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CIMT2023部分激光加工类机床展品评述





 

【编者按】CIMT2023(第十八届中国国际机床展览会)已于415日圆满落幕。展会期间,主办方中国机床工具工业协会有关分会组织人员针对本专业领域展品进行评述,现编发部分文章,供业界参考。文章观点仅代表作者本人。

 

 

随着激光技术的不断发展以及其工业应用的深度拓展,全球激光产业市场发展迅猛,激光加工已成为工业制造的重要支柱。据笔者不完全统计,在CIMT2023展会,境内外有30多家企业展出了约60台套激光产品,以激光切割设备、激光精密加工设备和激光焊接设备为主。

 

本届展会的激光加工类机床展品,除了在提高产品加工质量、提高劳动生产率、减少材料消耗等方面表现突出外,在激光器性能、工艺自动化、系统智能化等方面也是可圈可点。从参展企业、展出装备及其功能特点来看,激光加工机床可谓“高能智控亮点突出、国产替代趋势明显”。

 

1.激光切割设备

 

激光切割是发展最为成熟、应用最为广泛的激光制造技术。激光切割机凭借速度快、精度高、适应性强等优势,正朝着大功率、高规格、复合功能方向发展,中高功率的激光设备已经成为市场关注的热点,板材/管材切割厚度极限不断获得突破。相较于上届展会,高功率、智能化的趋势继续保持并快速发展,国内企业及国产装备占比快速提升,同时切割装备功能向上下游拓展的态势逐步凸显。

 

1)数万瓦级激光器成为“标配”。相比于上届展会中部分激光切割设备搭配20kW级激光器,个别企业可选配40kW光纤激光器,本届展会展出的激光切割设备普遍配置了20kW/30kW/40kW级激光器,如济南金威刻科技发展有限公司GKS-6025DS超高功率激光切割机、百超(深圳)激光科技有限公司D-Soar Plus-G 40kW大功率高速光纤激光切割机、武汉华工激光工程有限责任公司WALC-P系列大幅面高功率激光坡口切割机、广东大族粤铭激光集团股份有限公司HyTube652全自动光纤激光切管机;部分切割机可配置50kW激光器,如江苏亚威机床股份有限公司1530HLF系列高速光纤激光切割机和北京龙雕伟业数控设备有限公司LD-3015E光纤激光切割机;而奔腾激光(浙江)股份有限公司更是在CIMT2023推出了全球首台60kW高功率激光切割机,并现场见证了60kW针对50mm厚板的“秒穿孔”以及如薄板般的切割速度。大功率光纤激光器在切割速度、应用成本、能量转换效率、材料适应性等方面具备综合优势,同时由于大功率光纤激光器制造技术及制造成本的突破,搭载万瓦级以上光纤激光器已成为展品中激光切割机的首选。激光功率的不断提高,使得其可实现更高的切割速度、更佳的切割质量和更理想的切割效率。与此同时,随着切割板厚极限的不断突破及稳定切割速度的不断提升,激光切割将逐渐形成对传统厚板切割工艺(如等离子、火焰、锯切等)的竞争甚至替代优势。

 



奔腾激光BOLT 6025高功率激光切割机

 

2)自动化、智能化控制水平进一步提升。随着先进结构形式和新材料的应用,结合直驱直联的驱动方式,使机床具有高动态特性,体现在高转速、高线速度、高加速度以及高频动作。如大族激光智能装备集团有限公司G4020HF50系列超高速磁悬浮平面切割机,采用微米精度直线电机驱动技术,三轴无接触全磁悬浮驱动,实现高加速度及速度,5g加速度仅需55s;并采用绝对式集成测量系统、纳米精度测量导轨,全闭环反馈控制,可实现更高的切割精度。与此同时,众多展品集成了高性能的数控系统、各种特色软件、光学系统、实时检测、监控系统、反馈处理等,使机床具备金属管材截面自动识别、寻边、加工头防碰撞、厚板切割过热补偿等功能,其他的诸如智能化操作界面(HMI)、全天候设备状态监控与切割、远程诊断健康保障系统等功能也未缺席。江苏亚威机床股份有限公司1530HLF系列高速光纤激光切割机采用龙门双驱结构,轻量化高刚性激光焊接钢横梁,自主研发切割头360°全方位防撞技术,通过搭载焦点补偿、自动清洗标定、智能控速、脉冲调制技术、低气压切割以及雷暴穿孔等多种先进工艺,进而实现高效率、高质量激光切割;济南邦德激光股份有限公司P系列激光切板机,配置BodorThinker4.0自主研发智能控制系统,具有光眼寻边、主动防碰撞、无废边切割、厚板切割过热补偿、起步清渣、切割气压恒稳等功能;湖北三环锻压设备有限公司PUMA3015/12kW光纤激光切割机集成了防碰撞保护、电动聚焦位置调节、电容高度传感,以及处理材料类型、切割气体选择、压力控制和割嘴清洁的自动化功能。

