數(shù)控激光切割機(jī)切割工藝研究（精密切割）（本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)）

1、摘 要 激光切割與傳統(tǒng)的切割方法相比，具有高速、高效、高精度和高適應(yīng)性的特點(diǎn)，同時(shí)還具有割縫細(xì)、切割面質(zhì)量好、切割時(shí)無(wú)噪聲無(wú)輻射、加工成本低、切割過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。激光切割鋼板時(shí)，不需要使用模具，它可以替代一些需要采用大型復(fù)雜模具的沖切加工方法，從而大大縮短了生產(chǎn)周期并降低了成本。 由于我國(guó)激光工業(yè)基礎(chǔ)較差，激光加工技術(shù)的應(yīng)用尚不普遍，激光加工整體水平與先進(jìn)國(guó)家相比仍有較大差距。然而激光切割加工廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，加上現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)激光切割技術(shù)進(jìn)行不斷深入研究，推動(dòng)著激光切割技術(shù)的不斷向前發(fā)展。本文首先介紹了激光技術(shù)的發(fā)展和加工特點(diǎn)，以及激光切割在國(guó)內(nèi)外

2、的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)論述了課題選題的背景以及研究的目的和方法，介紹了實(shí)驗(yàn)條件，以便探求實(shí)用的激光二維切割加工工藝參數(shù)。本文還詳細(xì)介紹了激光切割的基本原理及加工特點(diǎn)，分析了激光精密切割質(zhì)量的影響因素。并介紹了計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)割流程和切割機(jī)床的工藝過(guò)程，對(duì)在加工中遇到的一些問(wèn)題做了闡述。設(shè)計(jì)零件并針對(duì)具體的零件分析激光切割的工藝過(guò)程，運(yùn)用了正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行了分析計(jì)算，初步得到了切割質(zhì)量的回歸方程，然后進(jìn)行了切割參數(shù)優(yōu)化。從理論上和大量的試驗(yàn)結(jié)果中，深入分析研究了影響激光切割加工的相關(guān)物理參數(shù)和工藝參數(shù)，包括：激光器功率大小、輔助氣體壓力和切割速度，對(duì)加工過(guò)程和切割質(zhì)量的影響

3、。本文還對(duì)得出的切割質(zhì)量的回歸方程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，使得回歸方程在實(shí)際加工中得到了驗(yàn)證，對(duì)以后的切割加工具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：激光切割 參數(shù)優(yōu)化 回歸方程 工藝參數(shù) 切割質(zhì)量ABSTRACTLaser cutting compare with the traditional cutting methods,with the characteristics of a high-speed, high efficiency, high precision and high adaptability , and also offers narrow kerf, nice cutting-qual

4、ity, without cutting noise and radiation, low processing costs,easily automated control and so on. Laser cutting platewithout using a mold, it can replace some of the need for a large complex die punching processing methods, thus greatly shortening the production cycle and reduce costs. Because Chin

5、as poor industrial base of laser, laser processing technology applications is not yet universal, laser processing and the overall level compare with advanced countries are still larger gap. However, laser cutting wide application market, coupled with the rapid development of modern science and techn

6、ology , science and technology workers at home and abroad makes laser cutting technology for the continuous in-depth study, a laser cutting technology to promote the laser processing technology constant development. This paper first introduced the development of laser technology and processing chara

7、cteristics, and laser cutting at home and abroad of the status quo and development trend of the topics discussed topics at the same time the background and the purpose of the study and methods, introduced the experimental conditions, in order to explore practical laser Two-dimensional cutting proces

8、s parameters. This article also described in detail the basic principle of laser cutting and processing characteristics of the laser precision cutting and quality of factors. And introduced a computer-aided design of cutting processes and the process of cutting machine tools, in the processing of so

9、me of the problems encountered is also described. Design-specific parts and components of the laser cutting process, the use of the orthogonal experimental design of experiments designed and analyzed, initially find the regression equation of cutting the quality and then proceed to optimize the cutt

10、ing parameters. In theory and a large number of test results, in-depth analysis of the impact of laser cutting of the relevant physical parameters and technical parameters, including: laser power size,the assistant gas pressure and cutting speeds to the influeence of cutting quality. This paper also

11、 aims at the regression equation of cutting quality for the statistical test, making the regression equation in the actual processing which has been verified, after the cutting of a certain guiding significance the future cutting.Kerwords:laser-cutting,optimize-parameters,regression-equation,process

12、-parameters,cutting quality目 錄中文摘要.ABSTRACT.1緒論.1 引言.1 激光切割技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).2 國(guó)外研究現(xiàn)狀.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀.3 激光切割技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).3 本課題的選題背景、目的和研究方法.4 本課題的選題背景.4 本課題的研究目的.5 本課題的研究方法.52 激光切割技術(shù)概述.6 激光切割的基本原理.6 激光切割的主要方式.7 激光切割加工的特點(diǎn).8 激光器及參數(shù)選擇.10 激光精密切割質(zhì)量?jī)?nèi)容及主要影響因素.13 光束質(zhì)量.14 切割頭.15 離焦量.15 切割速度.15 輔助氣體種類和壓力.16 激光功率.16.18設(shè)備條件.18設(shè)備

13、使用條件.193 激光切割加工工藝過(guò)程.20 計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì).20 實(shí)驗(yàn)材料.20 加工尺寸.20 工藝過(guò)程.20 數(shù)控激光切割機(jī)床工藝過(guò)程.27 激光切割中遇到的問(wèn)題.294 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化.30 正交實(shí)驗(yàn)條件.30.1 切割質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)條件分析.30 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀分析.33 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析.34 參數(shù)優(yōu)化.36 切割參數(shù)優(yōu)化原則及方法.36 優(yōu)化結(jié)果及分析.37 回歸方程在實(shí)際加工中的效果驗(yàn)證.39 小結(jié).395 結(jié)論.40 主要結(jié)論。.40.41致謝.42參考文獻(xiàn).43附錄A.44附圖B 1 緒論1.1 引言激光一詞“l(fā)aser”是“l(fā)ight amplification

14、 by stimulated emission of radiation”首字母縮寫，意為 “受激輻射的光放大”。它是利用原子或分子受激輻射的原理，使工作物質(zhì)受激而產(chǎn)生的一種單色性高、方向性強(qiáng)、亮度高的光束。隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的切割方法朝著更精密、更高效、更靈活的方向發(fā)展，激光切割技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。激光切割是將能量聚焦到微小的空間，利用這一高密度的能量進(jìn)行非接觸、高速度、高精度的切割方法。這是一種擺脫傳統(tǒng)的機(jī)械切割、熱處理切割之類的全新切割法，與傳統(tǒng)的切割方法相比，具有更高的切割精度、更低的粗糙度和更高的生產(chǎn)效率等特點(diǎn)。很多傳統(tǒng)加工方法不能加工或難以加工的材料、形狀、精度等，利用激光切割也可以很

