SESAMO-25453D激光切割机  

1979年世界上第一台3D五轴CO2激光加工机在意大利Prima工业公司诞生。该机采用3D导光系统、二轴工件移动形式，配有CNC控制加工参数的示教系统，主要用于菲亚特轿车内饰件的切割。从第一台3D激光加工机投入使用至今，3D激光加工已在汽车制造、航空航天等领域得到日益广泛的应用。

3D数控激光切割机的应用现状

大功率3D数控激光切割技术与数控装备代表了激光加工应用技术的最高水准，其采用六轴五联动方式形成激光焦点的空间运动轨迹，实现对复杂型面薄板类大型零件的3D切割，可以满足汽车覆盖件等复杂型面的全自动切割要求，以及加工的高速度和高精度。

3D数控激光切割机主要用于汽车制造行业。在样车开发中，世界著名的汽车制造企业公司都普遍采用激光3D切割取代了传统的冲裁工艺，不仅减少了模具的数量，节省了模具的设计和制造费用，而且大大地缩短了样车的研制周期。新车的开发时间已由过去的2~3年降到10个月甚至更短的时间，显著降低了新车研制成本。在车身制造中，汽车制造企业纷纷采用激光3D切割用于车身覆盖件的生产。上海团结普瑞玛激光设备有限公司作为国内规模较大的大功率激光加工机制造企业，于2005年成功开发出SESAMO-25453D数控激光切割机；2008年成功开发出SLCF-XL3090/3D3D数控激光切割机。这两款机型填补了国内数控激光切割的空白，成功应用于汽车覆盖件、军工特殊零件等复杂型面零件的高效激光切割加工上。

图1 汽车覆盖件激光3D切割

3D数控激光切割机的关键技术

要研制出高效高精度自动化切割的3D数控激光切割机，则需要开展如下关键技术的研究。

高精度长行程的六轴机械系统设计与制造技术。3D数控激光切割机共有X/Y/Z/C 4个直线运动轴和A/B两个旋转运动轴。直线运动轴行程和旋转运动轴旋转范围的要求大，为复杂的六轴精密机械系统，其设计与制造难度大。需要采用经验设计、有限元计算与试验验证相结合的方法，充分借助基于计算机仿真的机床结构优化设计技术，对3D数控激光切割机关键部件与整体进行有限元分析，通过机械结构优化，改进机床的动态特性，确保高速切割过程中的机床稳定性。

长距离多关节回转光路设计。为避免激光切割过程中引起激光器的震动，确保激光光束质量，3D数控激光切割机一般采用激光器与机床分离的结构。由于3D数控激光切割机加工范围都比较大，这就使得激光导光光路长，激光在长光路传输过程中会出现一定的能量衰减。此外，3D激光切割机带有旋转范围大的A/B旋转运动轴，使得导光系统不仅需要通过反射镜位置变化，还需要通过反射镜的角度变化来实现激光传递。通过反射镜角度变化传递激光，会产生激光反射误差放大问题。

图2 汽轮机叶片插槽的切割

3D激光加工头研制。3D激光加工头是3D数控激光切割机的关键部件，包括了实现A/B轴的旋转运动机构和C轴焦点自动跟踪直线运动、辅助气体喷嘴、激光聚焦装置、碰撞保护装置、水气电接口与密封。3D激光加工头的运动精度与定位精度直接影响到激光的最后加工精度，且辅助气体喷嘴与激光聚焦装置安装精度影响到激光切割质量，还需防止长时间激光加工会导致加工头的温度升高而影响其工作特性等技术难题，因此3D激光加工头自主研制的难度很大。

六轴五联动数控系统开发。3D激光切割机的数控系统需要具备五轴联动功能。而且由于激光切割轨迹为空间曲线，在进行数控编程时一般采用大量的微小线段通过首尾相连接的方式进行拟合，这就要求在高速加工的过程中，数控系统具备前瞻功能，通过线段间衔接速度的平滑过渡防止切割过程中反复出现升降速而无法达到规定切割速度要求，避免出现过烧现象。目前3D激光切割机数控系统可选范围小，而且难以进行面向激光切割工艺的二次开发。

图3 3D激光加工头

金属薄板类零件的激光切割加工工艺研究。激光切割实质是高能激光束与辅助气体相互作用的结果，一方面高能光束使加工材料熔化甚至气化，另一方面辅助气体把熔融金属和部分热量从切口中排出去。所以，激光加工的能量分布、金属液固状态转变、辅助气体压力与流动特性是影响切割质量与效率的重要因素。需要通过采用理论分析、数值模拟与实验结合的方式研究辅助气体压力、喷嘴类型、激光功率等工艺参数对切割速度与质量的影响规律。通过合理配置工艺参数，提高激光切割的效率和质量。

3D激光切割工艺与装备在我国的应用尚处于起步阶段，只有少数合资汽车企业开始陆续引进此类设备进行冲压件修边和汽车车身样件开发，同发达的国际汽车工业相比，我国汽车工业3D激光切割应用水平的差距还很大。我国汽车工业的蓬勃发展，需要更多国产化的3D数控激光切割机来满足需求，这将为3D激光切割机的推广提供很大的市场空间。