 

 



大族激光G4020HF50系列超高速磁悬浮平面切割机

 

3)装备功能拓展的发展趋势逐步凸显。相比于传统加工工艺,激光的空间控制性和时间控制性好,对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度大,因而特别适用于自动化加工。本届展会展出了部分基于激光切割装备集成的自动化下料产线,通过采用激光加工系统与计算机数控技术、测量技术、机器人、光学系统以及高精度的工件定位等相结合,可实现一系列生产流程的自动化。如广东大族粤铭激光集团股份有限公司Mach3015柔性激光切割系统及智能仓储系统,可实现材料出库、自动上料、激光切割、自动下料、入库仓储等一系列生产流程的自动化、不间断完成,该系统还能够根据客户实际生产需求和场地特点而量身定制整体布局,具有优化生产工序、减少设备待机时间、减少人工成本、提高场地利用率、提高生产效率等优势。江苏亚威机床股份有限公司1530HLF系列高速光纤激光切割机,通过兼容亚威上下料、料库、分拣码垛等自动化设备,可搭载远程诊断健康保障系统、生产管理系统、亚威智云工业互联网平台,实现车间透明化。湖北三环锻压设备有限公司PUMA3015/12kW光纤激光切割机、大族激光智能装备集团有限公司PX12050T重管切管机、广东大族粤铭激光集团股份有限公司HyTube6522全自动光纤激光切管机、济南金威刻科技发展有限公司GKS-6036T3三卡盘自动上下料重型激光切管机等,均可搭配自动上下料模块,实现上下料与激光切割一体化自动操作。

 



大族粤铭Mach3015柔性激光切割系统及智能仓储系统

 

4)激光切割装备国产替代正逐步实现。近年来,随着国产激光产业的发展越来越有活力,光纤激光器的功率技术和与之相适应的光学元器件技术不断取得突破,机床数控技术、定位与监测技术、光机电协同控制技术的进步,国产激光切割机的各项性能指标逐渐与进口装备相媲美,部分指标甚至达到了国际领先水平。如奔腾激光(浙江)股份有限公司BOLT 6025高功率激光切割机,是当前国际上应用于激光切割的最高功率的成套设备,60kW切割30mm碳钢板速度可以达到5m/min,速度远快于等离子、火焰等切割方式,而且随着其切割的极限厚度超过300mm,切割范围已超过火焰切割;武汉华工激光工程有限责任公司WALC-P系列大幅面高功率激光坡口切割机,搭配高精度五轴联动精密数控系统和自主研发的编程软件,解决高精度坡口一次成形问题,配备垂直切割、打标和坡口切割(V/Y/X/K)等功能,可以与客户智能工厂MES/PDAC等服务器进行对接;济南邦德激光股份有限公司A6P激光扫描切割机将静态光斑切割升级为动态光斑切割,1000多种路径专利算法,扫描频率200/s,相同条件下切割速度最大提升200%,切割厚度最高提升150%;广东宏石激光技术股份有限公司TX12036S重载型激光切管机、济南金威刻科技发展有限公司GKS-6036T3三卡盘自动上下料重型激光切管机,切割圆管直径范围可达360mm、方管可达250mm,管材有效切割长度超过12000mm

 



华工激光WALC-P系列大幅面高功率激光坡口切割机

 

2. 激光精密加工设备

 

