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【CCMT2024展品評述】
部分激光加工及增材制造展品評述
【編者按】CCMT2024（第十三屆中國數(shù)控機床展覽會）已于4月12日圓滿落幕。展會期間，主辦方中國機床工具工業(yè)協(xié)會有關分會組織人員針對本專業(yè)領域展品進行評述，現(xiàn)編發(fā)部分文章，供業(yè)界參考。文章觀點僅代表作者本人。
在CCMT2024展會，參展的激光加工及增材制造機床企業(yè)近30家，涉及展品近50臺。整體來看，國產激光產業(yè)的發(fā)展越來越有活力，自主研發(fā)激光工藝軟件和CAM軟件逐漸成為主流，光纖激光器功率技術與相配的光學元器件技術不斷取得突破，激光加工裝備的工藝能力、光機電協(xié)同控制、模塊化和智能化不斷進步，特別是大功率激光加工裝備的發(fā)展勢頭喜人。激光加工裝備正在向自動化、智能化、定制化方向發(fā)展。
一、激光切割機床
隨著超快激光器的快速發(fā)展，激光切割機床可對難加工材料如陶瓷、藍寶石和玻璃等進行高精度加工，擴展了激光切割在微電子和消費電子行業(yè)的應用。三維激光切割機和超大功率激光切割機的出現(xiàn)，部分替代了傳統(tǒng)的火焰切割、等離子切割、高壓水切割等切割工藝。
從本屆展會激光切割機床的技術參數(shù)和技術特點來看，高動態(tài)特性和萬瓦級激光器成為激光切割機床的標配，智能化成為激光切割機的發(fā)展趨勢。大功率激光切割在切割速度、應用成本、能量轉換效率、材料適應性等方面具備綜合優(yōu)勢，本屆展會展出的激光切割設備普遍配置了20kW/30kW/40kW級激光器，部分切割機可配置80kW激光器。得益于先進的結構形式與新材料的應用，激光切割機床普遍采用直驅直聯(lián)的驅動方式，在動態(tài)特性方面表現(xiàn)優(yōu)異，機床可實現(xiàn)較高的轉速、線速度、加速度以及高頻動作，從而進一步提高加工效率。
大族激光智能裝備集團有限公司的G6025HF高速激光切割機，最高可選配80kW激光器，與50kW、60kW激光器相比，在切割厚度、效率、精度等方面大幅提升。Mix-M混氣高質量切割20-40mm碳鋼，80kW相較60kW的切割速度提升20-50%；氮氣切割30mm以上不銹鋼厚板，80kW相較60kW切割速度平均提升50%以上。機床加工幅面為4000mm×2000mm、工作臺最大承重7000kg；機床采用中空一體床身結構的設計，可以最大限度地規(guī)避超高功率受熱變形風險，滿足超高功率使用要求；可實現(xiàn)最大加速度2.5G，160m/min的定位速度，±0.03mm/m和±0.02mm/m的定位精度和重復定位精度；使用自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，插補周期小于0.25ms；配置完整的萬瓦級切割專家工藝數(shù)據(jù)庫，擁有零秒穿孔、厚板穩(wěn)定切割、低氣壓切割、潔凈切割等多種獨特工藝技術。
圖1 大族激光G6025HF超高功率激光切割機
廣東宏石激光技術股份有限公司的GV領航款G6025H全直驅激光切割機，可配激光器功率范圍為6-60kW、加工幅面4064mm×2040mm、工作臺最大載重約5000kg；X、Y、Z軸采用直線電機驅動，全閉環(huán)控制，最大聯(lián)動速度300m/min，最大聯(lián)動加速度6G，可實現(xiàn)±0.01mm的定位精度；設備集成自動更換噴嘴、視覺尋邊、視覺余料、自動上下料和料庫等模塊提升了設備的柔性和智能化水平。
圖2 宏山激光G6025H激光切割機
奔騰激光（浙江）BOLT Ⅶ 6025激光切割機，可選配2-60kW激光器，碳鋼板最大切割厚度30mm，加工幅面為6000mm×2500mm，機械定位精度為0.06-0.08mm，重復定位精度為0.02mm；機床采用龍門移動式結構，運動系統(tǒng)部分與承載交換工作臺分離，提高了機床的動態(tài)性能；采用直線電機驅動，X軸與Y軸最大加速度4G，X軸與Y軸最大聯(lián)動速度160m/min；BOLT系列激光切割機配備PENTA超級切割頭，可實現(xiàn)超速省氣切割、超凈切割、坡口切割、超快切割、無渣快速穿孔、精密零件切割；配置全新SM控制軟件，集成云服務與遠程運維系統(tǒng)，提升了設備的智能化水平。
