论激光切割技术及其在农机制造中的应用

乔建峰

（中国农业机械化科学研究院，北京 100086）

1 农机行业的快速发展对现代加工技术的迫切需求

1.1 农机行业的发展现状

中国是农业大国，农业是国家的命脉，农业机械化发展是农业发展的重要保证。我国农业机械制造业是在新中国成立后，从无到有逐步发展起来的，是从增补旧式农具和制造推广新式农具起步的。我国农机工业经过50年的发展，已形成了拖拉机、内燃机、耕作机械、植保机械、收获机械、排灌机械、运输机械、畜牧机械、农副产品加工机械、饲料加工机械、半机械化农具、拖内配件等13个小行业，能生产16大类、104个小类、3200多种产品的完整工业体系，使我国农业机械化水平不断提高，促进了我国农业劳动力结构的巨大变化，对我国农业和农村经济的发展作出了重要贡献。

虽然中国农机总量快速发展，但巨大的人口基数仍使中国农机人均保有量处于世界平均水平之下，综合机械化水平仅约48%，并呈现明显的结构性不均衡：小型机械较多而大中型机械较少、动力机械较多而配套机械较少、机耕机械化水平显着高于机播和机收、粮食作物机械化水平普遍高于经济作物，丘陵地带机械化仍处于起步阶段。同时，由于我国的农业机械工业规模普遍偏小，产品技术含量较低，新技术和新设备又难以得到很好的推广，造成了农机行业整体发展水平的滞后。

1.2 农业机械的产业特征

我国的农业生产的特点直接决定了我国农业机械的产业特征具有农机种类品种多样化，农机的技术难度大小反差很大，而且农机使用要求可靠性高、适应性强，特别是农机科研、生产的周期长、投入大。在农业生产中，种植业、林业、渔业的开垦、种植和收获都受到季节性影响，农机研制经过设计、试制、性能试验、生产试验、推广示范等步骤才能用到生产中去；生产试验和推广示范都受到农业季节性制约，错过生产的季节性工况环境，只能等下一个年度再进行，所以，一种新机型的诞生，一般需要经过3～5年，有的甚至更长。因此农机科研周期长，消耗的物力和人力多。

1.3 农机制造对现代加工技术的迫切需求

我国目前虽然已经成为农机的生产大国，但是我国农机制造技术及装备水平与发达国家相比，还约有20到30年的差距。企业的设备新度系数很低，差距甚大。有的第一线生产设备甚至是发达国家20世纪五、六十年代的产品。甚至一些骨干老企业设备新度系数仅为0.3～0.4，远低于其它机械行业0.6～0.7的普遍标准，设备陈旧，产品质量难以控制；因此，农机制造业对新型加工方式提出了迫切的需求，如CAD/CAM、激光加工技术、数控与自动化技术等，这些先进技术的应用，将加快我国农机制造现代化的进程，本文将主要论述激光切割技术在农机制造业的研究及其应用。

2 数控激光切割技术的原理

激光技术是20世纪伟大的发明之一，自1960年第一台激光器问世以来，固体激光器（Nd：YAG等）、气体激光器、半导体激光器以及准分子激光器陆续诞生；激光不同于普通光源，它具有良好的单色性和相干性，很好的方向性，极高的能量密度，这些特点使得激光广泛地应用于各类机械加工领域，如激光切割、焊接、激光淬火、激光打标等等，而激光切割被认为是激光技术应用中最成熟的工艺。

激光切割是用聚焦后的激光束照射在被切割材料的表面，光能转换成热能，在数微秒的时间内，光斑区的温度升高至材料的熔点甚至沸点，材料被熔化和汽化，一个直径为100μm的小孔被打出，当激光束沿着设定的路径移动，光束与材料不断相互作用，割缝随之形成，在这一过程中，辅助气体通过切割嘴吹过割缝，其作用有三：助切（氧气在碳素钢切割上占到60%的热量提供）、吹去熔渣和冷却。而激光切割的质量（包括切缝的宽度、边缘的直线度以及切割断面的粗糙度）由激光功率、激光模式（通常为低阶模、单模）与偏振（圆偏振）、辅助气体压力以及切割速度决定。

3 数控激光切割技术的主要优点

激光切割是当今世界上最先进的切割工艺，与其他切割工艺如火焰切割、等离子切割、高压水射流切割等相比具有十分巨大的优势，其加工对象几乎包括了所有的金属和非金属材料，可以对高硬度、高脆性、高熔点的材料进行形状复杂的三维立体零件切割，这也是数控激光切割技术的优势所在。

3.1 激光功率高，切口质量好：激光束是高能量密度的热源，切割低碳钢，切口宽度可小于0.1～0.2mm，切割表面粗糙度只有十几微米，切割零件的精度可达±0.05mm，因此激光切割的零件因切割质量好，经常无需机械加工而直接使用。