近年来,由于人工智能、集成电路、微机电系统、太阳能电池、生物智能仿生器件等高端、新兴产业的飞速发展,对诸如以硬质合金、金刚石、陶瓷、蓝宝石、半导体材料及各种纤维复合材料等为主体结构的新型器件的传统制造能力提出挑战,常规切割技术往往难以满足该类产品的复杂结构和极端性能需求。极端的需求将零件制造过程推高到极高品质,并将极大地丰富器件的服役功能,使得器件制造过程呈现精确化、多维化和复杂化的特点。而随着短脉冲、超短脉冲激光技术的发展和进步,激光精密切割技术将在这些难加工材料的高精细、高效率切割中占有越来越重要的地位,尤其是皮秒、飞秒等超快激光加工,凭借其超越衍射极限的加工精度、短流程的工艺方法和极高能量密度等特点,已经成为难加工材料精密加工的有效方式。

 

随着高端制造对器件和材料性能的极限要求,激光精密加工设备正越来越受到制造商的重视和工业用户的关注,而这类装备在激光加工领域发挥着越来越重要的作用。与上届展会相比,CIMT2023展出的激光精密加工机床,无论是搭载的激光器,还是机床控制技术以及设备国产化程度,都有明显进步。

 

1)配置超短脉冲激光逐渐成为发展趋势。与上届展会激光精密加工机床普遍搭载的纳秒激光器相比,本届展会广东原点智能技术有限公司、北京安德建奇数字设备股份有限公司、北京凝华科技有限公司、山东豪迈机械科技股份有限公司展出的精密加工机床,均可选配皮秒甚至飞秒激光器,超短脉冲激光促进了难加工材料迈向更为精细加工和成形,使得超硬PCD刀具、CBN、硬质合金、陶瓷、金刚石等材料实现更为高效率和更为复杂轮廓的加工。瑞士GF加工方案LASER P 400 U激光纹理加工机床将两种激光源组合在一体,通过在内部设置激光源自动切换开关,可根据需要一键切换红绿飞秒、飞秒纳秒,可应用在需要特殊功能性或艺术性纹理处理领域,诸如手表零件、珠宝、刀具加工、微小镶件及细微零件加工等应用中,具备独特的激光纹理加工、蚀刻及表面处理功能。

 



GF加工方案LASER P 400 U激光纹理加工机床

 

2)多维度、多自由度运动控制水平快速提升。数控机床运动控制技术的成熟与普遍应用促进了激光精密加工机床平台控制水平的提升,本届展会展出的精密加工机床几乎都采用了三维五轴甚至更多自由度的控制方式。如北京中拓创新科技有限公司ZT-JGQG 6S光纤切割机,XYZ轴行程200mm×200mm×50mm,切口宽度为0.05-0.1mm,增加A轴作为旋转轴,旋转范围0-45°,可切割带后角的刀头和产品,采用闭环控制,重复定位精度≤2µm。北京安德建奇数字设备股份有限公司AT40L五轴精密数控激光刀具加工机床,XYZ轴行程300mm×400mm×300mmA轴旋转范围-210°~30°,B轴旋转范围±360°,可对超硬PCD刀具材料实现高效率复杂轮廓的加工,从而达到优异的表面质量和刀口品质。广东原点智能技术有限公司参展的立式五轴激光加工中心Light 5X 60VXYZ轴定位精度5µm、重复定位精度3µmBC轴定位精度10″、重复定位精度5″,配合专用加工软件,实现汽车刀具、焊片式铣刀、微刃刀具、薄壁金属件、超硬材料、硬质合金、超硬涂层和陶瓷复杂型面刀具等复杂轮廓与型面加工。

 



安德建奇AT40L五轴精密数控激光刀具加工机床

 

3)应用需求逐渐拓展,国产装备成为主流。产业的发展升级也进一步促进了激光精密加工机床应用需求范围的扩大,机床制造商及工业用户关注点不再局限于传统工艺对刀具材料的加工。如北京凝华科技有限公司展出的LCX30 PDC激光成形机,通过搭载纳秒激光器(可选配皮秒)可进行金刚石等超硬材料、特种硬脆材料的铣削和切割;山东豪迈机械科技股份有限公司会展出的LEM200T超硬刀具五轴激光雕刻机,通过配置纳秒或皮秒激光器,直线电机及基于光栅尺测量的闭环控制技术,可满足PCDCBNMCDTC、硬质合金、陶瓷等材料的高精加工以及3C、汽车、木工等行业超硬材料刀具刃口、后角和断屑槽的加工要求。

