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激光切割技术在液压支架中的应用

2023-10-27 68 上传者：管理员

摘要：激光切割技术科学、高效应用是现代机械制造过程中的重要内容,直接关系到机械制造生产质量、效率和成本。结合激光切割技术原理和切割特性，详细阐述了激光切割技术在液压支架中的应用,旨在为同行业提供科学的参考意见。

关键词：
切割特性
应用
机械制造
液压支架
激光切割技术
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液压支架是煤矿综采工作面的关键设备，起巷道支撑、工作面支护等重要作用，同时防止煤块、矸石掉落到回采工作面和刮板输送机上，为顺利开采提供安全保障。其主体部分的箱体结构件主要由顶板、主肋板、加强板、横肋板、盖板、耳板、边封板等钢板类零件拼焊而成，零件切割技术对其生产质量、效率和成本起着决定性作用。

液压支架板件切割大多采用火焰切割、等离子弧切割，因变形量大、切割面质量差、尺寸精度不能满足工艺要求等原因，大部分零件切割后需要进行矫平、铣边、粗精镗、钻孔等工序，零件加工工序多、难度大、成本高，制造周期长。

激光切割技术发展迅猛，每年正以15%～20%速度增长，逐渐向各个领域迈进，得到了各行业极大的关注。

1、激光切割技术原理

激光切割是利用经聚焦的高功率、高能量密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，形成切缝，达到切割零件的目的。激光切割主要有控制断裂切割、熔化切割、氧助熔化切割、气化切割4类常见切割方式。

激光与其他光相比，具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性。因此激光切割具有切割质量好、切割范围广、热影响区小、切割速度快、切缝窄、加工柔性大等优势，得到了广泛应用。

2、激光切割技术在液压支架中的应用

(1）切割精度高，后续加工量小

激光切割是一种功率密度可达106～107W/cm2的高能量密度的热加工方式，聚焦后的光斑直径一般为准0.1～0.5 mm，因此激光切割的切缝较窄，且切口光滑平整，无毛刺，粗糙度一般为Ra12.5～25，尺寸精度高，中心孔距误差为0.1～0.4 mm，板件轮廓误差为0.1～0.5 mm，定位精度0.05 mm，重复定位精度0.02 mm，这些精度基本达到钻孔、镗孔、铣边等工序粗加工后的精度要求。近年来，液压支架生产企业已研究并实现主肋板类、肋板类、耳板类等板件的激光切割工艺，部分板件已取消钻孔、镗孔、铣边等加工工序，部分零件激光切割作为最后一道工序，不再机械加工，直接拼装焊接，缩短了液压支架制造周期，降低了制造成本。

(2）零件间距值小，板材利用率高

2007年之前，国内没有万瓦级功率的的激光切割设备，功率不高意味着激光切割存在厚度上的应用限制。近年来市场上陆续出现12 k W、15 k W、20 k W、30 k W、40 k W、50 k W、60 k W功率激光切割机，这些万瓦级功率激光切割机已能完成对液压支架中厚板（厚度t≤40 mm）的切割，逐渐进入液压支架应用领域。目前液压支架板件切割有火焰切割、等离子弧切割、激光切割3种主要切割方式，结合近年来切割生产经验，3种切割方式排布板件较为合理的零件间距标准如表1所示。

表1 液压支架3种切割方式零件间距标准（mm)

由表1可见，激光切割各种厚度板件，零件间距都最小，与火焰切割和等离子弧切割相比，单张钢板能多出更多的板件，板材利用率比火焰切割以及等离子弧切割高3%以上。统计数据表明，液压支架结构件中厚板占板件总数量的62%，每月切割液压支架板件5万t，厚度不大于40 mm的板件全部使用激光切割，钢板价格平均按5 000元/t计算，对比使用火焰切割及等离子弧切割，每月可节省钢板成本465万元左右。

