文/Ursula Herrling-Tusch

在木料加工廠，每天需要對無數(shù)根長達22m的原木進行去皮和測量，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，會經(jīng)受極大的工作負荷。”這一看法來自德國一家先進的鋸木廠Egielshoven公司。當談到如何修復重度磨損的圓形刀座時，該公司給出的解決方案是使用Pallas公司的激光熔覆工藝。這是專門針對高壓零件的修復工藝。

Eigelshoven公司成立于1887年，其帶鋸的日生產(chǎn)量可達到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、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“對尺寸公差要求嚴苛、對表面質(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

原木被運離木場之前會進行切割處理，原木喇叭狀的根部就會被鋸掉。隨后，對原木進行去皮，并檢測其中是否含有金屬碎片、釘子以及彈頭。在激光測量好原木的長度、直徑以及所有規(guī)定的特征參數(shù)（如翹曲或橢圓度）后，在下一個環(huán)節(jié)——橫切環(huán)節(jié)中，這些測量數(shù)據(jù)會被分配到用戶訂單中。這個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)將被下載到一臺四線程的軋機中，它是由四把帶有磁力引導系統(tǒng)的帶鋸構(gòu)成的。在一個內(nèi)聯(lián)進程中，每根原木此后都會以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，原木會自動旋轉(zhuǎn)到正確的方向。

在下一個階段中，切削機將去除原木上兩個相對彎曲的側(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劃，帶鋸將根據(jù)客戶訂單將原木從中間切開，而帶鋸也會對剩余材料執(zhí)行進一步的有效加工。

接下來，原木將旋轉(zhuǎn)90°角，第二臺切削機將會去除其余的兩個曲面，從而形成一個矩形的塊狀木材。隨后，塊狀木材會在具有一個水平軸和六個垂直軸的可調(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截斷、全自動六軸加工（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，將會對切削設(shè)備中的圓形刀具夾緊裝置帶來極大的工作負荷。木材上的殘余樹皮、不規(guī)則狀物或是樹枝導致的粗糙表面，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導致刀具磨損，隨著時間的推移，會在刀座左右兩側(cè)形成損壞點。木材進入到這些凹陷處，就會由于木材纖維的磨損碎片而導致無效切割。與此同時，切削設(shè)備的效能也將大幅降低，進而難以維系目標日產(chǎn)量。

在考慮到更換這樣一個刀座產(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方案，因為在軋機中每天運行的此類旋轉(zhuǎn)切削頭共有4個。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方案。令人欣慰的是，之后他見證了Pallas公司在修復幾個磨損軸承方面所取得的成功。這使他備受鼓舞，再次嘗試尋找修復方案。

當他遇到夾具因磨損而不得不進行更換的問題時，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現(xiàn)受損結(jié)構(gòu)的表面重構(gòu)。憑借精準的熱輸入，這種制備工藝實現(xiàn)了具有最小翹曲的高精度表面涂敷層。可以通過同心布置的噴嘴，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。

一點一點修復

Pallas公司正面臨一項特殊挑戰(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40HRC。正因為如此，Pallas公司決定使用不同耐蝕能力、材料硬度等級為50~63HRC的不同材料，對全部4個夾具進行試驗。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采用硬度等級為63HRC的高速鋼作為磨損保護層，涂敷在圓形刀座上。

Pallas公司激光部門負責人Rodion Honisch，為一項任務(wù)開發(fā)了一種模塊化程序。該任務(wù)使用Laserline公司的一臺6kW半導體激光器，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，以便能一點一點地逐漸修復復雜的幾何結(jié)構(gòu)。鑒于近凈輪廓質(zhì)量的優(yōu)點，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)運轉(zhuǎn)一年后無磨損

Oprei將這些已修復的圓形刀座安裝回一臺鋸木廠的切削機中，以便測試激光熔覆在該機器日常運轉(zhuǎn)的惡劣條件下的耐用性能。一年后，Oprei在檢測磨損程度時驚訝地發(fā)現(xiàn)：在四把刀座中，經(jīng)過激光熔覆修復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)過一年的運轉(zhuǎn)后，圓形刀座將被完全磨損。Oprei委托Pallas公司修復一把磨損嚴重的圓形刀座，這次使用了特定的修復材料，該材料已經(jīng)在第一次修復中充分顯示出優(yōu)越性。

對于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，以確保修復工作具有交稿的成本效益。這個問題涉及刀座的形狀，因為它可能會阻礙到激光頭的定位�？紤]到磨損樣式，Pallas公司激光部門負責人Rodion Honisch還進一步從磨損形貌著手，通過對磨損點的預(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層。

經(jīng)過表面處理的鑄鐵轉(zhuǎn)子，在一個月前已經(jīng)運回了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)滿足了他對長期使用壽命的期望。修復處理能比購買一個新單元節(jié)約80%的成本，也也是該解決方案的一個可取之處。通過激光熔覆工藝，切削機上的刀具獲得了更持久的磨損保護。