15、方便實(shí)現(xiàn)。激光精密加工有如下顯著特點(diǎn)： 激光精密加工的對(duì)象范圍很寬，包括幾乎所有的金屬材料和非金屬材料。而電解加工只能加工導(dǎo)電材料，光化學(xué)加工只適用于易腐蝕材料，等離子加工難以加工某些高熔點(diǎn)的材料。 激光精密加工質(zhì)量的影響因素少，加工精度高在一 般情況下均優(yōu)于其它傳統(tǒng)的加工方法。 從加工周期來(lái)看，電火花加工的工具電極精度要求高、損耗太，加工周期較長(zhǎng)；電解加工的加工型腔型面的陰投模設(shè)計(jì)工作量太，制造周期亦很長(zhǎng)；光化學(xué)加工工序復(fù)雜；而激光精密加工操作簡(jiǎn)單，切縫寬度方便調(diào)控，加工速度快，加工周期比其它方法均要短。 激光精密加工屬于非接觸加工，沒有機(jī)械力，相對(duì)于電火花加工、等離子弧加工，其熱影響區(qū)和變

16、形很小，因而能加工十分微小的零部件。綜上所述，激光精密加工技術(shù)比傳統(tǒng)加工方法有許多優(yōu)越性，其應(yīng)用前景十分廣闊。自從60年代初激光器誕生，就開始了激光切割的研究試驗(yàn)，但一直到1970年前后有了5001000W、模式為TE ，的c0 激光器后，激光切割才達(dá)到工業(yè)應(yīng)用水平而得到迅速的發(fā)展。目前，激光切割已是激光加工中最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種新技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國(guó)用于激光切割的激光器占45，日本占65，可見，激光切割已成為競(jìng)爭(zhēng)力很強(qiáng)的高新技術(shù)。近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，激光切割技術(shù)也日新月異，在機(jī)械制造中的應(yīng)用也更加廣泛。激光束可以聚焦到很小的尺寸因而特別適臺(tái)于精密加工。我們按照加工材料的尺

17、寸大小和加工的精度要求，將目前的激光加工技術(shù)分為三個(gè)層次： 大型件材料激光加工技術(shù)，以厚板(數(shù)毫米至幾十毫米)為主要對(duì)象，其加工精度一般在毫米或者亞毫米級(jí)_8； 精密激光加工技術(shù)，以薄板(011 0mm)為主要加工對(duì)象，其加工精度一般在十微米級(jí)； 激光微細(xì)加工技術(shù)，針對(duì)厚度在100tma 下的各種薄膜為主要加工對(duì)象，其加工精度一般在十微米以下甚至亞微米級(jí)。激光切割的工業(yè)應(yīng)用于20世紀(jì)70年代初，最初用在硬木板上切非穿透槽、嵌刀片、制造沖剪紙箱板的模具。隨著激光器件和加工技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大到各種金屬和非金屬板材的切割，應(yīng)用規(guī)模也迅速擴(kuò)展。激光切割所占材料激光加工的比例超過(guò)了50%。從

18、材料方面看，激光能切割的有塑料、木材、紙張、橡膠、皮革、纖維以及復(fù)合材料等。激光切割是激光加工行業(yè)中最重要的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，由于諸多特點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于汽車、機(jī)車車輛制造、航空、化工、輕工、電器和電子、石油和冶金等工業(yè)部門。因此本文將針對(duì)一般厚度的板材做激光切割實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化切割參數(shù)，達(dá)到與一般的加工相比相對(duì)精密的切割質(zhì)量的目的。 激光切割技術(shù)研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)與傳統(tǒng)切割法相比激光精密切割有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，它能開出狹窄的切口、幾乎沒有切割殘?jiān)?、熱影響區(qū)小、切割噪聲小，井可以節(jié)省材料1530 。由于激光對(duì)被切割材料幾乎不產(chǎn)生機(jī)械沖力和壓力故適宜于切割玻璃、陶瓷和半導(dǎo)體等既硬又脆的材料加上激光光斑小、

19、切縫窄所以特別適宜于對(duì)細(xì)小部件作各種精密切割。因此，激光精密切割是激光切割領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究方向。 國(guó)外研究現(xiàn)狀美國(guó)、歐洲和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的激光加工已經(jīng)形成了一個(gè)新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，工業(yè)激光器和激光加工機(jī)的銷售逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)模不斷擴(kuò)大。由于激光切割發(fā)展迅猛，在全球已生產(chǎn)、銷售用于激光加工領(lǐng)域的工業(yè)激光器中有超過(guò)40%的激光器是用作切割用途的。日本是最早將激光切割加工系統(tǒng)引進(jìn)到汽車生產(chǎn)中的國(guó)家，主要應(yīng)用于大型覆蓋件的下料切邊，擋風(fēng)板的激光切割等。美國(guó)福特和通用汽車公司以及日本的豐田、日產(chǎn)等汽車公司，在汽車生產(chǎn)線上普遍采用激光切割技術(shù)。在激光切割工藝研究方面，主要集中于對(duì)激光模式、激光輸

20、出功率、焦點(diǎn)位置以及噴嘴形狀等問(wèn)題的研究。早在20世紀(jì)7080年代，美國(guó)、德國(guó)以及日本等國(guó)家已經(jīng)在大量的激光切割工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)激光切割工藝，建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，并著手研究高性能的激光切割系統(tǒng)，90年代初期國(guó)外就已經(jīng)推出了一些高性能的激光切割系統(tǒng)就具有加工參數(shù)自動(dòng)設(shè)定的功能。為了更深入地發(fā)展激光加工技術(shù)，各國(guó)制定了自己的發(fā)展規(guī)劃，如美國(guó)的“戰(zhàn)略防御倡議”；英國(guó)的“阿維爾計(jì)劃”；日本的“激光研究五年計(jì)劃”；西歐的“尤里卡計(jì)劃”；德國(guó)的“激光技術(shù)及其研究重點(diǎn)”等。這些國(guó)家為了執(zhí)行發(fā)展計(jì)劃還建立了專門的研究機(jī)構(gòu)和激光加工應(yīng)用中心。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀同國(guó)外的發(fā)展情況相比，我國(guó)的激光加工技術(shù)研究起步較晚，

21、基礎(chǔ)工業(yè)相對(duì)落后，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度不是很高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)薄弱。但是由于國(guó)家高度重視發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期不懈的努力已經(jīng)取得了可喜的成果。尤其在激光切割方面，成果更加顯著。主要分為三個(gè)階段：第一階段：早在20世紀(jì)70年代中期，我國(guó)就開始激光切割試驗(yàn)，到70年代末，我國(guó)就在飛機(jī)制造廠安裝中功率（500W左右）激光器，用于切割飛機(jī)零件。1976年，我國(guó)自行研制的激光機(jī)成功用于轎車覆蓋件的切割。第二階段：從20世紀(jì)80年代中期開始，在上海、株洲和天津等地先后全套引進(jìn)高功率（1500W左右）激光切割系統(tǒng)，較guangfan地把激光切割新工藝引入了我國(guó)的工業(yè)制造領(lǐng)域。第三階段：20世紀(jì)90年代以后，開

