1 農(nóng)機行業(yè)的快速發(fā)展對現(xiàn)代加工技術(shù)的迫切需求
1.1 農(nóng)機行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀
中國是農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)是國家的命脈,農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要保證。我國農(nóng)業(yè)機械制造業(yè)是在新中國成立后,從無到有逐步發(fā)展起來的,是從增補舊式農(nóng)具和制造推廣新式農(nóng)具起步的。我國農(nóng)機工業(yè)經(jīng)過50年的發(fā)展,已形成了拖拉機、內(nèi)燃機、耕作機械、植保機械、收獲機械、排灌機械、運輸機械、畜牧機械、農(nóng)副產(chǎn)品加工機械、飼料加工機械、半機械化農(nóng)具、拖內(nèi)配件等13個小行業(yè),能生產(chǎn)16大類、104個小類、3200多種產(chǎn)品的完整工業(yè)體系,使我國農(nóng)業(yè)機械化水平不斷提高,促進了我國農(nóng)業(yè)勞動力結(jié)構(gòu)的巨大變化,對我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展作出了重要貢獻。
雖然中國農(nóng)機總量快速發(fā)展,但巨大的人口基數(shù)仍使中國農(nóng)機人均保有量處于世界平均水平之下,綜合機械化水平僅約48%,并呈現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)性不均衡:小型機械較多而大中型機械較少、動力機械較多而配套機械較少、機耕機械化水平顯著高于機播和機收、糧食作物機械化水平普遍高于經(jīng)濟作物,丘陵地帶機械化仍處于起步階段。同時,由于我國的農(nóng)業(yè)機械工業(yè)規(guī)模普遍偏小,產(chǎn)品技術(shù)含量較低,新技術(shù)和新設備又難以得到很好的推廣,造成了農(nóng)機行業(yè)整體發(fā)展水平的滯后。
1.2 農(nóng)業(yè)機械的產(chǎn)業(yè)特征
我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點直接決定了我國農(nóng)業(yè)機械的產(chǎn)業(yè)特征具有農(nóng)機種類品種多樣化,農(nóng)機的技術(shù)難度大小反差很大,而且農(nóng)機使用要求可靠性高、適應性強,特別是農(nóng)機科研、生產(chǎn)的周期長、投入大。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,種植業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)的開墾、種植和收獲都受到季節(jié)性影響,農(nóng)機研制經(jīng)過設計、試制、性能試驗、生產(chǎn)試驗、推廣示范等步驟才能用到生產(chǎn)中去;生產(chǎn)試驗和推廣示范都受到農(nóng)業(yè)季節(jié)性制約,錯過生產(chǎn)的季節(jié)性工況環(huán)境,只能等下一個年度再進行,所以,一種新機型的誕生,一般需要經(jīng)過3~5年,有的甚至更長。因此農(nóng)機科研周期長,消耗的物力和人力多。
1.3 農(nóng)機制造對現(xiàn)代加工技術(shù)的迫切需求
我國目前雖然已經(jīng)成為農(nóng)機的生產(chǎn)大國,但是我國農(nóng)機制造技術(shù)及裝備水平與發(fā)達國家相比,還約有20到30年的差距。企業(yè)的設備新度系數(shù)很低,差距甚大。有的第一線生產(chǎn)設備甚至是發(fā)達國家20世紀五、六十年代的產(chǎn)品。甚至一些骨干老企業(yè)設備新度系數(shù)僅為0.3~0.4,遠低于其它機械行業(yè)0.6~0.7的普遍標準,設備陳舊,產(chǎn)品質(zhì)量難以控制;因此,農(nóng)機制造業(yè)對新型加工方式提出了迫切的需求,如CAD/CAM、激光加工技術(shù)、數(shù)控與自動化技術(shù)等,這些先進技術(shù)的應用,將加快我國農(nóng)機制造現(xiàn)代化的進程,本文將主要論述激光切割技術(shù)在農(nóng)機制造業(yè)的研究及其應用。