(3）共边切割技术适用板件范围广

传统的共边切割是指排布板件时将具有相同长度、相同角度、相同斜率或者相同曲率的板件排列在一起，在生成切割指令时对这些板件外轮廓的公共边部分只进行一次切割，减少穿孔次数，减少切割路径，从而节省成本，提高切割效率。激光聚焦后的光斑直径小，割缝窄，能够有效切割各种复杂板件，不仅能对具有相同长度、相同角度、相同斜率或者相同曲率的规则板件共边切割，还能对槽类等不规则板件共边切割，相比火焰切割和等离子弧切割，激光切割扩大了共边切割技术的应用范围，无论板件是否等长或平直，只要有重合轮廓，均可进行共边切割。

激光切割能适用C型共边、CCD型共边、L型共边等各种较复杂共边切割技术，也能通过几种切割技术相结合，达到几件板件或多件板件外轮廓只穿孔一次的“一刀切”，形成钢板切割后除剩余4个钢板边废料外几乎没有废料的、现阶段流行的“零废料”切割方式。从而在不改变液压支架板件切割质量及板件外形轮廓的前提下，使板材利用率最高。

(4）热影响区小，板件变形小

利用化学反应能、电能和光能的切割法在切割时都伴有热过程，一般都称为热切割法。激光切割、等离子弧切割、火焰切割都是热切割。火焰切割时板件的受热量最多，激光切割时最少。通常，材料所吸收的热越多，热影响区的宽度就越大，这就意味着切割导致材料的变形也越大。在液压支架板件切割过程中，为了获得小的零件变形，就要设法减少热影响区的宽度。激光切割热影响区小，非常适用液压支架中厚板的切割。

火焰切割或等离子弧切割在切割液压支架细长板件时，因变形量大、立弯严重，经常采用反变形、断开下料、增加加工余量、增加铣边工序、上翘、机械矫正、火焰矫正等措施，影响了制造周期，增加了大量制造费用。而使用激光切割，切割过程无刀具磨损，无切削力作用于板件，板件之间无挤压变形，热影响区小，板件变形小，在保证了液压支架板件拼装、焊接一致性的同时，既缩短制造周期又不会增加制造费用。

(5）切割速度快，切割效率高

激光切割区割缝窄，割除区域材料热容量小，同时激光能量密度和能量利用率高，因此切割速度快。激光切割速度跟切割机功率、切割气体等因素相关，目前液压支架领域应用较多的是15 k W和20 k W、切割气体为O2的激光切割。360 A等离子弧切割、火焰切割及切割气体为O2的15 k W功率激光氧助熔化切割3种切割方式切割速度对比如表2所示。

表2 液压支架3种切割方式切割速度对比

由表2可见，在液压支架中厚板切割中，激光切割速度是火焰切割的4～5倍，没有等离子弧切割速度快，但是凭借工作时设备稳定、后期维护成本低以及其他方面优势，逐渐成为液压支架中厚板件主流切割方式，且越来越向智能化、产线化方向发展。

(6）助力智能制造

激光机床数控系统基于Windows操作平台，含32位微处理器、以太网通信接口，数据开放，设备互联互通，支持数据交互以及远程管控。2006年之前国外已有各种各样的激光切割单元供应市场，并有由6台大型激光切割机为核心组成的无人化切割生产线在工厂运行。目前我国在液压支架应用领域正把以激光切割机为核心的智能切割生产线与其他各个产线中央控制系统、MES系统等纵向、横向、端到端集成，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，从而建立基于工业大数据和互联网的智能工厂。激光切割技术因其各方面的优势，助力了智能工厂的建立。

3、结语

激光切割各方面优势突出，随着技术越来越成熟，在液压支架领域应用将会越来越广泛，将为企业带来更可观的经济效益。因此广大企业要加强对激光切割技术的深入研究和应用，最大程度地发挥其实际作用，促进我国煤机装备制造业快速转型升级。

参考文献:

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文章来源:裴守魁,陈义新,银升超.激光切割技术在液压支架中的应用[J].煤矿机械,2023,44(11):158-159.