22、始發(fā)展中、高功率的，具有適合切割光束模式的快流激光系統(tǒng)（包括激光器、切割機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)）為工業(yè)界服務(wù)。激光加工技術(shù)除被列入國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)外，它在國(guó)家自然科學(xué)基金，國(guó)家“863”計(jì)劃，國(guó)家“火炬”計(jì)劃等也有相關(guān)的項(xiàng)目被列入。為推動(dòng)激光加工產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，我過(guò)還建立了三個(gè)國(guó)家級(jí)的激光加工中心。它們分別是：名稱組建單位依托單位國(guó)家固體激光工程技術(shù)研究中心國(guó)家科委電子工業(yè)部第十一研究所激光加工國(guó)家工程研究中心國(guó)家計(jì)委華中科技大學(xué)激光技術(shù)與工程研究院國(guó)家產(chǎn)學(xué)研激光加工技術(shù)中心國(guó)家經(jīng)貿(mào)委北京市機(jī)電研究院和北京工業(yè)大學(xué) 在激光切割方面，目前基本上集中在平板切割，主要用于覆蓋件的下料和樣板切割。 激光切割技術(shù)

23、的發(fā)展趨勢(shì) 激光切割加工廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，加上現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)激光切割加工技術(shù)進(jìn)行不斷深入的研究，推動(dòng)著激光切割技術(shù)不斷地向前發(fā)展。激光切割技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)有：(1) 伴隨著激光器向大功率發(fā)展以及采用高性能的CNC及伺服系統(tǒng)，使用高功率的激光切割可獲得高的加工速度，同時(shí)減小熱影響區(qū)和熱畸變；所能夠切割的材料板厚也將進(jìn)一步地提高。高功率激光可以通過(guò)使用Q開關(guān)或加載脈沖波，從而使低功率激光器產(chǎn)生出高功率激光。(2) 根據(jù)激光切割工藝參數(shù)的影響情況，改進(jìn)加工工藝，如：增加輔助氣體對(duì)切割熔渣的吹力；加入造渣劑提高熔體的流動(dòng)性；增加輔助能源，并改善能量之間的耦合；以及改用吸收率

24、更高的激光（YAG激光或激光等）切割。(3) 激光切割將向高度自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。將CAD/CAPP/CAM以及人工智能運(yùn)用于激光切割，研制出高度自動(dòng)化的多功能激光加工系統(tǒng)。(4) 根據(jù)加工速度自適應(yīng)地控制激光功率和激光模式或建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和專家自適應(yīng)控制系統(tǒng)使得激光切割整機(jī)性能普遍提高。以數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)核心，面向通用化的CAPP開發(fā)工具，對(duì)激光切割工藝設(shè)計(jì)所涉及的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立相適應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。(5) 向多功能的激光加工中心發(fā)展，將激光切割、激光焊接以及熱處理等各道工序后的質(zhì)量反饋集成在一起，充分發(fā)揮激光加工的整體優(yōu)勢(shì)。(6) 隨著Internet和WEB技術(shù)的發(fā)展，建立基于WE

25、B的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，采用模糊推理機(jī)制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)自動(dòng)確定激光切割工藝參數(shù)，并且能夠遠(yuǎn)程異地訪問(wèn)和控制激光切割過(guò)程成了不可避免的趨勢(shì)。(7) 三維高精度大型數(shù)控激光切割機(jī)及其切割工藝技術(shù)，正向高效率、高精度、多功能和高適應(yīng)性方向發(fā)展。激光切割正向著激光切割單元FMC、無(wú)人化和自動(dòng)化方向發(fā)展。 本課題的選題背景、目的和研究方法 本課題的選題背景 在激光加工技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，激光切割技術(shù)在我國(guó)還沒有被廣泛地應(yīng)用，原因是多方面的：國(guó)外先進(jìn)的設(shè)備十分昂貴而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的設(shè)備性能還不穩(wěn)定；激光加工過(guò)程的安全防護(hù)問(wèn)題；舊設(shè)備的報(bào)廢；新工藝的不確定性等等，歸根結(jié)底就是我國(guó)綜合國(guó)力還不夠強(qiáng)。如前所述激光切割在現(xiàn)代

26、汽車工業(yè)、激光加工綜合技術(shù)和航空航天等領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這些領(lǐng)域在一定程度上關(guān)系到一個(gè)國(guó)家的科技和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，因此各國(guó)政府都在積極投資促進(jìn)激光加工的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。由于人們對(duì)激光與材料相互作用的機(jī)理還缺乏深入的認(rèn)識(shí)，操作人員對(duì)激光切割機(jī)的使用特別是工藝參數(shù)的選取存在一定的盲目性，僅憑不斷地試驗(yàn)來(lái)加工，一方面浪費(fèi)了大量的時(shí)間，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低；另一方面，由于參數(shù)選取不合適，造成材料浪費(fèi)，也使經(jīng)濟(jì)利益下降，并且切割質(zhì)量不穩(wěn)定，對(duì)機(jī)床本身也造成損害，因此激光切割還存在著精度、質(zhì)量和穩(wěn)定性的問(wèn)題。此外，工藝是使各種原材料、半成品成為成品的方法和過(guò)程，是生產(chǎn)產(chǎn)品的重要依據(jù)，目前國(guó)內(nèi)還沒有國(guó)外企業(yè)那種

27、投資的工藝研究體制，重視理論研究和設(shè)備研制方面的投入，導(dǎo)致應(yīng)用工藝研究成為空缺，因此必須加強(qiáng)激光切割工藝的研究，逐步形成完善而可靠的加工工藝，以推動(dòng)激光切割在輕工、石化、礦業(yè)、汽車、航天航空等領(lǐng)域更為廣泛的應(yīng)用。 本課題的選題目的 本課題研究的目的是，通過(guò)進(jìn)行激光二維切割試驗(yàn)，優(yōu)化激光二維參數(shù)，創(chuàng)建激光二維切割工藝規(guī)范，提高激光切割應(yīng)用效率及切割精度，進(jìn)而保證激光切割質(zhì)量，并運(yùn)用相關(guān)理論指導(dǎo)生產(chǎn)。該規(guī)范還可在同類行業(yè)推廣應(yīng)用，以提升國(guó)產(chǎn)激光設(shè)備實(shí)用程度，推動(dòng)我國(guó)激光技術(shù)的發(fā)展。1. 本課題的研究方法 本課題主要通過(guò)分析激光切割原理，利用某市市應(yīng)用技術(shù)研究所現(xiàn)有激光加工設(shè)備，進(jìn)行常用板材的激光切

