激光切割数控技术及其在农机制造中的应用

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，是从增补旧式式农具和制造推广新式农具起步的。我国农机工业经过5O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3O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2O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，—个直径为lO01~m的小孑L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0.01-43.1，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lmm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。