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【MFC原创】宏山激光：扩展汽车行业激光应用

2023-02-20 09:12:32 来源：

导读：

随着激光切割头、激光器和控制技术的进步，激光加工从传统的钣金切割延伸到汽车、模具加工、工程机械、航空航天、桥梁、铁搭等领域，从薄板切割到中厚板切割，从二维平面切割到三维切割，再到三维五轴切割。

作为激光切割机行业的头部企业，宏山激光在过去三年推出了针对以汽车行业为主要服务行业的激光双头开卷落料线和以汽车热成形为主的三维五轴激光切割机，具体情况如何呢？

2023年初，MFC《金属板材成形》杂志的编辑在宏山激光新落成的总部基地，参观了现代化的展厅、装配车间、切割头车间和研发基地，对不同部门的负责人进行采访，了解该公司在汽车行业的应用进展，分享给读者。

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过去几年，中国制造业最火的赛道当然是新能源汽车，用到了大量的激光加工机，其中激光切割机企业有哪些机会？

宏山激光

2022年新能源汽车持续爆发式增长，中国市场产销分别完成705.8万辆和688.7万辆，同比分别增长96.9%和93.4%，市场占有率提升至25.6%，对冲压和钣金行业的带动效果是惊人的。

与之相对应的激光切割机主要有四个机会：

第一，用激光切割机下料替代汽车覆盖件和内饰件的冲压线前端的落料压力机或定长剪切机的下料工艺；宏山激光对应的是 GLS 系列双头激光落料线。

第二，用于高强钢和铝成形的热成形之后切边和切孔的三维五轴激光割机；宏山激光的对应CELL3015G、CELL3525W 和 Freedom2012 系列我们经过调研，中大型冲压件的下料有几种：第一种：多品种小批量的单机或者多机联线冲压，直接从钢材配送中心买下好形状的料片，或者买回钢卷，切割机。

第三，用于新能源汽车的型材和管材的电池托盘、汽车座椅及导轨、仪表盘、行李箱支架、门框、车窗框等的异形管材和型材切割的光纤激光切管机。宏山激光对应的是 TS 系列激光切管机。

第四，用于生产新能源电池包、电池箱的激光切割机，对应的是 XA 系列直线电机激光切割机。

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汽车冲压的前端下料有什么特点，市场规模大概有多大？

宏山激光

我们经过调研，中大型冲压件的下料有几种：

第一种：多品种小批量的单机或者多机联线冲压，直接从钢材配送中心买下好形状的料片，或者买回钢卷，用剪板机、激光切割机或者普通压力机下料；

第二种：级进模冲压带着料带前进，不需要下料；多工位冲压，第一个工位就是下料，也不需要专门的前置下料设备；

第三种：就是汽车主机厂、一级或者二级核心供应商的多机联线冲压，他们的单一品种批量大，需要专门的大型落料压力机冲裁落料，比如冲压小轿车车门的料，就是冲出挖空车窗的车门形状的平面料面；或者用定长剪切机剪切出简单的矩形、梯形或者弧形的料片，然后进行后续的冲压。

乘用车的四门两盖的覆盖件和大型结构件基本由汽车厂自制，对应的大型覆盖件冲压线 4000 条以上，内饰件冲压线数以万计，往少了算，即使一条落料线供应四条冲压线，业内需要的下料生产线也是非常可观的。

压力机和剪切机的吨位越大，工作台面越大，投资越大；对于落料压力机，不同形状的料片对应不同的落料模具；剪切机使用成本较低、通用性好的刀具。这两种下料方式的效率都很高，每分钟20～110次之间，都会在料片边缘产生细小的裂纹。

如果要下高强钢、铝合金、钛合金，或者表面质量要求高的零件的材料，只能减低生产效率，用伺服压力机以钟摆曲线工作，延长剪裁时间，减小冲击力，减少对材料和模具的伤害，同时留出更宽的留边应对不可避免的裂纹。

随着激光切割机的切割速度和投资成本下降，用激光切割线落料的优势就凸显出来了。现在车型竞争激烈，绝大部分车型的产量并没有特别高，激光下料能达到传统落料方式的两成到四成的生产效率。关键是下不同质、不同厚度和形状的料，对激光而言，只是在排版软件上排版，不同的下料切换数据就可以了，切割的熔渣毛刺的影响区域小于裂纹，可以把冲压的压边留白降到最窄。