28、割工藝試驗(yàn)。從板厚、激光功率及切割速度三方面因數(shù)，采用正交試驗(yàn)方法，進(jìn)行多參數(shù)組合優(yōu)化，尋找激光二維切割工藝規(guī)律，優(yōu)化激光二維切割工藝規(guī)范。激光切割工藝優(yōu)化，將密切聯(lián)系相關(guān)廠家及研究機(jī)構(gòu)，進(jìn)行大量的工藝實(shí)驗(yàn)，探求合適的工藝參數(shù)，并分析研究，形成自己的激光二維切割規(guī)范。本文用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法重點(diǎn)研究了切割功率、切割速度對(duì)切割表面質(zhì)量及切割面組織性能的影響，以達(dá)到優(yōu)化切割參數(shù)、提高切割精度的目的，并得到了驗(yàn)證，同時(shí)也為在實(shí)際生產(chǎn)中制訂切割參數(shù)提供了試驗(yàn)依據(jù)。2 激光切割技術(shù)概述 激光切割的基本原理 激光切割頭的示意圖如圖2-1所示。聚焦透鏡將激光聚焦至一個(gè)很小的光斑，光斑的直徑一般為0.1。焦斑

29、位于待加工表面附近，用以熔化或汽化被切材料。與此同時(shí)，與光束同軸的氣流由切割頭噴出，將熔化或汽化了的材料由切口的底部吹出。隨著激光切割頭與被切材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，生成切口。 激光切割頭示意圖激光切割以連續(xù)或重復(fù)脈沖方式工作，切割過(guò)程中激光束聚焦成很小的光斑焦斑點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度（超過(guò)/）。這時(shí)光束輸入的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散部分，材料很快被加熱至氣化溫度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對(duì)線性移動(dòng)，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，且切邊受熱影響很小。切割過(guò)程發(fā)生在切口的終端處一個(gè)垂直的表面，稱之為燒蝕前沿。激光與氣流在該處進(jìn)入切口，激光能量一部分為燒蝕前沿所吸收，一部分通過(guò)切口或經(jīng)燒蝕

30、前沿向切口空間反射。其切割過(guò)程示意圖如圖2-2所示。 激光切割的主要方式從切割過(guò)程不同的物理形式來(lái)看，激光切割大致可分為以下四種：氣化切割、熔化切割、氧化助熔切割和控制斷裂切割。(1) 氣化切割氣化切割中，材料的去除靠激光瞬間使材料氣化。在高功率密度激光束加熱下，除一部分被反射外，其余被材料吸收變?yōu)闊崮?，使材料表面溫度迅速升至沸點(diǎn)溫度而無(wú)明顯熔化，于是部分材料氣化成為蒸汽逸去，表面形成小孔，小孔相當(dāng)于黑體，再加上表面氧化等因素，材料對(duì)激光的吸收率急劇增大，部分材料作為噴出物從切縫底部被高壓氣流吹走形成切口。這種氣化切割主要用于脈沖激光，切割一些不能熔化的材料如木材、塑料以及陶瓷等。(2) 熔化

31、切割當(dāng)激光的功率密度較低時(shí)，激光先將材料熔化，然后被輔助氣體吹除。當(dāng)入射的激光束功率密度超過(guò)某一值時(shí)，光束照射點(diǎn)處材料內(nèi)部開始蒸發(fā)，形成孔洞。一旦這種小孔形成，它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金屬壁所 包圍，然后與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料去除。熔化切割機(jī)制所需的激光功率密度大約在左右。隨著工件的移動(dòng)，小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。激光束繼續(xù)沿著這條縫的前沿照射，熔化材料持續(xù)或脈動(dòng)地從縫內(nèi)被吹掉形成切口。這種切割主要應(yīng)用于不能與氧發(fā)生發(fā)熱反應(yīng)的材料，如鋁等。(3) 氧化助熔切割熔化切割一般使用惰性氣體，如果使用氧氣或其他氣體，材料在激光照射下被點(diǎn)燃，與氧氣發(fā)生激

32、烈的放熱反應(yīng)。氧氣流對(duì)切口起沖刷作用，能將燃燒生產(chǎn)的熔融氧化物吹掉，并對(duì)達(dá)不到燃燒溫度的部分起冷卻作用，降低熱影響區(qū)的溫度。這種方法主要用于鋼的切割，是應(yīng)用最廣的切割方法。(4) 控制斷裂切割對(duì)易受熱破壞的脆性材料。激光束加熱后在小塊區(qū)域，引起大的熱梯度和嚴(yán)重的機(jī)械變形，導(dǎo)致材料形成裂紋，只要保持均衡的加熱梯度，激光束就可引導(dǎo)裂紋在任何需要的方向產(chǎn)生。這是切割玻璃之類具有高膨脹系數(shù)材料的基本方法?？刂茢嗔亚懈钏俣瓤?，不需要太高功率，否則會(huì)引起工件表面熔化，破壞切縫邊緣。這種控制斷裂切割機(jī)制不適用切割銳角，切割特大封閉外形也不容易成功。 激光切割的加工特點(diǎn)表1常用精密加工特點(diǎn)比較加工方法加工機(jī)理

33、主要特點(diǎn)精密程度及影響因數(shù)基本設(shè)備投資電火花加工（EDM）利用電、熱能熔化、汽化材料加工裝置簡(jiǎn)單?？蓪?duì)各種 料進(jìn)行加工，但作精密加工時(shí)，電極必然很細(xì)，對(duì)沒備要求很高：與工具電極有關(guān)，但制備直徑在0.1毫米以下的電極很難。中等超聲波加工（USM）利用聲、機(jī)械能切蝕材料適用脆性材料的加工，機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，但加工效率低。與工具尺寸和磨料的粗細(xì)有關(guān)低電解加工（ECM）利用電化學(xué)能使離子轉(zhuǎn)移加工范圍廣，生產(chǎn)率高，操作方便；但精度低，機(jī)床價(jià)格高，易造成環(huán)境污染。加工精度低于電火花加工高光化學(xué)加工（PCM）利用光、化學(xué)能腐蝕材料適合復(fù)雜形狀的蝕刻（印刷電路板）；但加工工序多，周期長(zhǎng)，且加工精度受刻蝕

34、因子限制縫隙寬度必須大于一倍板厚中等等離子弧加工（PAM）利用電、熱能熔化、汽化材料加工速度快，能量集中，參數(shù)易于調(diào)節(jié)，但加工精度較低。精度較差，具體數(shù)據(jù)不詳?shù)图す饧庸ぃ↙BM）利用光、熱能熔化、汽化材料可對(duì)任何固體材料加工，熱影響區(qū)小，加工速度快縫寬或孔徑可達(dá)30微米甚至更低高激光束可以聚焦到很小的尺寸，因而特別適臺(tái)于精密加工。由表 1可見，激光精密加工有如下顯著特點(diǎn)：激光精密加工的對(duì)象范圍很寬，包括幾乎所有的金屬材料和非金屬材料。而電解加工只能加工導(dǎo)電材料，光化學(xué)加工只適用于易腐蝕材料，等離子加工難以加工某些高熔點(diǎn)的材料。激光精密加工質(zhì)量的影響因素少，加工精度高在 般情況下均優(yōu)于其它傳統(tǒng)的

