激光切割工藝實驗

關于激光切割工藝實驗機械工程實驗教學中心機械工程實驗教學中心實驗目的了解CO2激光加工設備的組成及其工作原理熟悉CO2激光與材料的交互作用了解CO2激光切割數(shù)控技術相關硬件掌握用NewCAM切割軟件編制切割程序第2頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗內容用NewCAM切割軟件繪制零件，并操作TLV510CO2激光切割機床切割該零件觀察CO2激光切割中碳鋼過程中的各種現(xiàn)象改變切割速度、切割功率、出光方式（連續(xù)、脈沖）加工一字符零件比較在不同切割條件下所加工零件的質量差異

第3頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心儀器設備TLV510CO2激光切割機床空氣壓縮機組及后處設備20KW水冷機組NewCAM切割軟件200mm×200mm×1mm的Q235鋼板1塊高純度氮氣和氧氣若干

第4頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心TLV510CO2激光切割機床返回第5頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心20KW水冷機組返回第6頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心NewCAM切割軟件返回第7頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心液態(tài)氮氣和氧氣返回第8頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理

激光加工技術是近十幾年發(fā)展起來的一項高新技術，適用于金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料的激光表面強化與改性處理、激光PVD、激光CVD、激光非晶材料和納米粉體和納米薄膜制備、激光熔煉、激光焊接和切割、激光成形與快速原型制造等。在材料、機械、冶金、汽車、石油、化工、電力、紡織及航空航天等行業(yè)有巨大的推廣應用價值。激光切割是目前最為廣泛的一種方式應用，它占激光應用的60%左右。第9頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理與傳統(tǒng)的板材加工方法相比，激光切割具有諸多優(yōu)點：精度高：激光切割切口一般在0.10～0.20mm且表面粗糙度一般控制在Ra：12.5以上；熱影響區(qū)、熱應力及熱變形均小。速度快：用1200WCO2激光切割2mm厚的低碳鋼板切割速度可達5m/min～6m/min，切割5mm厚的有機玻璃速度可達12m/min。效率高：無機械沖裁時的沖擊力，不存在刀具、模具的磨損現(xiàn)象，無需機械沖裁下料時的塔邊，工件緊密排列，可節(jié)省20%～30%的材料，切割一次成型，無需后續(xù)加工。第10頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理柔性好：無需刀具和模具，結合計算機控制技術，可切割任意形狀、尺寸的板材，尤其適合多品種、小批量、形狀復雜零件的切割；非常適合新產品的開發(fā)，縮短研發(fā)周期，一旦產品圖紙形成后，馬上可以進行激光加工，你可以在最短的時間內得到新產品的實物。范圍廣：激光可以對高密度板、中密度板、膠合板、有機玻璃板、鋼板、不銹鋼、鋁合金板、硬質合金等進行加工；特別適合大件產品的加工，大件產品的模具制造費用很高，激光加工不需任何模具制造，而且激光加工完全避免材料沖剪時形成的塌邊，可以大幅度地降低企業(yè)的生產成本提高產品的檔次。第11頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理CO2激光切割設備，主要由激光器、導光系統(tǒng)、機床本體、數(shù)控系統(tǒng)等組成。典型的CO2激光切割設備的基本構成如下圖所示。CO2激光加工系統(tǒng)組成圖

1－冷卻水裝置；2－激光氣瓶；3－輔助氣體瓶；4－空氣干燥器；5－數(shù)控裝置；6－數(shù)控系統(tǒng)；7－伺服電動機；8－切割工作臺；9－割炬；10－聚焦透鏡；11－絲桿；12－反射鏡；13－激光束；14－反射鏡；15－激光器；16－激光電源；17－伺服電動機和割炬驅動裝置第12頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理激光器激光形成原理：當一個激活物質受到外界作用產生輻射時，在光學諧振腔內其傳播方向與腔體軸向方向相同的光子將引起其它激發(fā)態(tài)的激活媒質產生感應躍進（即受激輻射），并得到迅速的增強而獲得增益（其它方向的光子很快的離開邊界消失掉）。若這種增益能補償由其他原因（如界面透過、吸收、散射、衍射等）造成的損失，則這種傳播就會持續(xù)地進行下去，形成光諧振，并由輸出端輸出，形成相位一致、波長一定、方向性極強的電磁波，即形成激光。第13頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理激光器對激光器有不同的分類方法，一般按工作介質的不同來分類，在可以分為固體激光器、氣體激光器、半導體激光器和液體激光器。第14頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理固體激光器一般講，固體激光器具有器件小、堅固、使用方便、輸出功率大的特點。廣泛應用于電子、軸承、鐘表、眼鏡、通訊產品、電器產品、汽車配件、塑膠按健、五金工具、醫(yī)療器械等行業(yè)。第15頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理半導體激光器是以半導體材料作為工作介質的。目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵方式有光泵浦、電激勵等。這種激光器體積小、質量輕、壽命長、結構簡單而堅固，特別適于在飛機、車輛、宇宙飛船上用。