圖3 奔騰激光BOLT Ⅶ 6025激光切割機
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展進步，航空航天、汽車制造、電子產品等領域三維自由曲面切割需求不斷涌現(xiàn)，對激光切割設備的曲面加工能力提出了新的要求，三維五軸激光切割機應運而生。
華工激光SF系列三維五軸激光切割智能裝備，適用于汽車熱成形件、金屬曲面、管件等異形件的三維加工和高精度切割，切割精度高、速度快、運行穩(wěn)定，可完美解決金屬曲面切孔及修邊等問題。該系列機床有多種加工幅面，并可根據(jù)客戶需求選擇旋轉式?平移式或固定工作臺；配備全功能高可靠性數(shù)控系統(tǒng)與自主研發(fā)的高性能輕量化切割頭，兼容焊接頭和切割頭可自由切換，極大提高了裝備的柔性；集成自主研發(fā)的CAM軟件，支持離線編程與在線修改；激光工藝軟件，配置強大的專家激光工藝數(shù)據(jù)庫，兼容焊接切割兩種模式，可實現(xiàn)各種金屬工件三維焊接與切割問題；采用龍門雙驅結構，穩(wěn)定性高，可保證長期高速、高精穩(wěn)定加工，X/Y/Z軸定位精度和重復定位精度可達±0.05mm和±0.03mm，A/C軸定位精度和重復定位精度分別為0.03o和0.01°；采用四位一體智能化遠程運維系統(tǒng)，實現(xiàn)設備監(jiān)控服務、售后服務管理、常規(guī)保養(yǎng)和健康保障一體化管理操作；設備的拓展性較強，支持焊接、視覺檢測、自動上下料等輔助功能的拓展，用戶可根據(jù)實際生成需求進行選配。
圖4 華工激光AUTOBOT3015
二、管材激光切割機床
管材激光切割機專用于圓管、方管的切割，從眾多展品的技術參數(shù)和技術特點來看，加工精度不斷提高，模塊化、自動化、智能化方面進步斐然，針對管材切割應用場景，開發(fā)高柔性的半自動/全自動上料模塊、半自動/全自動下料模塊、伺服托料模塊、生產監(jiān)控模塊、上下游數(shù)據(jù)交換模塊、管材內壁除渣模塊，并可根據(jù)客戶要求定制全自動管材切割產線。
濟南邦德激光股份有限公司四卡盤M系列產品，可以針對圓管、方管、矩形管、槽鋼、角鋼、工字鋼等進行激光切割加工；采用四卡盤結構，能實現(xiàn)雙工序并行加工和零尾料加工；坡口角度和坡口形式可控，坡口角度范圍±45°，坡口形式包括V型、Y型、X型、K型等；可切割管材壁厚最高可達20mm，可加工管材最大長度為12000mm，管材最大重量為3000kg，最大落料長度12000mm；集成視覺防撞功能，確保下料安全，規(guī)避人身傷害風險；上料下料側均排布伺服隨動托輥，并附有對中裝置，有效解決管材下垂和甩動帶來的切割精度不良問題；集成智能制造生產管理軟件和氣壓智能控制模塊，工作時全程無須人工干預；控制軟件集成高質量切割工藝包、視覺一秒尋邊、無極穿孔模塊，進一步提升機床的工藝范圍和切割工藝質量。
圖5 邦德激光M系列管材激光切割機
江蘇亞威機床股份有限公司的YTF激光切管機，加工范圍為圓管直徑50-560mm，方管尺寸50-400mm，卡盤夾持管材重量為1600kg，定位精度±0.05mm，重復定位精度±0.03mm；機床選用側掛式床身，方便搭配自動上下料結構，有利于各種管材的平行進出料；三卡盤設計，可實現(xiàn)零尾料加工；搭配擺動切割頭，可實現(xiàn)管材的坡口切割；自動化配套，可提高整體加工效率，特別是滿足超長管、重型管、大口徑管材的安全高效上下料。
圖6 亞威YTFD3-12050-6kW激光切管機
隨著近年來國內工業(yè)智能化以及加工精密化發(fā)展趨勢不斷攀升，國內金屬切割機市場滲透率不斷提高、應用領域不斷擴展，行業(yè)發(fā)展前景較好。未來隨著國內新能源汽車、航空航天、軌道交通等高附加值工業(yè)不斷發(fā)展，國內高功率激光切割機市場需求將不斷增加，激光切割機行業(yè)將朝著大幅面、高功率、高效率、高智能化趨勢不斷發(fā)展，行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>
三、激光精密加工機床