35、加工方法。從加工周期來(lái)看，電火花加工的工具電極精度要求高、損耗太，加工周期較長(zhǎng)；電解加工的加工型腔型面的陰投模設(shè)計(jì)工作量太，制造周期亦很長(zhǎng)；光化學(xué)加工工序復(fù)雜；而激光精密加工操作簡(jiǎn)單，切縫寬度方便調(diào)控，加工速度快，加工周期比其它方法均要短。 激光精密加工屬于非接觸加工，沒有機(jī)械力，相對(duì)于電火花加工、等離子弧加工，其熱影響區(qū)和變形很小，因而能加工十分微小的零部件。隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的切割方法朝著更精密、更高效、更靈活的方向發(fā)展，激光切割技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。激光切割是激光加工技術(shù)在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的一個(gè)方面，也成為激光加工技術(shù)中最為成熟的技術(shù)之一。激光切割技術(shù)具有靈活、高效、變形小、噪音低以及清潔、安全

36、的優(yōu)點(diǎn)，在板材加工領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用。如果某板材產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、更新快，就意味著制造廠必須具有快速應(yīng)變能力。板材柔性加工單元(FMC)具有高度獨(dú)立和自動(dòng)化的加工能力，適應(yīng)了產(chǎn)品快速變化的要求。激光切割技術(shù)兼具緊湊和高速、柔性特點(diǎn)。很多零件存在深孔、方孔、異形孔、復(fù)雜輪廓曲線等特征。如按常規(guī)機(jī)械加工方法，這是很難以實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，只有依靠線切割、電火花等加工方法。而對(duì)于大尺寸、數(shù)量多的零件，電加工方法很不經(jīng)濟(jì)。與這些方法比較，激光切割是非接觸式的，對(duì)工件本身無(wú)機(jī)械沖壓力，工件不易變形，熱影響極小，激光束的能量和軌跡易于實(shí)現(xiàn)精密控制，因而可完成精密復(fù)雜的加工。它可以在薄金屬板上打出直徑02mm的細(xì)小深

37、孔，打孔精度高、重復(fù)性好，能夠在斜面上打斜孔、異形孔。激光切割對(duì)一定范圍內(nèi)的厚板、薄板均可進(jìn)行切割，省料、切割速度快、效率高、不變形。激光切割在機(jī)械加工業(yè)和五金業(yè)以及電子行業(yè)已經(jīng)得到比較廣泛的應(yīng)用。 由此可見，激光切割的主要特點(diǎn)有：(1) 切割質(zhì)量好。切縫窄，切縫兩邊平行并且與表面垂直，切割零件的尺寸精度可達(dá)。激光切割的割縫一般在m。m以上。熱影響區(qū)小，引起材料的變形非常小，材料性能不受影響。(2) 切割范圍廣，既能切割金屬材料又能切割各種非金屬材料。(3) 切割效率高，激光切割機(jī)一般配備多臺(tái)數(shù)控工作臺(tái)，整個(gè)切割過(guò)程可以全部實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。操作時(shí)，只需改變數(shù)控程序，就可以進(jìn)行不同形狀零件的切割

38、，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化自動(dòng)控制，提高切割效率。(4) 良好的切割環(huán)境，由于切割時(shí)割距等與工件無(wú)接觸，工具無(wú)磨損，切割時(shí)沒有強(qiáng)烈的輻射、噪聲和環(huán)境污染，所以為操作者提供了良好的工作場(chǎng)所。 激光器及參數(shù)的選擇 激光自誕生以來(lái)，尤其是近十幾年來(lái)，激光技術(shù)及其應(yīng)用得到迅速普及和發(fā)展，激光器種類繁多，新型激光器不斷被開發(fā)?，F(xiàn)代用于激光加工制造的激光器，主要有Nd:YAG激光器、激光器、準(zhǔn)分子激光器、大功率半導(dǎo)體激光器等。其中大功率激光器和大功率Nd:YAG激光器在大型工件激光加工技術(shù)中應(yīng)用較廣；中小功率激光器和Nd:YAG激光器在精密加工中應(yīng)用較多；準(zhǔn)分子激光器多應(yīng)用于微細(xì)加工。本課題主要是研究激光精密切割，因此

39、，下面主要討論中小功率激光器和Nd:YAG激光器的選擇。目前適用于激光切割的工業(yè)化激光器主要是激光器和Nd:YAG激光器。切割用激光器和Nd:YAG激光器的基本特性及主要用途見表2，切割加工性能比較見表3表2 激光器和Nd:YAG激光器的基本特性及主要用途激光器波長(zhǎng)/m振蕩形式輸出功率效率/%用途Nd:YAG激光器1.06脈沖/連續(xù)150J3打孔、焊接、切割、燒刻激光器10.6脈沖/連續(xù)20kW20打孔、切割、焊接、熱處理效率指投入激光器工作介質(zhì)的能量與激光輸出能量之比表3 激光器和Nd:YAG激光器的切割加工性能比較項(xiàng)目激光器Nd:YAG激光器聚焦性能光束發(fā)散角小，易獲得基模，聚焦后光斑小，

40、功率密度高光束發(fā)散角小，不易獲得單模式（僅超聲波Q開關(guān)Nd:YAG激光器能生產(chǎn)單模式），聚焦后光斑較大，功率密度低金屬對(duì)激光的吸收率（常溫）低高切割特性好（切割厚度大，切割速度快）較差（切割能力低）結(jié)構(gòu)特性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較小，對(duì)光路的精度要求高結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，光路和光學(xué)零件簡(jiǎn)單維護(hù)保養(yǎng)性差良好加工柔性差（光束的傳達(dá)依靠反射鏡，難以傳送到不同加工工位）好（可利用光纖維傳達(dá)光束，1臺(tái)激光器可用于多個(gè)工位，也能多臺(tái)同型激光器連用）由上表2、表3可以看出，Nd:YAG激光器的輸出功率小，效率低，聚焦后光斑較大，功率密度低，切割特性也較差，因此，不能適應(yīng)激光精密切割的要求。 激光器有輸出波長(zhǎng)較長(zhǎng)，波長(zhǎng)

41、對(duì)聚焦、光纖傳輸和金屬表面吸收率不利的缺點(diǎn)。但是激光器輸出功率大、能量轉(zhuǎn)換率高，既能連續(xù)又能脈沖工作，同時(shí)由于工作物質(zhì)是氣體，均勻性好，因此激光質(zhì)量較好，切割特性也就好。因此，選用中小激光器做精密切割最合適。一般來(lái)說(shuō)，激光功率越大，所能切割的板厚越大，切割速度也越快，切口寬度隨之略有增加，影響切割質(zhì)量。因此，必須選擇適當(dāng)?shù)妮敵龉β省］o助氣體的壓力對(duì)切割效果的影響是：適當(dāng)增大氣體壓力，由于氣流動(dòng)量增大，排渣能力提高，可使無(wú)粘渣的切割速度增加。但壓力過(guò)大，切割面反而變粗糙。氧氣壓力對(duì)切割面平均粗糙度的影響如圖3所示。圖3氧氣壓力對(duì)切割面平均粗糙度的影響氣體壓力還取決于板厚。用1kW的激光切割碳素鋼