2 數(shù)控激光切割技術(shù)的原理
激光技術(shù)是20世紀偉大的發(fā)明之一,自1960年第一臺激光器問世以來,固體激光器(Nd:YAG等)、氣體激光器、半導體激光器以及準分子激光器陸續(xù)誕生;激光不同于普通光源,它具有良好的單色性和相干性,很好的方向性,極高的能量密度,這些特點使得激光廣泛地應用于各類機械加工領域,如激光切割、焊接、激光淬火、激光打標等等,而激光切割被認為是激光技術(shù)應用中最成熟的工藝。
激光切割是用聚焦后的激光束照射在被切割材料的表面,光能轉(zhuǎn)換成熱能,在數(shù)微秒的時間內(nèi),光斑區(qū)的溫度升高至材料的熔點甚至沸點,材料被熔化和汽化,—個直徑為100μm的小孔被打出,當激光束沿著設定的路徑移動,光束與材料不斷相互作用,割縫隨之形成,在這一過程中,輔助氣體通過切割嘴吹過割縫,其作用有三:助切(氧氣在碳素鋼切割上占到60%的熱量提供)、吹去熔渣和冷卻。而激光切割的質(zhì)量(包括切縫的寬度、邊緣的直線度以及切割斷面的粗糙度)由激光功率、激光模式(通常為低階模、單模)與偏振(圓偏振)、輔助氣體壓力以及切割速度決定。
3 數(shù)控激光切割技術(shù)的主要優(yōu)點
激光切割是當今世界上最先進的切割工藝,與其他切割工藝如火焰切割、等離子切割、高壓水射流切割等相比具有十分巨大的優(yōu)勢,其加工對象幾乎包括了所有的金屬和非金屬材料,可以對高硬度、高脆性、高熔點的材料進行形狀復雜的三維立體零件切割,這也是數(shù)控激光切割技術(shù)的優(yōu)勢所在。
3.1 激光功率高,切口質(zhì)量好:激光束是高能量密度的熱源,切割低碳鋼,切口寬度可小于0.1~0.2mm,切割表面粗糙度只有十幾微米,切割零件的精度可達±0.05mm,因此激光切割的零件因切割質(zhì)量好,經(jīng)常無需機械加工而直接使用。
3.2 輸入熱量小、材料變形小、材料性能受影響小:由于激光束的功率密度極高,切割時熱影響區(qū)域極小,對薄板一般只有0.01~0.1,切口附近材料變形很小,性能幾乎不受影響。
3.3 加工柔性好:激光切割無需任何刀具和模具,激光通過光學鏡片傳導,切割過程可實現(xiàn)全部數(shù)控,在計算機控制下,可直接實現(xiàn)二維、三維上任意形狀的板類和殼體類零件的柔性加工,特別適用于新產(chǎn)品研制開發(fā)階段的多品種、小批量的鈑金類零件的加工,可省去費用很高的模具設計、制造費,極大的縮短生產(chǎn)周期。
3.4 切割效率高:以1mm厚的碳鋼板為例,切割速度可達40m/min,高效率使得單件加工成本成幾何級數(shù)地降低,甚至低于傳統(tǒng)加工方法。
3.5 激光切割為非接觸光學熱加工,被譽為永不磨損的萬能刀具:激光束在零件表面游走即可實現(xiàn)切割功能,工件裝卡簡單,甚至不需要裝卡,而且工件可以進行任意形式的緊密排料或套裁,使原材料得到充分應用,由于是非接觸加工,加工后工件沒有任何變形。
4 數(shù)控激光切割技術(shù)在農(nóng)機制造中的應用
農(nóng)業(yè)機械種類繁多,更新?lián)Q代迅速,新產(chǎn)品研制周期長,而且多數(shù)種類的產(chǎn)品都屬于小批量生產(chǎn),農(nóng)機產(chǎn)品的鈑金加工件一般采用4~6mm鋼板,板金件種類多,并且更新快,傳統(tǒng)的農(nóng)機產(chǎn)品板金加工件通常采用沖床方式,模具消耗大,通常一個大型的農(nóng)機生產(chǎn)廠家用于模具存放的庫房就近300m2,由此可見,農(nóng)機部件的加工如果仍然停留在傳統(tǒng)的方式,將嚴重制約產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代與技術(shù)開發(fā),而數(shù)控激光切割技術(shù)的柔性加工優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。