3.2 输入热量小、材料变形小、材料性能受影响小：由于激光束的功率密度极高，切割时热影响区域极小，对薄板一般只有0.01～0.1，切口附近材料变形很小，性能几乎不受影响。

3.3 加工柔性好：激光切割无需任何刀具和模具，激光通过光学镜片传导，切割过程可实现全部数控，在计算机控制下，可直接实现二维、三维上任意形状的板类和壳体类零件的柔性加工，特别适用于新产品研制开发阶段的多品种、小批量的钣金类零件的加工，可省去费用很高的模具设计、制造费，极大的缩短生产周期。

3.4 切割效率高：以1mm厚的碳钢板为例，切割速度可达40m/min，高效率使得单件加工成本成几何级数地降低，甚至低于传统加工方法。

3.5 激光切割为非接触光学热加工，被誉为永不磨损的万能刀具：激光束在零件表面游走即可实现切割功能，工件装卡简单，甚至不需要装卡，而且工件可以进行任意形式的紧密排料或套裁，使原材料得到充分应用，由于是非接触加工，加工后工件没有任何变形。

4 数控激光切割技术在农机制造中的应用

农业机械种类繁多，更新换代迅速，新产品研制周期长，而且多数种类的产品都属于小批量生产，农机产品的钣金加工件一般采用4～6mm钢板，板金件种类多，并且更新快，传统的农机产品板金加工件通常采用冲床方式，模具消耗大，通常一个大型的农机生产厂家用于模具存放的库房就近300m2，由此可见，农机部件的加工如果仍然停留在传统的方式，将严重制约产品的快速更新换代与技术开发，而数控激光切割技术的柔性加工优势就体现出来了。

激光加工能借助现代的CAD/CAM软件，对农机产品中诸多形状复杂的结构件实现任何形状的切割，现在国产的数控激光切割机的切割厚度也可达到18～20mm，切割速度高达3m/min。采用激光加工，不仅加工速度快、效率高、成本低，而且避免了模具或刀具更换，缩短了生产准备时间周期，易于实现连续加工，提高了生产效率。可进行多种工件交替安装。一个工件加工时，可卸下已完成的部件，并安装待加工工件，实现并行加工。

“中国农业机械化科学研究院”作为农机科研和产业开发的龙头，近年来一直致力于做到产、学、研、推、管相结合，提高农机制造的技术水平，使其与其他机械制造行业平行发展。也一直在探索数控激光加工等先进制造技术在农机制造中的研究和应用方式，以提高农机制造企业的现代化生产水平。

2002年我院就购置了第一台国产的数控激光切割机，激光功率为2千瓦，切割厚度为不锈钢切割厚度6mm，碳素钢切割厚度最大为10mm；切割板面范围（长×宽）为3000mm×1500mm。

数控激光切割机的投入使用，在农机新产品的研发过程中起到了重要的作用，提高了产品的关键部件的加工精度，缩短了开发周期，如图1所示为玉米联合收割机割台的关键部件右下固定齿。

图1

零件齿顶外径为1468.2mm，齿形为材料为δ6mm厚碳素钢板，使用传统加工方法加工外径接近1500mm的齿圈，如使用大型机加设备进行车削、铣削的工艺几乎是行不通的，一般中小型农机企业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难达到工件的设计要求，而收割机割台中此类尺寸大、形状复杂、尺寸以及形位精度要求高的关键零部件还有很多，诸多加工精度不达标的零部件装配到一起，势必严重影响玉米联合收割机的整体性能。而使用数控激光切割机对右下固定齿进行加工，连同辅助时间加工每件用时不超过10分钟，尺寸精度和形位精度均能达到零件设计要求，而且在右下固定齿内圈里面还可以套料，同时切出其它齿类零件，极大地提高了加工效率，降低了加工成本，而且随着数控激光切割工艺的应用，也可以对农机产品的设计进行优化，从而提高产品的综合性能以及现代化水平。

结语

农机行业的快速发展，产品加速更新换代，对现代加工技术提出了迫切需求，而像数控激光切割此类先进的加工手段可以缩短产品开发周期，提高产品生产效率，尤其对新开发产品中的复杂零件，激光切割则更具优势；数控激光切割技术在农机生产中将逐渐成为必不可少的加工手段，成为提升农机产品装备制造业现代化程度的新兴增长点，成为改造传统农机加工的重要技术支撑，数控激光加工的广泛应用一定可以推动农机行业的快速发展。

[1]张永康，周建忠，叶云霞.激光加工技术[M].北京：化学工业出版社，2004，5～8.

[2]王红俐.激光切割金属的工艺探索[J].科技创新导报，2009，（21）.

[3]蓝信钜.激光技术[M].北京：科学出版社，2000，（08）.

[4]唐元冀.激光切割在工业上应用的现状[J].激光与光电子学进展，2002，3 9（1）.

[5]马向阳.激光加工技术在农用汽车中的应用[J].农业科技与装备，2008（04）.