文/Ursula Herrling-Tusch

在木料加工廠，每天需要對(duì)無數(shù)根長達(dá)22m的原木進(jìn)行去皮和測(cè)量，最終把它們加工成木材。“該加工過程中所使用的生產(chǎn)線設(shè)備和工具，會(huì)經(jīng)受極大的工作負(fù)荷。”這一看法來自德國一家先進(jìn)的鋸木廠Egielshoven公司。當(dāng)談到如何修復(fù)重度磨損的圓形刀座時(shí)，該公司給出的解決方案是使用Pallas公司的激光熔覆工藝。這是專門針對(duì)高壓零件的修復(fù)工藝。

Eigelshoven公司成立于1887年，其帶鋸的日生產(chǎn)量可達(dá)到1000立方米。目前，他們業(yè)務(wù)主體的80%是云杉，20%是道格拉斯冷杉。該鋸木廠50%的客戶來自德國，30%來自比利時(shí)、荷蘭以及盧森堡，還有10%來自法國和英國，剩余的客戶來自海外。該公司以“對(duì)尺寸公差要求嚴(yán)苛、對(duì)表面質(zhì)量要求始終如一，以及較高的加工和處理質(zhì)量”而在業(yè)內(nèi)極富盛名。

從樹干到結(jié)構(gòu)性木材

原木被運(yùn)離木場(chǎng)之前會(huì)進(jìn)行切割處理，原木喇叭狀的根部就會(huì)被鋸掉。隨后，對(duì)原木進(jìn)行去皮，并檢測(cè)其中是否含有金屬碎片、釘子以及彈頭。在激光測(cè)量好原木的長度、直徑以及所有規(guī)定的特征參數(shù)（如翹曲或橢圓度）后，在下一個(gè)環(huán)節(jié)——橫切環(huán)節(jié)中，這些測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)被分配到用戶訂單中。這個(gè)基于電腦的加工過程，將決定哪種長度的原木被橫切，以滿足哪位客戶的要求。

原木來到鋸木廠，在這里完整的客戶訂單數(shù)據(jù)將被下載到一臺(tái)四線程的軋機(jī)中，它是由四把帶有磁力引導(dǎo)系統(tǒng)的帶鋸構(gòu)成的。在一個(gè)內(nèi)聯(lián)進(jìn)程中，每根原木此后都會(huì)以28~105m/min的速度通過長80m、寬15m的帶鋸生產(chǎn)線。根據(jù)先前制定的最佳切割方案，原木會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到正確的方向。

在下一個(gè)階段中，切削機(jī)將去除原木上兩個(gè)相對(duì)彎曲的側(cè)面。該加工過程中所使用的圓形刀具被固定在夾具上。采用電腦輔助的嵌套計(jì)劃，帶鋸將根據(jù)客戶訂單將原木從中間切開，而帶鋸也會(huì)對(duì)剩余材料執(zhí)行進(jìn)一步的有效加工。

接下來，原木將旋轉(zhuǎn)90°角，第二臺(tái)切削機(jī)將會(huì)去除其余的兩個(gè)曲面，從而形成一個(gè)矩形的塊狀木材。隨后，塊狀木材會(huì)在具有一個(gè)水平軸和六個(gè)垂直軸的可調(diào)圓鋸之下，被切割成木板。在分類單元中，無用的木板片會(huì)被剔除，合格的木板被堆疊并捆扎好后提供給顧客。最終，切割成形的木材要經(jīng)過一系列環(huán)節(jié)：規(guī)劃到毫米精確度的精準(zhǔn)截?cái)�、全自�?dòng)六軸加工（連接）、浸漬和干燥。

 刀具決定速度

每天1000立方米的日生產(chǎn)量，將會(huì)對(duì)切削設(shè)備中的圓形刀具夾緊裝置帶來極大的工作負(fù)荷。木材上的殘余樹皮、不規(guī)則狀物或是樹枝導(dǎo)致的粗糙表面，將被磨成光滑表面。這些粗糙的表面往往事先被固定在一個(gè)直徑750mm、厚300mm的鑄鐵轉(zhuǎn)子圓盤上，通過附近4把15cm×28cm的刀具切除。另外4把僅7cm×7cm的較小刀具，用于木材的光滑平整作業(yè)。通過矩形刀具夾緊裝置，將這些刀具固定在轉(zhuǎn)子圓盤上（見圖1）。

圖 1：四個(gè)圓形刀座暴露在極端環(huán)境之中：需要去除殘余的樹皮以及不規(guī)則狀物體，還需要把倒角磨成光滑的平面。

與軋機(jī)中的所有鋸刀一樣，轉(zhuǎn)子圓盤上的這些刀具每天都需要更換，換下的刀具在Eigelshoven公司的研磨車間中被再次打磨削尖。對(duì)于切削質(zhì)量和速度，轉(zhuǎn)子圓盤的切割器中夾持小刀的刀座發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于長期摩擦過程會(huì)導(dǎo)致刀具磨損，隨著時(shí)間的推移，會(huì)在刀座左右兩側(cè)形成損壞點(diǎn)。木材進(jìn)入到這些凹陷處，就會(huì)由于木材纖維的磨損碎片而導(dǎo)致無效切割。與此同時(shí)，切削設(shè)備的效能也將大幅降低，進(jìn)而難以維系目標(biāo)日產(chǎn)量。

在考慮到更換這樣一個(gè)刀座產(chǎn)生的高額成本，Eigelshoven公司技術(shù)總監(jiān)Rainer Oprei一直在尋求一種持久耐用的修復(fù)方案，因?yàn)樵谲垯C(jī)中每天運(yùn)行的此類旋轉(zhuǎn)切削頭共有4個(gè)。但是，由于前期的嘗試效果并不好，這使他懷疑是否真的能找到所謂的持久耐用的修復(fù)方案。令人欣慰的是，之后他見證了Pallas公司在修復(fù)幾個(gè)磨損軸承方面所取得的成功。這使他備受鼓舞，再次嘗試尋找修復(fù)方案。

