今年小米SU7的跨越式登場給傳統(tǒng)的汽車市場帶來了不小的震撼，汽車作為人類科技進(jìn)步和生活質(zhì)量提升的重要體現(xiàn)，早已成為當(dāng)今社會(huì)不可或缺的一部分。如今的汽車制造正向高質(zhì)量、輕量化、多樣化發(fā)展轉(zhuǎn)型，而如何解決超高強(qiáng)度鋼及復(fù)雜異型曲面熱成型件加工成為行業(yè)難題之一。于是一種基于激光切割的新型技術(shù)——三維五軸激光切割技術(shù)受到行業(yè)追捧。圖1為三維五軸激光技術(shù)加工汽車車身。
圖1 三維五軸激光技術(shù)加工汽車車身（來源：華工激光）
兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)字：三維+五軸
從定義出發(fā)，三維五軸激光切割：其中三維指的就是區(qū)別于二維平面的立體空間；五軸就是指在空間坐標(biāo)X、Y、Z直線軸的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，即A軸和C軸?，見圖2所示。?X軸?：主要負(fù)責(zé)切割機(jī)的左右移動(dòng)。?Y軸?：主要負(fù)責(zé)切割機(jī)的前后移動(dòng)。?Z軸?：負(fù)責(zé)切割機(jī)的上下移動(dòng)，通常與切割頭相連，控制切割頭的升降。?A軸?：通常稱為旋轉(zhuǎn)軸，可以圍繞X軸旋轉(zhuǎn)，用于實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)切割。?C軸?：同樣為旋轉(zhuǎn)軸，圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)，用于實(shí)現(xiàn)工件的傾斜切割?。如圖2所示，五個(gè)軸的協(xié)同運(yùn)動(dòng)和激光切割的結(jié)合使機(jī)器能夠在復(fù)雜的3D表面上進(jìn)行精密切割，旋轉(zhuǎn)和傾斜工件的能力使激光束能夠到達(dá)傳統(tǒng)二維切割機(jī)無法到達(dá)的區(qū)域。
圖2 激光切割機(jī)五軸運(yùn)動(dòng)示意圖 （來源：周樹斌——《激光切割機(jī)測控模塊設(shè)計(jì)》）
市場上的三維激光切割機(jī)有龍門式和機(jī)器人式兩種基本結(jié)構(gòu)。前者通常由床身或工作臺(tái)提供 X、Y、Z 軸直線運(yùn)動(dòng)，切割頭提供其余兩軸旋轉(zhuǎn)（或擺動(dòng)）運(yùn)動(dòng)；后者采用光纖傳輸（或內(nèi)含反射鏡的關(guān)節(jié)臂）與機(jī)器人連接，實(shí)現(xiàn)三維激光切割。龍門式結(jié)構(gòu)由于工作空間大、加工速度快、 加工精度高的優(yōu)勢，在汽車制造、航空航天等大型部件切割領(lǐng)域運(yùn)用更多。
曾被壟斷的三維五軸激光切割市場
三維五軸激光切割機(jī)是一種高端機(jī)床設(shè)備，代表著全球數(shù)控機(jī)床的最高水平，在業(yè)內(nèi)有著較高的人才、資金、研發(fā)障礙。受此限制，早期全球三維五軸激光切割機(jī)市場主要由德國、意大利的企業(yè)壟斷。1979年，第一臺(tái)五軸CO2激光切割機(jī)在意大利Prima（普瑞瑪）工業(yè)公司建成，用于轎車內(nèi)部塑料元件加工，但由于硬度問題無法進(jìn)行金屬?zèng)_壓件加工。
隨著激光配套設(shè)備（導(dǎo)光系統(tǒng)、調(diào)焦系統(tǒng)等）的不斷完善，1982年P(guān)rima工業(yè)公司創(chuàng)造性地將電容式傳感器集成到三維激光切割設(shè)備中，使機(jī)床可以自動(dòng)適應(yīng)沖壓件彈性變形造成的誤差，從而使三維激光切割技術(shù)真正成為汽車車身加工的一種新的精密、靈活的加工手段。
在德國，作為工業(yè)4.0時(shí)代領(lǐng)航者的Trumpf（通快）再次站在了技術(shù)創(chuàng)新的前沿,憑借公司走在世界前列的激光技術(shù)和自動(dòng)化方案，讓三維激光切割技術(shù)在20世紀(jì)80年代的歐洲開始了大規(guī)模應(yīng)用。
2008年以后，日本NTC、Mitsubishi（三菱）公司研制開發(fā)了低加速度、低速度、高精度的工作臺(tái)移動(dòng)式的三維五軸激光切割機(jī)。至此德國、意大利、日本成為全球最早自主掌握三維五軸激光加工技術(shù)的三個(gè)國家。
而同時(shí)期，中國三維五軸激光切割技術(shù)領(lǐng)域還處于理論研究階段，離市場化應(yīng)用還有很長的距離。早期，國內(nèi)采用手工等離子切割三維工件，切割效果不理想。而后，國內(nèi)開發(fā)了機(jī)器人三維激光切割機(jī)，切割效果有一定的提升，但是加工復(fù)雜曲面時(shí)仍“心有余而力不足”，尤其是切割汽車沖壓模具時(shí)。而三維五軸光纖激光切割機(jī)床因其加工效率高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)開始受到行業(yè)關(guān)注。
