激光切割技术在铁路货车制造中的应用

戴长林 李加良

1. 概述

铁路货车制造行业为满足出口及国内不断升级的需要，小批量、多品种的车辆生产已是常态，原来通用的铁路货车车体配件的加工工艺（如剪板下料、手工切割等）已不能完全满足如今的产品质量和生产需求，其中激光切割机具有加工高精度、多孔类及外形复杂特征配件的特性，有不可替代的作用。现在货车制造厂家均已配备了数控精细等离子切割机、激光切割机等，用以铁路货车中形状复杂，精度要求较高的板料件的加工。

2. 激光切割技术在铁路货车制造中的主要优势

激光切割机在铁路货车制造行业已广泛应用，并起着其他数控切割设备不可替代的作用（设备外形见图1）。

图 1

其主要优势有以下几方面：

（1）适用多种材质配件 铁路货车材料有低碳低合金钢、高强钢、耐大气腐蚀钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢及铝合金等，激光切割设备均可以加工，其加工范围几乎可以涵盖铁路货车中所有材质的板材件。

（2）加工精度高 激光切割设备比其他切割设备加工精度高，不同设备加工工件精度对比如表1所示。从表1可知，激光切割设备的加工精度是其他加工设备的5~10倍，可以满足高精度配件的加工要求。

（3）割缝宽度较窄 割缝细小有利于减小配件的间距，提高材料利用率，切割时产生的切割渣较少，其切割参数如表2所示。而大部分数控精细等离子切割机的割缝宽度在0.15～6mm之间，在实际生产中等离子切割机的割缝宽度一般在5～6mm。

（4）材料利用率高 如图2所示，在进行配件切割时，可以套裁切割同板厚、同材质的不同配件，充分利用原材料的边角余料。激光切割配件如图3所示。

表 1

图 2

图 3

表 2

（5）切割粗糙度值低 激光切割设备，在切割同一材质的配件时，相对其他设备来说，切割粗糙度值较低，整体外观质量较高。

在铁路货车制造行业中，不同数控切割设备加工工件断面粗糙度对比，如表3所示。从表3可看出，激光切割断面粗糙度值最低。

图4是在氧气状态下切割的6mm板厚的铝合金零件，切割面光滑。如在氮气状态下切割其断面质量会更高。图5为激光切割低合金钢的零件，切割断面粗糙度值较低，切割面很光滑。

（6）热影响区小 激光切割过程中，被切割材料边缘由于受热会产生热影响区。但激光切割较其他加工方法能量集中热输入小，与精细等离子切割和火焰切割相比，热影响区相对较小，如表4所示。热输入小，对受热容易晶粒长大的铁素体不锈钢和容易有淬硬倾向的高强钢有很重要的意义，有利于提高焊缝质量。

（7）小批量生产激光切割成本较低 图6所示配件，在大批量生产时，选择模具落料的工艺进行加工，大批量生产，制作模具的费用均摊到每个配件上，其生产成本较低。但如果是小批量生产，采用模具冲裁的加工工艺，不但模具的制作周期较长，不能满足配件加工的时效性，而且模具制作费用均摊到每个配件上，加工成本就相对较高。因此一般采用数控切割的方式进行加工。

当采用数控精细等离子切割时，由于等离子切割的穿孔能力较弱，切割精度较低，孔的成形质量不良，还需要另外增加一道钻孔工序，并需制作钻模。不仅加工时间较长，成本也比较高。

数控精细等离子切割与激光切割成本比较如表5所示。由表5可知，激光切割成本与数控精细等离子相比，每米可节约费用近1元。且激光切割可确保配件一次成形，有利于提高配件加工的时效性，适用于小批量生产。