隨著超快激光技術的發(fā)展和進步，皮秒、飛秒等超快激光加工，憑借其超越衍射極限的加工精度和極高能量密度等特點，在硬質合金、金剛石、陶瓷、藍寶石、半導體材料及各種纖維復合材料等難加工材料的高精度、高效率加工中占有越來越重要的地位，在醫(yī)學、微納加工和航空航天等領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力，如超快激光制備微流道在微納米尺度空間中精確控制流體，可應用于癌癥早期診斷和預防、藥物合成分析、藥物篩選遞送等，助力藥物開發(fā)；超快激光制備功能材料，結合功能材料的設計，實現(xiàn)具有抗菌、自清潔或增強光吸收的功能表面；超快激光制備抗反射微納結構，提高航空航天部件的電磁載荷、熱控、推進性能。這些技術的發(fā)展不僅對制造業(yè)產生了深遠影響，也為科學交叉應用提供了新的工具和方法，展現(xiàn)了其在未來發(fā)展中的巨大潛力和價值。本屆展會中，廣東原點智能、深圳牧激、南京中科煜宸、SYNOVA（禧諾法）和北京安德建奇等廠家展示了一系列超快激光精密加工機床，GF、中科微精等廠家展出許多超快激光精密加工樣品，充分展現(xiàn)了超快激光加工的應用潛力。
1．水導激光加工機床
水導激光加工通過將大功率脈沖激光束耦合到水射流之中后作用于工件表面進行加工，在保證加工精度的同時無需進行激光聚焦和距離控制。水導激光加工適用于無錐度孔的制備，水射流的存在降低了脈沖激光加工對材料的熱損傷，提高了切割邊緣的均勻性，有效防止激光燒蝕后熔融物附著在加工表面。水導激光加工機床的核心技術在于水射流水柱的直徑和長度。近年來，水導激光加工機床應用領域逐步向精密精工領域靠攏，水柱的直徑不斷縮小，水柱的長度不管增加，光路同步控制性能不斷增強，市場上水導激光機床制備微孔、深孔的能力不斷提升，配合運動控制可實現(xiàn)任意錐度制孔。
南京中科煜宸激光技術有限公司的RJ305水導激光加工機床，X/Y/Z軸行程分別為350/430/350mm，A軸行程-120~+20°，C軸行程n×360°，工作容積（H×Φ）為260×Φ260mm；機床采用直驅電機驅動、高精密傳動部件、亞微米級光柵尺以及大理石鑄造礦物床身，X/Y/Z軸的定位精度和重復定位精度分別可以達到5μm和3μm（ISO測試標準）；數(shù)控系統(tǒng)采用國產華中848五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，集成了全自動偏移校準系統(tǒng)，可實現(xiàn)激光噴嘴校準、自動射流角度校正。噴嘴的最小直徑為50μm，切割面光滑，切割邊緣Ra≤0.2，可實現(xiàn)無錐度制孔，加工精度為±0.005mm。該系列水導激光機床解決了干式激光器加工過程中熱損傷、微裂紋、碎屑沉積、錐度和精度不足等問題。同時專為自動生產大尺寸刀具、多齒金剛石刀具以及其他3D加工而設計了激光微射流LMJ加工系統(tǒng)。
圖7 中科煜宸RJ305水導激光加工機床
2. 五軸超快激光加工機床
為滿足三維異形構件日益增長的加工需求，此類機床融合五軸聯(lián)動機床與超快激光加工系統(tǒng)，可在發(fā)揮超快激光精密加工能力的基礎上保證加工范圍，實現(xiàn)曲面、復雜型面零部件的鉆孔、焊接、切割、微結構加工和紋理加工。從展品的應用場景來看，刀具加工是五軸超快激光設備的主要應用方向，五軸聯(lián)動加工系統(tǒng)與超快激光加工系統(tǒng)的集成、專用CAM軟件和面向不同應用場景的功能模塊開發(fā)，是各個廠家相關機床開發(fā)的技術高地。
深圳市牧激科技有限公司530DH超精密雙激光五軸加工機床，集成雙激光加工系統(tǒng)，可一次性實現(xiàn)超硬刀具的粗加工和精加工，提高加工效率；最大加工刀具尺寸為長度615mm、直徑300mm，最小加工刀具直徑為0.3mm，可加工PCD、PDC、CBN、PCBN、MCD、CVD刀具/刀片；機床的床身采用天然花崗巖，X、Y、B、C軸采用直驅技術，全閉環(huán)控制，X/Y/Z軸的定位精度為0.002mm，B軸定位精度3″，C軸定位精度6″；加工刀具尺寸精度為±0.005mm，輪廓精度為0.005mm。該公司的系列超快激光加工機床配置自主研發(fā)加工軟件，集成銑刀、車床、銑磨頭、斷削槽、微銑刀圓弧后刀面加工等功能，可實現(xiàn)刀具裝夾誤差以及PCD等焊接變形刀具切削路徑補償；集成在線檢測，樣刀數(shù)據(jù)庫，4K監(jiān)視模塊。