42、時(shí)，氧氣壓力和板厚的關(guān)系如圖4所示。 圖4 氧氣壓力和板厚的關(guān)系 激光模式分為縱模和橫模。激光縱模決定了激光波長(zhǎng)和激光頻率，而波長(zhǎng)又對(duì)激光加工有很強(qiáng)的影響。激光橫模決定激光光波在空間的展開程度，高階模展開比較寬，低階模能量比較集中。激光切割時(shí)要求能量分布在光束橫截面內(nèi)要集中，所以應(yīng)該選用能量集中的低階模激光束。 激光切割質(zhì)量的評(píng)判依據(jù)主要影響參數(shù) 對(duì)于激光加工而言，評(píng)價(jià)其加工質(zhì)量主要包括一下幾個(gè)方面。(1)切縫垂直度。要求垂直度好、切縫表面光滑，無(wú)條紋。(2)切割縫口寬度。(3)熱影響區(qū)。熱影響區(qū)小，沒有材料燃燒；沒有熔化層形成；沒有大的熔渣；沒有脆性斷裂。(4)切口表面粗糙度。表面粗糙度的大

43、小是衡量激光切割表面質(zhì)量的關(guān)鍵。除此之外，加工過(guò)程中熔化層的狀態(tài)和最終形成，將直接影響著激光切割的質(zhì)量。影響激光切割質(zhì)量的因數(shù)很多，主要包括3個(gè)方面：材料特性、激光光束特性以及加工工藝參數(shù)等。（見圖5、圖6、圖7） 加工材料激光束工藝參數(shù)最大切速熱影響區(qū)切縫寬度表面粗糙度圖5激光切割過(guò)程的影響因數(shù)材料組成材料特性熱傳導(dǎo)率熔化潛熱加工材料熔點(diǎn)液態(tài)金屬黏度與表面張力金屬氧化物黏度與表面張力光吸收特性表面粗糙度外部條件對(duì)激光吸收率表面涂覆環(huán)境溫度 圖6材料對(duì)切割質(zhì)量的影響 激光束波長(zhǎng)/頻率能量特性 功率及功率密度 偏振特性 光束質(zhì)量激 模式特性 光束模式光 橫截面能量分布光 束 焦點(diǎn)位置 焦點(diǎn)大小焦

44、點(diǎn)特性 焦深 發(fā)散角 連續(xù)/脈沖時(shí)間特性 脈沖頻率 峰值功率 脈沖波形 圖7影響切割的激光光束參數(shù)其中，影響激光切割質(zhì)量的主要因數(shù)有：光束質(zhì)量切割用的激光首先要有高的光束質(zhì)量。同時(shí)，為了得到高的功率密度和精細(xì)的切口，聚焦光斑直徑要小。因此，激光束的模式應(yīng)該盡可能接近基模。光束的模式越低，聚焦后的光斑尺寸越小，功率密度和能量密度越大，切割性能也就越好。見圖8。圖8 光束模式對(duì)切割面粗糙度的影響TEM01模式；2-TEM00模式切割頭 切割頭不同，其焦距不同。一般說(shuō)來(lái)，激光束經(jīng)短聚焦透鏡聚焦后光斑尺寸小，焦點(diǎn)處功率密度高，對(duì)降低切口寬度，對(duì)得到更精細(xì)的切口有利，但不利之處是焦深很短，調(diào)節(jié)余量小，一

45、般適合切割薄型材料。離焦量 離焦量即聚焦點(diǎn)離被加工面的距離。由于激光功率密度對(duì)切割速度影響很大，因此，保持焦點(diǎn)與工件的相對(duì)位置恒定對(duì)保證切割質(zhì)量尤為重要。由于焦點(diǎn)處的功率密度最高，大多數(shù)情況下，激光切割的聚焦光斑位置應(yīng)靠近工件表面，并略在工件表面以下，即0mm0.mm。噴嘴與工件表面距離一般為之間。當(dāng)焦點(diǎn)處于最佳位置時(shí)，切縫最小，效率最高。切割速度對(duì)給定的激光功率密度和材料，切割速度應(yīng)符合于一個(gè)經(jīng)驗(yàn)曲線（見圖9），只要在某閥值以上，材料的切割速度與激光功率密度成正比，即增加功率密度可提高切割速度。對(duì)切割金屬材料而言，在其他工藝變量保持恒定的情況下，激光切割速度可以有一個(gè)相對(duì)調(diào)節(jié)范圍仍能保持較滿

46、意的切割質(zhì)量，這種調(diào)節(jié)范圍在切割薄金屬時(shí)比厚件稍寬。若切割速度過(guò)高，則切口清渣不凈或切不透；若切割速度過(guò)低，則材料過(guò)燒，切口寬度和材料熱影響區(qū)過(guò)大。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)效率，一般采用高速切割。圖9切割速度材料厚度經(jīng)驗(yàn)式示意曲線輔助氣體種類和壓力輔助氣體除用于從切割區(qū)吹掉熔渣以清除切縫的惰性氣體和活性氣體，對(duì)非金屬材料和部分金屬材料，使用壓縮空氣或惰性氣體，清除熔化和蒸發(fā)材料，同時(shí)抑制切割區(qū)過(guò)度燃燒。氧氣純度對(duì)切割質(zhì)量有明顯影響。氧純度降低會(huì)降低切割速度，并導(dǎo)致切口質(zhì)量顯著變壞。激光切割對(duì)氣流的基本要求是進(jìn)入切口的氣流要大，速度要高。但是氣流壓力過(guò)低，吹不走切口處的熔融材料；壓力過(guò)高，

47、易在工件表面形成渦流，削弱了氣流去除熔融材料的作用。輔助氣壓還是引起切割前沿?cái)_動(dòng)層不穩(wěn)定的因素之一。適當(dāng)增加氣壓，排渣能力提高，切割速度增加，但是切割表面質(zhì)量下降。激光功率激光功率越大，所能切割的材料的厚度也越厚。下表給出了各種功率的激光切割某些金屬材料的實(shí)驗(yàn)最大厚度。表2激光功率與切割金屬的最大實(shí)用厚度激光功率/W實(shí)用最大切割厚度/mm碳素鋼不銹鋼鋁合金（A5052）銅黃銅10001293121500146約3約42000221255300025141058150008055對(duì)連續(xù)激光來(lái)說(shuō)，激光功率大小和模式好壞都會(huì)對(duì)切割發(fā)生重要的影響，激光功率和切割速度（線能量）決定了輸入到工件的能量。隨