如何选择切割工艺，则需根据配件尺寸、形状、成本及配件精度要求来进行综合考虑。当配件尺寸较小、孔的形状尺寸和定位尺寸要求较高时，采用激光切割方式经济性比较好。

图 4

图 5

图 6

3. 激光切割典型实例

图7配件为货车K5摆动式转向架的弹簧托板。该配件原材质为Q550，板厚为10mm，且该配件孔的形状尺寸及定位尺寸精度较高，孔的形状较多。

表 3

表 4

表 5

分析激光切割的可行性，激光切割机的技术参数如表6所示，弹簧托板加工技术要求如表7所示，从表中数据可知，激光切割加工能力可以满足弹簧托板加工技术要求。图8利用一件毛坯料套材切割两个配件的加工方式进行切割。其切割顺序为：切割内部圆孔→半腰型孔→腰型孔→外部尺寸。切割基本按照先切割小尺寸形状，在切割较大尺寸形状，最后切割最大尺寸形状的顺序进行。数控激光切割机切割弹簧托板的切割程序如图9所示。由于激光切割后配件变形量很小，切割后的配件整体平面度基本没有变化，切割完成的弹簧托板如图10所示。切割后进行模具压型，压形后的配件形状如图11所示。

切割、压型后的弹簧托板不需进行任何调校，整体成形质量高，完全满足图样要求。

因此采用激光切割工艺切割该配件，具有以下优势：

第一，激光切割几乎可以加工任何形状的板料配件，故可使配件一体成形，缩短配件加工工序，减少配件运转次数。

第二，激光切割精度较高，可以确保切割后的配件各部位尺寸的精度。

第三，由于激光切割热影响区较小，故配件切割后板料的变形量较小。

第四，激光切割相对于数控精细等离子和加工中心来说，成本较低。

表6 激光切割机技术参数

表7 弹簧托板加工技术要求

图 8

图 9

图 10

图 11

在切割弹簧托板的同时还可以套材切割其他同材质、同板厚的小配件，提高材料利用率。

4. 激光切割技术的应用不足

（1）激光切割机购买设备成本较高 以4.4kW激光切割为例，一般国产需要200～300万元，而进口设备则需500万左右。且设备零部件的精密度较高，一旦设备出现故障，不仅对维修人员的素质要求高，而且短期内部分零部件难以购置到位，设备短期内难以修复，因此维护成本较高。

（2）激光切割机切割范围有限 一般激光切割机的工作台尺寸为2 000mm×4 000mm，故设备所能加工的配件长度尺寸会受限制。由于激光切割设备切割板材厚度有限，对于4.4kW的激光切割机来说，所能切割的最大板厚尺寸为：碳钢板≤25mm，不锈钢≤20mm，铝合金≤12mm。随着设备使用时间的延长，且最大板厚加工能力还会随之衰减。其加工厚板的能力，一般不如数控精细等离子切割机和数控火焰切割机。

（3）切割速度较低 对于激光切割设备来说，其切割相同材质和板厚配件的速度不如数控精细等离子切割机。两种设备的切割速度如表8所示。

由表8可知，在切割同材质、同板厚的工件时，激光切割设备的加工效率不如数控精细等离子切割。

（4）大批量配件生产效率较低 虽然激光切割技术在铁路货车制造行业中，因其高精度、灵活多变的切割方式，起到了其他加工设备无法替代的作用。但却由于其设备成本较高，加工速度较慢，不能满足于大批量生产，大部分情况下只能用于个别高精度配件和小批量配件的加工。

表 8

5. 结语

随着铁路货车制造行业的变化及全球经济一体化，各铁路货车制造企业已经由原单一的、大批量的国铁车生产向小批量、多品种的出口车辆转变。这种转变形式也给铁路货车配件的制造带来了革命性的变化，原有的剪板机、冲床等的板料加工设备的使用频率越来越低， 由数控精细等离子切割机、数控火焰切割机及激光切割机这些数控柔性化设备所取代，其中激光切割设备以其加工高精度、小尺寸、复杂外形配件，并能够加工多种材料的优势，具有无法替代的作用。