圖8 深圳牧激530DH超精密五軸雙激光刀具加工機床
廣東原點智能技術有限公司Light 5X 60V超硬刀具加工機床，針對超硬材料、硬質合金、超硬涂層和陶瓷刀具的復雜輪廓高精度加工，X/Y/Z行程為600/250/300mm，加工最大刀具直徑200mm，最大刀具長度為350mm；天然大理石床身，直線軸和旋轉軸應用直驅技術，X/Y/Z軸的定位精度和重復定位精度分別為5μm和3μm，B/C軸的定位精度和重復定位精度分別為10″和5″；光路采用模塊化設計，并配置CCD定位相機和探針；CAM加工軟件和數(shù)控系統(tǒng)深度融合，可實現(xiàn)復雜結構刀具端刃和側刃之間的平滑過渡連接以及輪廓間的圓弧過渡連接；可實現(xiàn)整體PCD微刃刀等復雜型面結構和難加工材料的高質、高效加工；刀具加工后可達到輪廓度≤0.005mm，表面粗糙度Ra＜0.3，最大加工刃數(shù)達到180刃，最小切削刃寬度0.01mm，相較傳統(tǒng)加工工藝，總體加工效率大幅提升。
圖9 原點智能Light
5X 60V超硬刀具加工機床
北京安德建奇數(shù)字設備股份有限公司CL2-400激光刀具加工機，是一款專業(yè)應用于超硬材料刀具復雜輪廓高效及精密加工的機床，采用龍門式結構和礦物質床身，X/Y/Z軸行程為300/400/300mm，定位精度為0.002mm，A、B兩個旋轉軸均采用力矩電機直驅+高分辨率圓光柵閉環(huán)控制方式，定位精度為3″，滿足最大直徑Φ280mm、最大長度350mm刀具上任意角度和復雜形狀刀齒的精密加工，刀具加工尺寸精度≤±0.004mm，刀具刃口崩口＜0.002mm；數(shù)控系統(tǒng)集成專業(yè)的刀具管理模塊，設置了多種不同類型刀具的自動編程與加工工藝庫，方便了微銑刀、鉸刀、內套刀、臺階刀、預銑刀等刀具的加工應用，系統(tǒng)搭載高精度CCD定位相機與高精度探針，實現(xiàn)刀具在線精密檢測與加工狀況實時有效監(jiān)控。
圖10 北京安德建奇CL2-400激光刀具加工機床
四、激光增材制造機床
激光增材制造技術為輕量化、超強韌、耐極端載荷、超強散熱等新型結構制造提供了新的解決方案，受益于其加工特性，激光增材制造機床備受制造業(yè)青睞。通過了解本屆展會的激光增材制造展品，發(fā)現(xiàn)激光選區(qū)熔化技術（SLM）仍是主流增材制造技術，集成更多的激光光束與智能化監(jiān)測控制系統(tǒng)成為激光增材制造機床的發(fā)展趨勢。采用多光束技術提高了工件成形速度，增加了材料沉積率，改善了表面質量。實時檢測系統(tǒng)可對成形過程中的缺陷、溫度變化和材料性能進行實時監(jiān)測，有助于提升產品質量和一致性。
寧波海天精工股份有限公司C400M激光增材制造機床，配置四臺500W或1000W光纖激光器，集成自動切換并聯(lián)雙中效反吹過濾、參數(shù)自檢測等功能，最大掃描速度7m/s、成型速率100cm3/h、鋪粉層厚為0.02-0.12mm，可實現(xiàn)模具鋼、不銹鋼、鋁合金、高溫合金和鈦合金等材料的加工。該機床配置自主研發(fā)的HTPrinter、HTCamera1等工藝軟件及質量監(jiān)測軟件，可實現(xiàn)24h無人化值守的高效生產。在無支撐SLM增材制造方面，該機床配置集成式SLM無支撐模塊系統(tǒng)，可作為工藝流程環(huán)節(jié)內置于加工軟件中，用戶可以選擇五種以上的無支撐成形方案，包括常見的跳掃方案等，且每種方案均可適用于不同的成形材料，某些特定材料最小實現(xiàn)角度已達到5°-7°。
圖11海天精工C400M激光增材制造機床
激光增材制造技術從宏觀到微觀層面充分發(fā)揮構件優(yōu)化設計優(yōu)勢，進一步促進了多尺度結構、復雜內部結構設計在航空航天和高端裝備等領域的應用。在智能制造、高質量發(fā)展的大背景下，工業(yè)領域將從傳統(tǒng)制造向高端制造轉型，激光及增材制造等特種加工裝備將獲得更為廣泛的應用，前景廣闊。
（來源：協(xié)會特種加工機床分會展品評述組 責編：張芳麗）