 

在系统装备方面,国内企业开展了短脉冲甚至超短脉冲激光切割设备的研发和功能集成。如广东原点智能技术有限公司展出的立式五轴激光加工中心Light 5X 60V,搭载国产超短脉冲激光器,在加工PCDCBN、硬质合金、陶瓷、金属等材料方面表现优异,吸引了来自刀具、航空航天、3C电子等多个领域的客户前来交流。近年来,国产短脉冲和超短脉冲激光器技术的飞速发展以及运动控制技术水平的快速提升,为激光精密加工装备实现全国产化奠定了良好的基础,伴随着国内产业转型升级和对高端制造越来越迫切的实际需求,国产激光精密加工装备技术水平不断突破和进步已成为必然发展趋势。

 



广东原点立式五轴激光加工中心Light 5X 60V

 

3.激光焊接设备

 

CIMT2023展出的激光焊接设备包括手持激光焊接设备和激光焊接机床。

 

近年来,针对激光焊接设备体积和重量较大、便携性较差、难以实现复杂位置焊接和户外现场焊接的问题,境内外企业纷纷推出了尺寸小、便携性好的手持式光纤激光焊接机。高功率是本次展会上手持激光器的首要特点。上届展会中手持式光纤激光焊接机的激光功率普遍处于1-2kW,多用于薄板焊接场合。相比之下,本届参展的手持激光器在激光功率方面有了提升,具备了一定的中厚板焊接能力。奔腾激光(浙江)股份有限公司、百超(深圳)激光科技有限公司和北京龙雕伟业数控设备有限公司推出的手持式光纤激光焊接机均将激光功率提高至2.5kW,最高可选配3.0kW激光器。更高的激光功率在提高焊接能力的同时,也为焊接质量和焊接效率提供了保障。

 

功能多样化是参展手持式光纤激光焊接机的另一特点。如济南金威刻科技发展有限公司推出的LCW2000手持式激光多功能连续一体机集焊接、清洗、切割功能于一体,仅需一台设备便可完成三道工序,极大地提高了生产效率,同时减小了设备占地面积。手持式光纤激光焊接设备作为新型的加工设备,其成本和便携性有待进一步提高,狭小空间和高处作业仍然存在诸多不便,且价格远高于其他焊接设备,因此未来必然会向小体积和低成本方向发展,以得到更加广阔的应用。手持激光焊接属于Ⅳ类激光产品,激光辐射可对人体造成不可逆的伤害。但国内很多企业和个人对激光辐射的危害性以及安全防护的重视程度稍显不足。因此,在手持式激光器快速普及的同时,除了操作者的安全意识必须相应提高外,设备生产厂商也应积极开发各类配套防护器械,以最大程度地保证操作者的人身安全。

 

本次展会展出的激光焊接机床具有高集成化和智能化的发展趋势。如瑞士莱斯豪尔公司展出FLW 400柔性激光焊接机床,专为圆形对称件和回转件而设计,如差速器总成、行星齿轮架、离合器和变矩器等。搭配通快TruDisk激光器和BEO D70先进激光焊接头。采用数控分度转台设计,实现多工位的并行工作,极大提高了生产效率。加工精度方面,采用具有热稳定性和高刚性的大理石作为床身材料,同时配有数控电主轴,保障了高精度的分度定位。该机床还具有良好的可集成性,可根据具体生产需要选配关节机器人、送丝机构、B轴以及OST视觉监控系统等。大族激光智能装备集团有限公司展出了自主研发制造的协作智能激光焊接机。该设备将摆动焊接头、机器人、控制系统和大族水冷设备高度集成,操作简单、智能化程度高,仅需拖拽即可自动完成编程,解决了焊接设备上手难度高、切换产品示教时间长等问题。同时,设备还可与手持激光焊接机、旋转轴、双轴变位机、进出滑台等集成实现自动焊接。

 



瑞士莱斯豪尔FLW 400柔性激光焊接机床

 

 来源:协会特种加工机床分会  责编:张芳丽


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