喬建峰

（中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京 100086）

1 農(nóng)機行業(yè)的快速發(fā)展對現(xiàn)代加工技術的迫切需求

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)勞動力結構的巨大變化，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)明顯的結構性不均衡：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)品技術含量較低，新技術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、數(shù)控與自動化技術等，這些先進技術的應用，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)控激光切割技術的原理

激光技術是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，光能轉換成熱能，在數(shù)微秒的時間內，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，一個直徑為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)控激光切割技術的優(yōu)勢所在。

3.1 激光功率高，切口質量好：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代與技術開發(fā)，而數(shù)控激光切割技術的柔性加工優(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構件實現(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?？蛇M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、管相結合，提高農(nóng)機制造的技術水平，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)控激光切割機的投入使用，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)合收割機割臺的關鍵部件右下固定齒。

圖1

零件齒頂外徑為1468.2mm，齒形為材料為δ6mm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。

結語

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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