當(dāng)他遇到夾具因磨損而不得不進(jìn)行更換的問題時(shí)，他選擇求助于Pallas公司。Pallas公司給出的建議是采用激光熔覆實(shí)現(xiàn)受損結(jié)構(gòu)的表面重構(gòu)。憑借精準(zhǔn)的熱輸入，這種制備工藝實(shí)現(xiàn)了具有最小翹曲的高精度表面涂敷層�？梢酝ㄟ^同心布置的噴嘴，將涂層材料熔覆到待處理的表面區(qū)域，并且涂層材料與母材一起熔化。在熔池中兩種材料之間通過冶金方式結(jié)合成為具有較低稀釋的致密涂層。此外，該涂層所具有的近凈輪廓質(zhì)量，將意味著能將后續(xù)處理的成本控制在最低限度（見圖2）。

圖 2：由于精準(zhǔn)的熱輸入，激光熔覆使得受損結(jié)構(gòu)的表面重構(gòu)成為可能。

一點(diǎn)一點(diǎn)修復(fù)

Pallas公司正面臨一項(xiàng)特殊挑戰(zhàn)，即夾具存在不同程度的磨損。磨損區(qū)域的硬度也呈現(xiàn)出極不均勻的分布，硬度上的差異高達(dá)40HRC。正因?yàn)槿绱�，Pallas公司決定使用不同耐蝕能力、材料硬度等級(jí)為50~63HRC的不同材料，對(duì)全部4個(gè)夾具進(jìn)行試驗(yàn)。然而，受損夾具表面的不均勻狀態(tài)，使得無法采用任何高速連續(xù)鋼涂層的加工方法，這意味著需要更多的人工介入（見圖3）。

圖 3：Pallas采用硬度等級(jí)為63HRC的高速鋼作為磨損保護(hù)層，涂敷在圓形刀座上。

Pallas公司激光部門負(fù)責(zé)人Rodion Honisch，為一項(xiàng)任務(wù)開發(fā)了一種模塊化程序。該任務(wù)使用Laserline公司的一臺(tái)6kW半導(dǎo)體激光器，波長位于900~1030±10nm的近紅外波段，該激光器可以工作在連續(xù)波和脈沖模式。該激光器的輸出脈沖能與受損區(qū)域的特定形態(tài)相適配。Pallas公司還開發(fā)了一種激光硬化工藝，并且安裝了相應(yīng)的激光設(shè)備。

采用這樣的方法，Rodion Honisch能夠選擇從哪里開始重構(gòu)——既可以從側(cè)面開始，也可以從下沿開始。在極短的激光脈沖下（激光僅持續(xù)200ms），將激光能量選擇性地應(yīng)用到材料上，以便能一點(diǎn)一點(diǎn)地逐漸修復(fù)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。鑒于近凈輪廓質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，具有涂層的刀座只需要極少的后續(xù)處理（見圖4）。

圖 4：涂層材料采用同心布置的噴嘴涂敷于待處理表面，并且涂層材料與母材一起熔化。

連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一年后無磨損

Oprei將這些已修復(fù)的圓形刀座安裝回一臺(tái)鋸木廠的切削機(jī)中，以便測(cè)試激光熔覆在該機(jī)器日常運(yùn)轉(zhuǎn)的惡劣條件下的耐用性能。一年后，Oprei在檢測(cè)磨損程度時(shí)驚訝地發(fā)現(xiàn)：在四把刀座中，經(jīng)過激光熔覆修復(fù)的一把刀座竟絲毫沒有磨損跡象，而其余三把有極小的磨損痕跡。一般說來，經(jīng)過一年的運(yùn)轉(zhuǎn)后，圓形刀座將被完全磨損。Oprei委托Pallas公司修復(fù)一把磨損嚴(yán)重的圓形刀座，這次使用了特定的修復(fù)材料，該材料已經(jīng)在第一次修復(fù)中充分顯示出優(yōu)越性。

對(duì)于Pallas公司而言，后續(xù)的訂單也意味著必須尋求一種降低手工處理的新方法，以確保修復(fù)工作具有交稿的成本效益。這個(gè)問題涉及刀座的形狀，因?yàn)樗�可能�?huì)阻礙到激光頭的定位�？紤]到磨損樣式，Pallas公司激光部門負(fù)責(zé)人Rodion Honisch還進(jìn)一步從磨損形貌著手，通過對(duì)磨損點(diǎn)的預(yù)銑削，來完成表面的均一化處理。他的方案是將大約深度為7mm的表面完全銑削掉，以便于所涂敷的重構(gòu)涂層能夠充分牢固地熔入母材之中。由于刀座被過度磨損，所以第一步是用奧氏體不銹鋼1.4404（316L）構(gòu)建出一個(gè)略微隆起的連接邊緣，然后在其上完成已磨損部分的基本結(jié)構(gòu)重構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，還需要熔敷一層硬度為63HRC的高速鋼作為磨損保護(hù)層。

經(jīng)過表面處理的鑄鐵轉(zhuǎn)子，在一個(gè)月前已經(jīng)運(yùn)回了Eigelshoven公司，目前正在應(yīng)用中。Oprei信心滿滿，他表示現(xiàn)在轉(zhuǎn)子已經(jīng)滿足了他對(duì)長期使用壽命的期望。修復(fù)處理能比購買一個(gè)新單元節(jié)約80%的成本，也也是該解決方案的一個(gè)可取之處。通過激光熔覆工藝，切削機(jī)上的刀具獲得了更持久的磨損保護(hù)。