激光加工能借助現(xiàn)代的CAD/CAM軟件,對農(nóng)機產(chǎn)品中諸多形狀復雜的結(jié)構(gòu)件實現(xiàn)任何形狀的切割,現(xiàn)在國產(chǎn)的數(shù)控激光切割機的切割厚度也可達到18~20mm,切割速度高達3m/min。采用激光加工,不僅加工速度快、效率高、成本低,而且避免了模具或刀具更換,縮短了生產(chǎn)準備時間周期,易于實現(xiàn)連續(xù)加工,提高了生產(chǎn)效率。可進行多種工件交替安裝。一個工件加工時,可卸下已完成的部件,并安裝待加工工件,實現(xiàn)并行加工。
“中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院”作為農(nóng)機科研和產(chǎn)業(yè)開發(fā)的龍頭,近年來一直致力于做到產(chǎn)、學、研、推、管相結(jié)合,提高農(nóng)機制造的技術(shù)水平,使其與其他機械制造行業(yè)平行發(fā)展。也一直在探索數(shù)控激光加工等先進制造技術(shù)在農(nóng)機制造中的研究和應用方式,以提高農(nóng)機制造企業(yè)的現(xiàn)代化生產(chǎn)水平。
2002年我院就購置了第一臺國產(chǎn)的數(shù)控激光切割機,激光功率為2千瓦,切割厚度為不銹鋼切割厚度6mm,碳素鋼切割厚度最大為10mm;切割板面范圍(長×寬)為3000mm×1500mm。
數(shù)控激光切割機的投人使用,在農(nóng)機新產(chǎn)品的研發(fā)過程中起到了重要的作用,提高了產(chǎn)品的關(guān)鍵部件的加工精度,縮短了開發(fā)周期,如圖1所示為玉米聯(lián)合收割機割臺的關(guān)鍵部件右下固定齒。
圖1 玉米聯(lián)合收割機割臺的關(guān)鍵部件右下固定齒
零件齒頂外徑為1468.2mm,齒形為材料為86mm厚碳素鋼板,使用傳統(tǒng)加工方法加工外徑接近1500mm的齒圈,如使用大型機加設備進行車削、銑削的工藝幾乎是行不通的,一般中小型農(nóng)機企業(yè)都是使用火焰仿形切割后打磨,加工的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度都很難達到工件的設計要求,而收割機割臺中此類尺寸大、形狀復雜、尺寸以及形位精度要求高的關(guān)鍵零部件還有很多,諸多加工精度不達標的零部件裝配到一起,勢必嚴重影響玉米聯(lián)合收割機的整體性能。而使用數(shù)控激光切割機對右下固定齒進行加工,連同輔助時間加工每件用時不超過10分鐘,尺寸精度和形位精度均能達到零件設計要求,而且在右下固定齒內(nèi)圈里面還可以套料,同時切出其它齒類零件,極大地提高了加工效率,降低了加工成本,而且隨著數(shù)控激光切割工藝的應用,也可以對農(nóng)機產(chǎn)品的設計進行優(yōu)化,從而提高產(chǎn)品的綜合性能以及現(xiàn)代化水平。
5 結(jié)語
農(nóng)機行業(yè)的快速發(fā)展,產(chǎn)品加速更新?lián)Q代,對現(xiàn)代加工技術(shù)提出了迫切需求,而像數(shù)控激光切割此類先進的加工手段可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率,尤其對新開發(fā)產(chǎn)品中的復雜零件,激光切割則更具優(yōu)勢;數(shù)控激光切割技術(shù)在農(nóng)機生產(chǎn)中將逐漸成為必不可少的加工手段,成為提升農(nóng)機產(chǎn)品裝備制造業(yè)現(xiàn)代化程度的新興增長點,成為改造傳統(tǒng)農(nóng)機加工的重要技術(shù)支撐,數(shù)控激光加工的廣泛應用一定可以推動農(nóng)機行業(yè)的快速發(fā)展。
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本文標題:論激光切割技術(shù)及其在農(nóng)機制造中的應用
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