48、著激光功率的增加，切口寬度與激光功率成線性正比關(guān)系。激光功率過(guò)小，切口切不開，切口表面粗糙度增加；激光功率過(guò)大，會(huì)增大切口，粗糙度也會(huì)增大。一般來(lái)說(shuō)，希望激光功率可能大，這樣可以發(fā)揮激光器的功率優(yōu)勢(shì)，但需要保證功率穩(wěn)定。影響加工質(zhì)量的因數(shù)很多，還有材料、機(jī)械/控制系統(tǒng)、聚焦透鏡的影響。本文主要研究工藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響，如何優(yōu)化加工工藝參數(shù)。表3列出了使用RofinSinar公司生產(chǎn)的Slab激光器DC35切割碳鋼、不銹鋼常用的切割參數(shù)。 表3激光功率/W材料厚度/mm焦距/inch速度/（m/min）氣壓/bar噴嘴直徑/mm離焦量/mm噴嘴距離/mm碳鋼用氧氣切割330015510330

49、02553113300355311330041-2135006-2135008-21350010-213500121.5-213500152-213500201350025-31不銹鋼用氮?dú)馇懈?5001520103500251510-135003515-2350042-335005202-4350061020-53500815203-635001015203-6表中的參數(shù)為DC35激光器的建議切割參數(shù)，而且也只列出了一部分考慮的因素，具體操作時(shí)，考慮的因素還要多。本實(shí)驗(yàn)中采用的是團(tuán)結(jié)普瑞瑪SLCF-X1530型數(shù)控激光切割機(jī)，其最高切割速度為5m/min.設(shè)備條件產(chǎn)品名稱：團(tuán)結(jié)普瑞瑪數(shù)控激光

50、切割機(jī)產(chǎn)品型號(hào)：SLCF-X1530本產(chǎn)品屬于大功率的激光切割機(jī)，所用的激光器為DC030激光器，功率為3kW。SLCF-X1530型數(shù)控激光切割機(jī)的重要組成部分：主機(jī)、激光器、冷水機(jī)組。主機(jī)是整個(gè)切割機(jī)的主體，主要有床身、橫梁、交換工作臺(tái)、切割頭、氣路及水路、控制系統(tǒng)等部分組成。如圖10該切割機(jī)的加工區(qū)域：X軸： 3000mm Y軸： 1500mm Z軸： 150mm。定位精度(mmm)：重復(fù)定位精度(mm)：該切割機(jī)可以切割的材料：碳鋼、不銹鋼、木材、塑料等。常見材料加工最大厚度：碳鋼：18mm；不銹鋼：8mm；銅和鋁：5mm；木材：30mm. 圖10團(tuán)結(jié)普瑞瑪數(shù)控激光切割機(jī) 設(shè)備使用條件

51、 該實(shí)驗(yàn)室采用Rofin SLAB激光器（DC系列）的設(shè)備使用條件如表2.4所示。Rofin SLAB激光器（DC系列）的設(shè)備使用條件項(xiàng)目要求備注設(shè)備使用環(huán)境1）確保激光切割設(shè)備的工作溫度在5-40度激光使用環(huán)境溫度5-30度濕度小于70%現(xiàn)場(chǎng)供電供電容量120KVA供電質(zhì)量：三相電壓穩(wěn)定度5%，三相電源不平衡度2.5%建議使用三相電子式穩(wěn)定電源激光器工作氣體及保護(hù)氣體Rofin SLAB激光器專用氣體1瓶高純氮?dú)猓?9.999%）3瓶消耗品激光器冷卻水去離子水5L，傳導(dǎo)性10s/cm2）醫(yī)用蒸餾水：400L，PH值=78，導(dǎo)電率103）流量：133L/min4）進(jìn)口壓力3bar，最大4bar

52、5）溫度21度6）溫度穩(wěn)定度1輔助氣體碳鋼切割用氣體高純度氧氣1瓶（99.995%）氧氣3瓶（99.6%）消耗品不銹鋼切割用氣體1）普通氮?dú)?瓶（99.7%）氣瓶用氣體減壓器氣瓶用氧氣減壓器4個(gè)氣瓶用氮?dú)鉁p壓器2個(gè)消防1）滅火器材3 激光切割加工工藝過(guò)程 計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)激光切割是熔化和汽化相結(jié)合的過(guò)程，影響其切割質(zhì)量的因素很多。除了材料、工藝參數(shù)、機(jī)械/控制系統(tǒng)外，軟件因素也對(duì)加工質(zhì)量有很大的影響。根據(jù)實(shí)際切割中出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合激光切割本身的特點(diǎn)，研究這些軟件對(duì)加工質(zhì)量的影響正是計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容。 實(shí)驗(yàn)材料根據(jù)激光切割機(jī)的切割能力和研究所的實(shí)際生產(chǎn)情況，結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)要達(dá)到相對(duì)精

53、密加工的目的，我們選取較薄的板材（厚度為1.5mm）進(jìn)行切割，實(shí)驗(yàn)材料為不銹鋼和低碳鋼，下面我們用低碳鋼板作為例子來(lái)介紹工件的工藝處理過(guò)程。 加工尺寸 選擇低碳鋼板（Q235）作為實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，零件尺寸見圖。加工鋼板面積3000mm1500mm，加工批量15件。 工藝過(guò)程零件的加工工藝處理前半部分主要通過(guò)團(tuán)結(jié)普瑞瑪數(shù)控激光切割機(jī)SLCF-X1530上的數(shù)控軟件PM-200完成。具體步驟如下：確定切割路徑打開PM-200軟件，根據(jù)零件的形狀與尺寸進(jìn)行CAD制圖。一般說(shuō)來(lái)，都是先在AutoCAD上完成制圖，再將圖形導(dǎo)入軟件。在導(dǎo)入先應(yīng)先將圖形轉(zhuǎn)換為DXF格式，然后選擇“讀入檔案”，如圖3.2所示。讀入

54、圖形后，檢查圖形有無(wú)錯(cuò)誤，若有錯(cuò)誤（如圖形不封閉，或有重復(fù)線段）則圖形為綠色，若無(wú)錯(cuò)誤，圖形為藍(lán)色。定義整個(gè)圖形后，點(diǎn)擊“快速切割”圖標(biāo)，可自動(dòng)生成切割路線。用戶可根據(jù)實(shí)際情況及加工路線最短、工藝優(yōu)化等各種情況合理地改變切割起始點(diǎn)和切割路徑。主要原則有：(1) 激光切割要從一個(gè)起始點(diǎn)開始切割，我們把這個(gè)點(diǎn)叫做打孔點(diǎn)，又稱為“引弧孔”，也可以叫做切割起始孔.有時(shí)對(duì)于沒有精度要求或要求不高的板材切割可以直接將打孔點(diǎn)設(shè)置在零件的切割輪廓上，對(duì)于精密加工必須將打孔點(diǎn)設(shè)置在板材廢墟上而不能設(shè)置在零件的輪廓上。(2) 確定了零件切割的打孔點(diǎn)后，還要考慮如何設(shè)置從該點(diǎn)到零件輪廓上起始點(diǎn)的軌跡，我們把這種切割