第16頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理液體激光器常用的是染料激光器，采用有機染料為工作介質。利用不同染料可獲得不同波長激光。液體激光器工作原理比較復雜。輸出波長連續(xù)可調，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點，主要應用于分光光譜、光化學、醫(yī)療和農業(yè)。第17頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理幾種CO2激光器的主要特性光束能量分布為復式，效率較低輸出功率的穩(wěn)定性取決于風機的可靠性外形尺寸大，維護保養(yǎng)較難功率小，實用性差缺點可獲得很高的輸出功率1500橫流式可在體積不大的條件下獲得較高的輸出功率，維護保養(yǎng)方便3000高速軸流式可獲得穩(wěn)定的基模式激光1000低速軸流式結構簡單100氣體封閉式優(yōu)點實用輸出功率/W構成簡圖類型第18頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理

本機床所采用的激光器為德國Rofin生產的CO2激光器，其結構原理如下所示。1-激光光束；2-光束修正單元；3-輸出鏡片；4-冷卻水出口；5-射頻激勵；6-冷卻水進口；7-后鏡片；8-射頻激勵電子；9-電極第19頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理德國Rofin生產的CO2激光器實物照片。第20頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理CO2激光器控制系統(tǒng)。第21頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理導光系統(tǒng)導光系統(tǒng)導光系統(tǒng)是激光切割機的關鍵技術，它是將激光引導到熱處理的工件表面的裝置。該系統(tǒng)由功率監(jiān)控、光閘、可見光同軸瞄準、發(fā)射式或透鏡式聚焦、吹風水冷等系統(tǒng)組成，一般可分為通用型和專用型兩大類，它根據(jù)被處理工件的形狀尺寸、技術要求來選定。

第22頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理機床本體加工機床是用于固定工件和保證其在加工過程中的位移、旋轉運動的裝置。工作機床品種繁多，有專用和通用兩大類，一般采用步進電機或伺服電機驅動。

第23頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗原理數(shù)控系統(tǒng)在激光加工系統(tǒng)中數(shù)控系統(tǒng)用來控制機床本體的運動、激光器運行以及其它輔助系統(tǒng)的運行。本激光切割系統(tǒng)所用的數(shù)控系統(tǒng)為FANUCSeries16i-L。第24頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗步驟機床準備打開空氣壓縮機及后處理單元電源，首先檢查空氣壓縮機、儲氣罐等排水管是否暢通，再檢查冷干機冷媒壓力是否再正常范圍內，最后依次開啟空氣壓縮機和冷干機；等壓縮空氣壓力升至0.6Mpa以上后，進行下一步操作。由于本機床所用的電源與國內通用電源電壓不一致，故首先應打開變壓器與穩(wěn)壓器電源開關；再開啟冷卻系統(tǒng)、機床與激光器電源。首先打開激光器光路冷卻氣體氮氣；再更換激光氣體，其具體操作步驟請嚴格按照激光器使用說明書操作。激光器上高壓，激光器準備完畢后激光器控制系統(tǒng)顯示界面如此圖所示。機床回機械零點，對激光焦距，具體操作步驟請嚴格按照機床說明書操作。第25頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心激光器控制系統(tǒng)顯示界面第26頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗步驟程序編制打開計算機并啟動NewCAM軟件。在群組編輯模式下繪制需加工零件的圖形，然后加入排版模式中，根據(jù)加工需要排版，最后加入加工模式，確定好加工參數(shù)后，就可以自動生成加工程序。將程序傳輸至CF存儲卡中，已備加工時使用。第27頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗步驟實際加工將加工材料安裝在機床，并通過氣動裝置夾緊。根據(jù)所加工的材料種類及板材厚度，選擇噴嘴孔直徑，一般板材厚度與噴嘴直徑相當；再選擇切割輔助氣體種類，并調試好氣體壓力。由于本次實驗所用板材為1mm厚的Q235鋼板，故應選用氧氣為輔助氣體，壓力在0.5MPa左右，具體應根據(jù)最終切割質量進行調試。第28頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心實驗步驟實際加工將CF卡插入數(shù)控系統(tǒng)左邊的接口中，具體位置如下圖所示。將數(shù)控系統(tǒng)切換至DNC模式，選擇正確的加工程序，啟動機床開始加工。第29頁,共31頁，2024年2月25日，星期天機械工程實驗教學中心注意事項操作人員須戴防護眼鏡，嚴禁眼睛對激光口觀看，以免傷害眼睛。激光器內有高壓，維護操作時須小心謹慎，勿觸高壓。CO2激光器控制