激光切割不再需要制造下料模具和刀具，也不需要保存和维护它们，不像压力机那样要挖很深的地坑，挑高没有要求，噪声和震动几乎没有。

最重要的是，激光下料可以最大限度节省材料，可以轻松实现不同零件的混排和套排，能有效提高材料的利用率 5%～10%，这就大大提升了用户的盈利水平。

零件：汽车内板，数量：4块，加工时间：26s，平均单件加工时长：6.5s

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宏山激光针对冲压线的落料激光切割是什么样的？

宏山激光

GL-S激光双头开卷落料线，包含料架、开卷、矫平进料一体、激光切割、分类堆垛、废料处理模块，具备开卷、送料、切割、下料四大功能，由单一切割升级为一站式加工生产线。生产线由宏山定制的排样和刀路工具软件排版，根据客户买的实际料宽，可以快速调整，完成排样，并生成落料生产数据，按照需要的节拍安排生产。

GL-S 激光双头开卷落料线

在开卷环节，宏山的生产线支持多台开卷料架，由自动化料卷小车上卷，可实现不同料卷快速切换；中间切割环节，多工序融合，还可以支持收纸/覆膜/废料收集机构；末端切完之后，可配龙门架式机器人或者机器人取下切割好的料片，实现自动分拣。

双梁双头的切割机使用宏山自制的切割头，实现双头同步或异步切割。相比单头开卷落料线，双头开卷落料线的有效生产效率提升，同时GL-S采用双通道加工方式，只要其中一个切割头准备完毕就可进行加工，无需等待，从而更好的提升加工效率，对于整板长时间切割来讲，减少了大量的等待时间。

宏山的落料线板材加工幅面（长*宽）有3000mm×1500mm、4000mm×1500mm、4000mm×2000mm、6000mm×2000mm，X/Y轴定位精度±0.03mm/m，可配激光器率1500～6000W。

宏山激光CELL系列三维五轴激光切割机机加工

宏山激光的单头开卷落料线已经在钣金的多个行业拥有诸多客户应用，双头双切割结构主要为汽车和钢材配送中心设计，正在行业中大力推广应用。

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三维五轴激光切割机行业的应用情况是怎么样的？

宏山激光

三维五轴激光切割机的主要应用应景是大批量的热成形件、电池箱和小批量的样车试制、改装车、特种车和备件的冲压件、3D打印件、或者手工钣金件的修边和切孔，主要薄壁的板材和管材加工。

汽车轻量化意味着省油省电。汽车的承重结构件包括前后保险杠、A柱、B柱、C柱、车顶加强梁、车底通道框架、仪表台支架以及车门内板、车门防撞梁等高强度构件，原本用较厚的钢材冷冲压而成。后来在保证功能和强度的情况下，如果能用更薄、整体重量更轻的高强钢和铝合金成形上述结构件，就能减轻车体重量。

传统的冷冲很难加工高强钢和铝合金，对压力机和模具伤害都很大，材料容易开裂，于是把料片加热到950摄氏度之后，再保压成形，就成加工出形状复杂的结构件。

零件从热成形压力机出来之后，迅速降温变硬，屈服强度达1000MPa以上，如果像普通冲压那样，用压力机来对高强材料切边和冲孔，就需要非常昂贵的大吨位压力机，以及同样很贵而且容易损坏的模具，而且零件侧面的孔根本没有办法冲出来。对于激光这样的非接触式加工而言，切高强钢和切普通钢没有差别。

最初人们设计机器人携带激光切割或者等离子切割头加工，但是加工精度和加工效率不能满足汽车行业的要求。

所以，汽车行业热冲完成之后，将零件冷却、堆垛，再运到三维五轴激光切割机上切边和任意面的切孔是最优的解决方案。三维就是立体的意思，五轴是指X/Y轴横梁移动，Z轴上下移动，C轴N*360°无限旋转，承载激光切割头的B摆动轴左右±135°摆动，可以对零件进行任意角度、高效、精确地切割。

一台热成形压力机需要4～5台三维五轴激光切割机配套，据热成形产业联盟的统计和业内专家估计，2022年，中国从事热成形的企业200多家，大约对应170多条热成形生产线，以及800多台三维五轴激光切割机的保有量，能满足大约800万乘用车和商用车的需求。业内实际热成形产线数量应该比上述统计的多一些，此外航天航空、健身器材、模具加工、工程机械、钢结构建筑等行业切割异形零件时都能用到，这些行业的需求还没有充分释放出来。