55、路徑稱為引入、引出線。引入、引出線是零件輔助切割路徑的一種。零件輪廓以外的切割路徑統(tǒng)稱為輔助切割路徑，精密加工時(shí)，設(shè)置輔助切割路徑是保證零件外輪廓切割質(zhì)量的一條很重要的工藝措施。輔助切割路徑分為兩類：一類是“切入、切出輔助路徑”即引入、引出線；另一類是“環(huán)形輔助路徑”。(3) 激光切割工藝的研究除了研究工藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響以外，切割工件的部位對(duì)切割質(zhì)量的影響也很大，如零件尖拐角部位。這是因?yàn)樵诩す馇懈钋?，各種加工工藝參數(shù)都在實(shí)際加工前預(yù)先設(shè)置好了，這些參數(shù)都是在正常的切割條件下獲得的，一般在一定條件下，切割功率和切割速度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，遇到尖角部位，由于切割頭的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生了變化，從正常

56、的切割速度降為零，又從零重新加速，而其他參數(shù)如功率仍然保持不變，尖拐角處的散熱不及時(shí)，造成拐角處過(guò)熱熔化，很容易形成過(guò)燒，使得該處的切割質(zhì)量達(dá)不到要求。尤其是切割形狀復(fù)雜而精細(xì)的零件很難通過(guò)調(diào)整切割工藝參數(shù)的方法，滿足切割要求。目前在實(shí)際切割過(guò)程中，我們用的最多的是通過(guò)功率隨度控制（P/V）來(lái)保證零件尖角的加工精度，避免產(chǎn)生熱集中。(4) 由于激光束存在發(fā)散，因此聚焦后不可能是一個(gè)幾何點(diǎn)而是一個(gè)具有一定直徑的光斑，精密切割時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行半徑的自動(dòng)補(bǔ)償。在實(shí)際的激光切割中，光斑直徑一般在100500m，自動(dòng)補(bǔ)償時(shí)激光束中心軌跡偏離理論輪廓一個(gè)光斑半徑，并對(duì)偏移后的中心軌跡進(jìn)行處理。000mm。

57、軟件自動(dòng)生成的加工路徑如圖3.5所示，我們可以修改“切割起始點(diǎn)”及“切割順序”，經(jīng)優(yōu)化、合理選擇后自定義的切割路線如圖3.6所示： 生成NC程序在定義切割順序之后，我們將其轉(zhuǎn)化為數(shù)控碼，點(diǎn)擊右邊的NC圖標(biāo)，即出現(xiàn)對(duì)話框，如圖3.7所示。NC自動(dòng)編程是用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的。軟件的功能是把DXF文件中經(jīng)排序后的每個(gè)實(shí)體及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與數(shù)控機(jī)床對(duì)應(yīng)的G、M碼格式。NC指令接口程序從DXF文件中提取信息，再對(duì)應(yīng)增量值進(jìn)行編程。一個(gè)完整的數(shù)控程序中還需要其它的G、M碼，例如一些工藝參數(shù)等。這些參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行輸入。我們可根據(jù)實(shí)際加工情況在上圖的下拉菜單中選擇目標(biāo)機(jī)器及材料，切割此零件我們選用控制器“氧氣

58、切割所有厚度和氮?dú)馇懈?mm以下板用”。材料選擇“SPC-UB-na(3)”，厚度輸入3。最后點(diǎn)“確定”，即轉(zhuǎn)化為數(shù)控碼，如圖3.8所示，程序見附錄。模擬切割進(jìn)入PM-200，還可在屏幕上預(yù)覽機(jī)器模擬切割的全過(guò)程，以便對(duì)于不合理的排料方式進(jìn)行手動(dòng)修改。模擬參數(shù)的快慢可通過(guò)修改“暫停時(shí)間”來(lái)調(diào)節(jié)。修改完所要修改的參數(shù)后，點(diǎn)擊“模擬-重新模擬”，即可觀察到模擬切割的全過(guò)程，如圖3.9所示：自動(dòng)排版 我們還可以根據(jù)零件的數(shù)量進(jìn)行自動(dòng)排版，步驟如下：首先將整個(gè)圖形定義，然后選擇“群組-加入”，使整個(gè)零件定義為一個(gè)塊。然后點(diǎn)擊“自動(dòng)排版”圖標(biāo)，定義“作業(yè)環(huán)境”材料尺寸為30001500.輸入所要加工的零

59、件數(shù)目，確定后點(diǎn)擊“開始執(zhí)行”圖標(biāo)，選擇排版方式后，即可觀察到自動(dòng)排版的效果圖，如圖3.10.程序傳輸最后，可通過(guò)軟件WinDNC將文件讀入，點(diǎn)擊圖標(biāo)發(fā)送到CNC。界面如圖3.11所示，右邊界面將會(huì)顯示發(fā)送零件的程序。需要注意的是，此軟件一定要把文件定義為六位的數(shù)字，否則就會(huì)發(fā)送失敗，需要重新命名文件。 到此，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行工藝處理的過(guò)程就結(jié)束了，流程圖如圖3.12所示。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助工藝設(shè)計(jì)，這不僅大大減少了操作人員的工作量，也減少了出錯(cuò)的概率，且重復(fù)精度高，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集提供了可靠保障。系統(tǒng)生成的程序傳至CNC后，工藝處理過(guò)程就由計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)到了激光切割機(jī)。具體步驟如下：(1) 板料定位(

60、2) 通過(guò)手動(dòng)方式，將切割頭移動(dòng)到切割開始位置。(3) 通過(guò)CNC的“模擬”功能，將程序演示一遍，再次檢查有無(wú)錯(cuò)誤，切割尺寸是否足夠。若有錯(cuò)誤，則繼續(xù)修改；若尺寸不夠，則重新定位開始位置或者換大的板材。(4)試切割，并觀察切割質(zhì)量，看是否達(dá)到了圖紙要求。然后根據(jù)下章的內(nèi)容不斷將參數(shù)優(yōu)化，獲得最優(yōu)的加工質(zhì)量。(5)正式切割，得到滿足要求的零件。工藝處理的流程圖如圖3.13所示。 至于試驗(yàn)如何進(jìn)行，以及參數(shù)如何優(yōu)化等問(wèn)題，將在下章具體介紹。在整個(gè)工藝過(guò)程中，務(wù)必保證人身安全，例如在快速移動(dòng)激光切割機(jī)懸臂的過(guò)程中，確保在移動(dòng)范圍內(nèi)無(wú)人或物體。 激光切割中遇到的問(wèn)題在切割不銹鋼時(shí)，割縫背面有熔渣粘附的