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激光切割在变型车开发中可以代替部分模具功能实现钣金件设计变更的工作，由于其具备较高的柔性，在很大程度上降低了单个车型小批量生产时工装设备的投入，其洁净、环保、高质量、低成本的特点受到了很多汽车企业的青睐，加速了激光切割在汽车领域应用的发展。需要注意的是，激光切割加工只适用于小批量生产，因此汽车企业在选用激光切割加工工艺前，要对其可行性进行充分的分析，以保证后续的生产需求。 随着社会的发展，汽车成为人们生活中的必需品，人们对汽车个性化的使用要求越来越高，这就要求汽车制造企业开发出多样化的汽车。一个车型从立项到量产的周期约30个月，仅模具开发费用就过亿。在市场多变的今天，这样的开发周期和费用显然不能满足市场的需求。为适应市场对汽车的需求，各汽车企业会选择在全新车型的基础上，通过改善车型配置和车身外观等手段实现汽车多样化的开发（即变型车的开发），从而适应市场的变化，增强企业的竞争力。 改善车型配置和改变车身外观的基础就是对车身钣金件的变更，传统的冲压工艺开发周期长、成本高，已不适合开发周期短、批量相对较小的变型车的开发特性，这就需要寻求一种适应多产品、小批量的钣金件变更的生产工艺。通过对现行生产工艺的调查和可行性分析研究，最终确定激光切割生产工艺可以满足变型车钣金件变更的要求。
（1）在原有钣金件基础上的变更。汽车企业通常是通过改善车型配置和车身外观等手段实现汽车产品多样化开发的，这些变更的基础就是钣金件的变更，都需要在原钣金件的基础上通过变更安装孔的位置、增加安装孔、变更产品边界等方式实现。 （2）制件产量较小。随着车型多样化的发展，目标销售人群不可避免会被分化，单一配置的车型产量会有一定程度的降低，同一配置车型产量基本上集中在5～7万/年的产量区间内。 （3）开发周期短。为适应市场的快速发展，汽车企业会压缩变型车的开发周期，一般控制在6～8个月。
激光切割工艺与模具冲压工艺对比如表1所示，对比发现在小批量生产中采用激光切割实现制件的设计变更是经济合理的。 表1 激光切割工艺与模具冲压工艺对比
工艺布局现场 图1 激光切割工艺布局 为保证生产效率，减少设备生产的等待时间，采用双工作台设计，可以避免设备产能的浪费，一般激光切割工艺布局如图1所示。另外，制件使用移动工作台完成空间位置的转换，不可避免会增加切割辅助时间。为更好地利用切割设备能力，采用双工作台缩短设备的等待时间。双工作台分为纵向移动和横向移动2种，工作台移动方式如图2所示。 （a）纵向移动 （b）横向移动 图2 工作台移动方式 生产组织 根据激光切割加工的特点，在组织生产的过程中要充分做好准备工作，包括生产条件、辅助材料、人员配备以及工艺路线等方面，以下主要针对激光切割加工的生产条件和辅助材料的准备进行详细的介绍。 （1）生产条件的组织。一般的激光切割过程是由YAG固体激光发生器+三维机器人组合实现的，切割采用1064μm波长激光加工，这种波长的光属于不可见光，对人眼视网膜有严重的伤害，因此切割过程最好在一个封闭的空间内进行，操作人员需要佩戴专门的滤波眼镜，切割空间的窥视窗口也要采用专用滤波树脂来防护。另外，激光切割是一种热熔加工手段，在加工过程中会产生烟尘，烟尘积聚过多不仅会影响现场操作人员的身体健康，造成尘肺等职业疾病，还会影响激光系统尤其是光纤传输系统的正常工作，因此，封闭的激光切割空间要配备除尘换气系统。 （2）辅助气体的准备。激光切割机在加工金属薄板时，一般可以选择压缩纯氮气、压缩纯氧气和压缩空气作为辅助气体。在切割有色板的时候，采用压缩纯氮气作为辅助气体，这些材料容易被氧化变黑，氮气可以起到冷却和保护材料的辅助作用；在切割碳钢时，采用压缩纯氧气作为辅助气体，对于碳钢，氧气起到加快燃烧速度并快速冷却钢板的作用；为节约成本，在切割不锈钢时常采用压缩空气作为辅助气体，但是切割反面会有细微的毛刺，需用砂纸打磨以保证切割精度。 YAG激光切割碳钢一般采用纯氧气作为辅助气体，一方面利用切割过程中碳钢氧化产热来完成切割，同时利用气流吹走熔化的残留物。一般激光切割采用瓶装氧气辅助切割过程，切割气压保持在0.4~0.5MPa，但由于单瓶气体量小，不能保证单批次的正常生产，氧气气压不足会影响切割系统的正常工作，可以在现场配备自动切换装置将多瓶氧气并联，根据现场生产需求选择氧气瓶数量，气压低时通过自动切换装置平衡氧气气压，以保证正常生产。