但由于國內(nèi)的三維五軸激光切割機(jī)主要用于研發(fā)及小批量試制，一般一年的市場需求量在30-40臺(tái)左右，加上這一技術(shù)被國外少數(shù)龍頭行業(yè)把控，因此大部分三維五軸激光切割設(shè)備都依賴進(jìn)口。
但隨著汽車市場的需求持續(xù)爆發(fā)，及汽車熱成形技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用，三維五軸激光切割機(jī)開始受到追捧。一條汽車熱成形生產(chǎn)線一般配備4-5臺(tái)三維五軸激光切割機(jī)，如圖3所示，市場需求呈爆炸式發(fā)展至數(shù)百臺(tái)。
圖3 熱成形沖壓鋼板在車身上的應(yīng)用（來源：搜狐汽車）
國內(nèi)三維五軸激光切割的佼佼者們
01、華工激光
華工激光在2017年9月推出了國內(nèi)首套汽車熱成形件三維五軸光纖激光切割機(jī)AUTOBOT 3015（見圖4），因其切割硬度大、切割精度高、安全穩(wěn)定性好深受市場認(rèn)可。此項(xiàng)成果填補(bǔ)了國內(nèi)高端裝備的空白，為中國汽車制造業(yè)發(fā)展帶來了重大突破。
經(jīng)過多年發(fā)展，華工激光的三維五軸激光切割裝備已升級(jí)至2.5代，進(jìn)一步改進(jìn)了切割頭、浮動(dòng)軸結(jié)構(gòu)，使得綜合切割效率提升20%，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)單次變位節(jié)拍由3s縮短至2.5s，各項(xiàng)性能得到進(jìn)一步提升。
值得一提的是，華工激光自主研發(fā)的三維五軸激光切割裝備實(shí)現(xiàn)了包括三維切割頭、核心光源以及操作系統(tǒng)等在內(nèi)的關(guān)鍵核心部件100%國產(chǎn)化。
截止2023年7月底，華工激光實(shí)現(xiàn)了接近280臺(tái)三維五軸激光切割設(shè)備的訂單交付，全國70%的三維五軸激光加工機(jī)床都是由華工激光生產(chǎn)的，穩(wěn)居國內(nèi)市場份額第一，沃爾沃、吉利、長城等20多個(gè)汽車品牌的生產(chǎn)線中都有它的身影。
圖4 華工激光AUTOBOT 3015型號(hào)三維五軸激光切割機(jī)（咨詢：15910974236）
02、大族激光
大族激光在三維切割技術(shù)領(lǐng)域研究攻堅(jiān)多年，從2009年推出的第一臺(tái)機(jī)器人三維激光切割機(jī)，到2017年，成功研發(fā)熱成形三維五軸激光切割機(jī)床，并于2019年開始批量生產(chǎn)，大量應(yīng)用于汽車熱成型行業(yè)。除此之外，大族激光三維五軸激光切割設(shè)備參與了我國航天事業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了巨大的作用。在2018年央視紀(jì)錄片《大國重器Ⅱ》中曾提到（見圖5），在北京衛(wèi)星制造廠內(nèi)我國自主研發(fā)的第一臺(tái)三維五軸激光加工機(jī)床總裝調(diào)試成功，有了這一“超級(jí)裝備”，航空航天零部件的制造周期也壓縮到了原來的十分之一。大族激光也憑借“中厚板及難焊材料激光焊接與復(fù)雜曲面曲線激光切割技術(shù)及裝備”項(xiàng)目，榮獲2019年度“國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)”二等獎(jiǎng)。
圖5 大族激光三維五軸激光加工機(jī)床切割航空航天零部件（咨詢：18210062835）
除了以上兩家龍頭企業(yè)以外，國內(nèi)知名激光企業(yè)，如楚天激光、奔騰激光、宏山激光等多家公司均推出了針對不同市場需求的三維五軸激光切割代表性產(chǎn)品，見表1：
表1 部分國內(nèi)品牌的三維五軸激光切割產(chǎn)品匯總（咨詢電話：15910974236）
如今，三維五軸激光切割產(chǎn)品已從國外壟斷的局面邁向國產(chǎn)替代。中國已成為繼德國、意大利、日本之后第四個(gè)完全自主掌握三維五軸激光加工技術(shù)的國家。
結(jié)語
根據(jù)QYR調(diào)研公司的統(tǒng)計(jì)，2021年全球三維五軸聯(lián)動(dòng)激光加工設(shè)備市場銷售額達(dá)到17.82億元，預(yù)計(jì)2028年將達(dá)到31.04億元。中國市場在過去幾年變化較快，2021年市場規(guī)模為4.89億元，預(yù)計(jì)2028年將達(dá)到10.07億元，約占全球市場的三分之一。中國三維五軸激光切割市場未來可期。
