张炳生
中恒数控设备制造有限公司

高能束加工的概念

高能束加工出现于上世纪60 ～70 年代，以解决复杂形状、薄壁、小孔、窄缝等特殊加工问题以及高强度、高硬度、高韧性和高脆性材料的加工。利用以光量子、电子、等离子体为能量载体的高能量密度束流对材料和构件进行加工，将光、电、磁、水等物理能及化学能或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能。高能束加工去除材料的机理主要不是依靠机械能，工件和工具都不承受明显的切削力，从而使得工件的加工变形和加工应力小，整体发热少、热变形小，易于获得好的加工质量。在机械制造领域，应用比较广泛而有发展前景的高能束加工主要有两种：激光加工和离子束加工。

图1 LaserTec 80 系列激光加工机床的外观

激光是一种受激辐射而得到的加强光。由于其强度高、亮度大，波长频率确定、单色性好，相干性好、相干长度长，方向性好、几乎是一束平行光，聚焦后能够将能量集中在一点。当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个锥孔。将激光束聚焦于工件的不同深度就形成不同的激光加工工艺，如热处理、标记和纹理等表面加工、焊接、切割、打孔和铣削等。

离子束加工是在真空条件下，先由电子枪产生电子束，再引入已抽成真空且充满隋性气体（氩气）的电离室中，使隋性气体离子化，由负极引出阳离子，又经加速、集束等步骤，将获得具有一定速度的离子投射到材料表面（或被导入的高硬度金属粉末）上，产生溅射效应和注入效应。由于离子带正电荷，其质量比电子大数千到数万倍，所以离子束比电子束具有更大的撞击动能，产生非常高的温度效应（30 000˚K）。因此，离子束加工的实质是靠微观撞击能量来实现的。

激光加工设备和工艺

激光加工包括激光板材切割、复杂零件的打孔和铣削。激光板材切割应用最为广泛，但设备和工艺相对简单，由于篇幅所限，不多累述。本文将着重介绍设备和工艺更为复杂的激光加工。

德国德马吉公司LASERTEC 80 系列激光加工机床的外观如图1 所示，从图中可见，十字滑鞍在床身上实现X 和Y 轴的移动，激光头沿Z 轴方向移动，在滑鞍上可配置回转工作台和摆动分度头，以扩展为4 轴或5 轴加工。X 和Y 轴采用直线电动机驱动，移动速度高达120 m/min，加速度1.2 g。A 轴和B 轴则采用力矩电动机直接驱动。

根据需要，可选用300 W 或500 W 的Nd ：YAG 激光器。借助于不同功率的激光器，最小切缝宽度或加工孔径为0.005 mm，最大零件厚度可至20 mm。喷嘴与工件的距离自动调节，使激光束具有短且连续的光学路径，确保最佳的加工参数。借助CCD 摄像头快速定位，而自动测头能够将工件的准确位置导入数控程序。通过集成化的模拟软件，能够避免激光头与工件可能发生的碰撞。

LASERTEC 80 共有3 种不同机型：FineCutting，PowerDrill 和PowerSharp，分别用于激光三维精密切割、激光打孔和激光加工异形孔，为不同用途零件的激光加工开辟了新途径。例如，汽轮机叶片的冷却孔加工长期以来都是一个难题，分布在叶片三维曲面上的冷却孔数量多，孔径小，且难于装夹定位。LASERTEC 80PowerDrill 是针对汽轮机叶片和燃气轮机的其他部件的激光精密打孔设计的，加工实况如图2 所示。

图2 在叶片上激光打孔

激光焊接设备和工艺

激光焊接在工件连接领域的意义日益重要。通过激光焊接连接的组件结构往往比较紧凑，重量轻，造价低。这种优点在汽车制造业中表现更为明显，因为重量轻会带来油耗低的优点。因此在汽车零部件制造中，许多工件通过切削加工后，还要接合并通过激光焊接成总成件。激光焊接的优点是：①功率密度高；②工艺速度快；③产生的热量低、零件变形小；④工艺过程可靠。