前些年，汽车行业的三维五轴激光切割机基本为外商垄断，价格高，交货期长，而且使用和维护成本高。但是近十年来，这块堡垒也被宏山激光和少数友商攻克，替代了部分进口，并且扩展了汽车行业之外的行业应用场景，将原本要在不同机床上完成的多道钻孔、坡口、切边等工序在一台三维五轴激光切割机上完成。

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三维五轴激光切割机是一家激光切割设备企业实力的象征，它的难点在哪里？

宏山激光

宏山激光：在业内，三维五轴激光切割机号称是行业皇冠上的明珠，热成形冲压件的结构多曲面，有很多加强筋，涉及大量的转角切割，切割头需要随时360度高速调整，与曲面垂直，保持聚焦点高功率加工。还要防止切割头与零件变形反弹部分，以及各种工装夹具碰撞，还要针对热成形件冷却后特有的变形产生的误差进行切割修正，防止挂渣、过烧等加工难题，难度比平面切割、方管或者圆管的三维切割要高出几个数量级。

除了对机床的软件和硬件有很高的要求，然后就是对切割工艺要求也很高，不同的零件，不同厂家有不同的工艺设计，需要激光切割机厂家做大量的研究，积累加工数据，找出最优方案。

宏山激光的三维五轴激光切割机是和日本发那科合作生产的。发那科是CNC三维五轴金切机床和激光加工机的数控系统行业巨头，拥有上百万台机床的数控业绩，在汽车行业保有数量最多的六轴以上的工业机器人，对汽车零部件的切割和机加工积攒了大量的数据和经验。发那科开发的三维五轴的数控系统和伺服驱动系统，很快帮助宏山激光实现三维五轴激光切割机的技术突破。

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宏山激光的三维五轴激光切割机有哪些特点和优势？

宏山激光

宏山激光：宏山激光CELL3015G和CELL3525系列的三维五轴激光切割机一体式床身设计、CAE受力分析、机构化优化设计，稳定性高、精度高。

核心优势首先是宏山激光自主研发了五轴联动的LA5智能切割头，涉及复杂的光路、水路、气路、电信号通路的安排，需要解决不同管道的密封性和切割头的散热问题。LA5采用了特制密封材料，经过上千小时测试和分析，具有高动态密封和使用寿命；散热进行了电脑模拟优化；切割头的结构轻量化设计，自重和高速度动态平衡，达到了激光切割应用行业的一流标准，是自主研发成功的三维五轴切割头产品。可实现N*360°旋转及±135°摆动,从一个平面旋转到另一个平面。空运行速度170m/min；旋转工作台一侧用于切割零件，另外一侧用于摆放待切割件和取下切割成品，一个单次旋转时间小于3s。切割头旋转时，焦点位置始终一致，如同死死钉在虚空之中。

LA5细长的喷嘴部件设计、保障市场上绝大部分三维件的切割需求， HSG独特的光学设计，光学特性稳定，可靠性高，可靠的气道设计与仿真，保证切割质量，360度防碰撞设计，保护贵重部件在三维切割中因碰撞可能导致的损坏。

第二个优势就是使用发那科研发的三维五轴激光数控系统，最大控制轴数32，最大联动轴数 5轴及以上，最多控制路径是4个，最多连激光器数量是3个，完全可以满足任何形状的零件的切割。

系统的激光功能群包括飞行切割，能将最大位置偏差缩小到焦斑直径范围内，保持有效的高功率输出；W轴&Z轴随动功能【随时调整切割角度，补偿随动引起的TCP（Tool Center Point，切割头的尖头）的点位偏移量】；功率控制（针对刀尖点速度，把速度和功率进行匹配，防止拐角点和尖角点过烧）；功率/辅助气体/随动非线性标定（气体随功率变化随时调整，切割质量更好），还有快速无感穿孔、三维圆弧插补技术等。

发那科的运动控制特点业内独树一帜，独有的六轴TCP控制技术在异形管材加工领域广泛应用，自动补偿切割头指令，能让切割路径更连贯平顺，减少切割头姿势的变动，使旋转轴动作更平滑，提高曲面覆盖件和结构件的切割品质；另外三维工件实际摆放时，会出现一定的位置偏差，工件位置设置补偿可以自动校正，减少人工校正时间。

在应用端，FANUC CNC与伺服控制技术及激光控制的集成，与伺服控制高度同步的激光输出指令，使用极坐标插补指令，激光输出指令与伺服控制完全同步支持120m/min的激光加工速度，高速响应的激光功率控制功能和高速响应的随动控制支撑光纤激光高速加工。