)自己的產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)革新并保持自己產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，在設(shè)計(jì)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(zhǔn)備，即為小批量生產(chǎn)模式預(yù)先提供合理的解決方案。針對(duì)最近幾年中汽車車身工業(yè)用戶對(duì)設(shè)備在以下三個(gè)方面的性能改進(jìn)表現(xiàn)出強(qiáng)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(duì)這方面需求更加強(qiáng)烈）以及具有靈活性、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)明等特點(diǎn)，普瑞瑪工業(yè)公司專門對(duì)其旗艦型三維激光加工機(jī)床OPTIMO做了全新的設(shè)計(jì)。新改進(jìn)的OTPIMO機(jī)床的行程為2500mm×4500mm×920mm，是目前市場(chǎng)上加工范圍最大的標(biāo)準(zhǔn)三維激光切割機(jī)床之一。它采用龍門框架式結(jié)構(gòu)，全部運(yùn)動(dòng)部分均架在空中，整個(gè)加工區(qū)域全部面向用戶開(kāi)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(dòng)的多種配置方案。在動(dòng)態(tài)性能方面，OPTIMO也達(dá)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(jī)相比，其加工效率提高了至少一倍。同時(shí)，OPTIMO采用集成式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不但安裝簡(jiǎn)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(duì)汽車舒適性和安全性等方面的要求越來(lái)越高，逐漸增加車身尺寸、考慮使用四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)、增加更多的電子設(shè)備等在汽車工業(yè)中越來(lái)越成為趨勢(shì)，而所有這些都不可避免地會(huì)增加整車的重量，并導(dǎo)致同降低油耗這一目標(biāo)之間的矛盾，唯一的解決辦法就是在不影響性能的同時(shí)降低車身自身的重量。這一點(diǎn)可以從目前內(nèi)高壓成型零件（IHU）和高硬質(zhì)鋼材料（溫?zé)岢尚弯摚┰谄囓嚿眍I(lǐng)域的廣泛使用得到驗(yàn)證。
內(nèi)高壓成型是通過(guò)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(lái)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(qiáng)度，其良好的強(qiáng)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(fù)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(wú)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?zé)岢尚弯摚┚哂袠O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(duì)強(qiáng)度要求高的部位使用，如保險(xiǎn)杠支架、前梁、側(cè)梁、加強(qiáng)筋等位置。而在相同的強(qiáng)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?yàn)檫@原因，這種材料的零件幾乎無(wú)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(lái)越多的領(lǐng)域取得了成功，當(dāng)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(gè)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(guò)激光焊接成整張板材，然后進(jìn)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(duì)強(qiáng)度的要求，又可以降低對(duì)強(qiáng)度要求不高的局部的材料重量，達(dá)到降低整車重量的目的。激光焊接速度快（可達(dá)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(qiáng)度甚至超過(guò)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(diǎn)500～700mm的距離進(jìn)行焊接，以徹底解決焊接過(guò)程中工裝夾具和焊頭之間互相干擾的問(wèn)題。同時(shí)，遙控焊接還具有無(wú)與倫比的速度優(yōu)勢(shì)：其每個(gè)焊點(diǎn)（焊縫）的平均焊接時(shí)間僅為0.5s，一臺(tái)遙控激光焊接單元的工作效率相當(dāng)于10～20臺(tái)焊接機(jī)器人。由于其在效率和降低投資、減輕維護(hù)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(jìn)三維激光加工設(shè)備的共同點(diǎn)
21世紀(jì)的激光加工設(shè)備還應(yīng)該具有一些新的特點(diǎn)，以符合技術(shù)不斷進(jìn)步的要求。首先，先進(jìn)的三維激光切割機(jī)應(yīng)采用全飛行光路技術(shù)，即加工過(guò)程中工件和夾具保持靜止不動(dòng)，全部的運(yùn)動(dòng)由加工頭完成，加工過(guò)程不受工件重量、尺寸、占地面積及夾具等方面的限制。因?yàn)榧す饧庸け旧砭褪且环N沒(méi)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(wú)需考慮工件移動(dòng)帶來(lái)的定位和固定等問(wèn)題，可以大大節(jié)省用戶工裝夾具設(shè)計(jì)的成本和時(shí)間。同時(shí)，由于工件靜止不動(dòng)，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部分幾乎沒(méi)有負(fù)載，這大大降低了機(jī)床自身的磨損，可以保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。另外，由于采用了飛行光路技術(shù)，機(jī)床的占地面積大大減少，并可靈活配置各種自動(dòng)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是其加工頭的設(shè)計(jì)。好的五軸加工頭不但應(yīng)該結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、具有非常好的接近性，同時(shí)它還可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)n×360°(無(wú)限制旋轉(zhuǎn)）和120°的擺動(dòng)，即使是非常復(fù)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(dāng)然，成熟的三維激光設(shè)備還應(yīng)通過(guò)歐洲CE和美國(guó)CDRH安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，配置有完善的安全防護(hù)系統(tǒng)，在加工過(guò)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(fēng)除塵系統(tǒng)的工作效率。目前先進(jìn)
的三維激光切割機(jī)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(fù)定位精度比市場(chǎng)上采用編碼器半閉環(huán)控制的傳統(tǒng)設(shè)備提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
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