德国EMAG 公司的ELC 250 DUO 是专为汽车零部件加工设计的紧凑型激光焊接设备，其主要结构如图3 所示。 加工工位、激光头、激光冷却机组、电控柜和外围设备全部安装在一个机架上。 这种紧凑结构的优点是：精度高、长时稳定性能好、安装时间短、而且激光焊接装置移置方便，所以能根据生产条件的变化进行快速调整。

ELC250 DUO 是双主轴设备。一个主轴在焊接时另一个主轴将焊接好的组件下料，同时为下一个焊接上料并夹紧工件。 激光焊接头在两个工位之间切换，使激光头获得最佳利用，从而提高设备的效率。

ELC 型激光焊接机用扩散法冷却的CO2 激光，其优点是聚焦性能佳，结构紧凑，能耗、激光头消耗和维护费用低廉。由于该激光器的聚焦性能极佳，焊缝的几何尺寸能完全与工件的要求相匹配。用扩散法冷却的激光系统运营成本低，而且激光消耗特少，可采用瓶装预混合激光气提供气源。

变速箱制造是激光焊接应用越来越多的领域之一。轿车变速箱中使用的差速器壳和驱动轴等，经常是单个零件生产完毕后，再互相接合并焊接，如图4 所示。这种方法制造的变速箱结构紧凑，已获得越来越广泛的应用。

离子束加工

玻璃瓶通常是包装物或日用器皿，为了美观其外观形状往往由复杂曲面构成。我国吹制玻璃瓶的模具年消费量和出口量非常可观。中恒数控设备制造有限公司承接了为模具行业研制等离子喷焊机的项目。该类模具的材料通常为HT300 铸铁，在吹玻璃瓶时极易产生熔蚀现象，尤其是两个半合模的分模线最易熔蚀，成为模具寿命的关键。

中恒公司在充分研究玻璃瓶模特征及焊接工艺的基础上，研制成功了VHK320 型数控等离子喷焊机，其外观如图5 所示。从图中可见，焊接料筒及喷嘴固定在立柱的前方滑板上，可作纵向（X轴）、横向（Y 轴）和垂直方向（Z 轴）的直线运动，这3 个轴均由滚动直线导轨导向，交流伺服电动机—滚珠丝杠驱动。移动速度可在0.1mm/min至30 m/min 范围内调节。工件安装在前床身的两个回转轴（A 轴和B 轴）上，这两个回转轴均可作±90˚ 的连续分度回转，任意位置锁定。

此外，考虑到焊接工艺的特点，为保证焊缝的宽度及曲面喷涂，又在立柱的垂向滑板上配置了两个相互垂直的摆动轴，喷嘴可沿X 轴和Y 轴高速摆动。因此本机床总共有7 个控制轴可同时工作，其中5 轴联动，两个附加摆动轴。

数控等离子喷焊机的研制成功完全替代了进口产品。其价格为仅为进口机床价格的25% 左右。手工焊机相比，数控等离子喷焊机可节省30%的焊粉，以中等规模模具厂年产5 万套玻璃瓶模具计，可节省合金焊粉15 t，每台喷焊机可节约人工工时8500 h，璃瓶模具的吹制寿命从3 万件提高到10 万件以上。本项技术已移植到复杂表面的激光焊接、激光表面处理等设备，应用前景广阔。

高能束加工出现仅30 余年，已发展到适应高精密、超薄材料、超硬材料、和复杂形状零件的加工技术，有力地推动了兵器、汽车、船泊、航天以及民用制造业的发展，成为机床行业的一个新兴发展方向，从中可以获得诸多启迪：

（1）应该重视非传统的、隐现的新技术，并使之逐渐精化、提高和推广。

（2）各种技术的集成是产品创新的重要途径。将传统的工艺方法与现代制造技术集成于一体，或将物理、化学、电子、机械和软件集成于一体，形成崭新概念的机床，满足制造业新需求，是我国机床产业转型升级的重要捷径。

（3）针对客户需求，开发专用数控机床和工艺软件，为客户创造更多价值，应成为机床制造商的新理念和新模式。

图5 VHK320 型数控等离子喷焊机及模具