图3 原子灰简易支架 现阶段激光切割定位工装设计制造的方法主要有2种：一种是简易工装,其制作方法是将粘稠状的树脂或原子灰放在工件的型腔内，待其干燥硬化后固定在简易的支架上用作定位工件的工装，原子灰简易支架如图3所示，这种工装制作方法简单易行，但其定位精度较低；另一种是“网格定位”工装，在切割工件三维数模的最大投影面上，选取2个相互垂直的方向构造等距离的网格平行线，分别对数模进行剖切，根据剖切面的轮廓对二维支撑板进行随型加工，然后将加工完成的支承板按照所在剖切面位置依次装配在底板上，作为覆盖件的夹具，“网格定位”工装如图4所示。 图4 “网格定位”工装 以上2种设计方法简单易行、制作周期短、开发成本低，在车型开发的试制阶段和模具开发中修边线的确认等过程中得到了广泛的应用，但这2种方法由于定位支架本身的结构特性决定了其存在很多缺陷：①单批次切割时需要进行重复“对刀”，再对制件的定位孔、检测孔及检测边进行切割；②依靠制件形状进行定位，对制件的刚性及实际状态与理论状态的一致性要求较高，一般适用于拉深后的工序件；③支架使用过程易损坏，使用寿命短；④切割过程中，制件因热内应力释放而变形，此支架结构无法保证切割的稳定性和一致性。 在制件设计变更过程中，制件的定位孔与定位面是已经加工好的制件，尤其是车身外覆盖件，制件纵厚比过大，刚性较差，且薄板钣金件的回弹问题一直尚未得到很好的解决，因此不适用以上设计方法。 针对此问题，总结了制件的定位工装设计原则： 定位工装对制件的定位基准要与制件的RPS（定位点系统）文件保持一致。RPS文件中标明了制件的定位孔和定位面，在整车的加工制造、检测及模具、检具、夹具设计制造中都是按照RPS文件确定的定位系统确定基准点，因此在激光切割定位工装设计时也要遵循这个标准，保持定位系统的一致性。某车型侧围外板的RPS文件如图5所示。 图5 某车型侧围外板RPS文件 激光切割加工工艺中没有切削力，且制件是薄壁冲压件，其长度方向的尺寸远远大于厚度方向的尺寸，符合壳单元的理论假设，在加工过程中制件所受主要力为制件本身重力，因此需要在工装设计时增加支撑面以平衡制件重力。在平衡重力过程中需要通过Ansys软件对制件进行有限元分析以选定支撑点，一般情况下，可以直接参照制件的焊接装配夹具的支撑点设计定位工装的支撑点，保持制件加工和装配的状态的一致性。 由于车身钣金件型面比较平缓，局部强度低，尤其是外覆盖件，制件本身形状固化强度不足，冲压完成后，制件型面或多或少会出现回弹问题。为保证制件在切割过程中与检测和装配状态一致，需在制件切割部位增加局部回弹校型结构，附带回弹校型结构的定位工装如图6所示。 图6 附带回弹校型结构的定位工装 在激光切割加工过程中，制件与切割机器人的相对位置精度会影响激光切割的精度，为保证此相对位置精度，除提高设备本身的重复定位精度外，还要提高定位工装在工作台上的定位精度。因此在设计定位工装时，要设置稳定的定位系统，保证定位工装在工作台上重复定位的一致性和稳定性。 一般情况下，工装定位采用“一面双孔”的定位方式，依靠支架重力完成工装支架6个自由度的限制，但是为方便支架的拆装，定位孔与定位销都会设计0.2mm的余量，这样就降低了工装本身的定位精度，因此需要在支架放置到位后增加其他定位结构，一般现场可以采用定位键和定位销进行定位，为方便现场的拆卸和观察，建议采用定位销定位。 ▍内容来源：《模具工业》2015年第8期 |
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