激光切割機加工工藝設計

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I激 光 切 割 機 加 工 工 藝 設 計摘 要 ： 激 光 切 割 機 是 光 、 機 、 電 一 體 化 的 高 科 技 產(chǎn) 品 ， 以 其 加 工 精 確 、 快 捷、 操作簡單 ， 自動化程度高等優(yōu)點， 在制造行業(yè)中得到廣泛應用 。 與傳統(tǒng)的切 割 方 式 相 比 ， 不 僅 價 格 低 ， 消 耗 低 ， 而 且 是 非 接 觸 加 工 ， 無 磨 損 ， 激 光 加 工 對 工 件 沒 有 機 械 壓 力 ， 加 工 出 來 的 產(chǎn) 品 效 果 、 精 度 、 光 潔 度 都 非 常 好 ， 尺 寸 一 致 、 精 確、效率高、成本低。本課題是針對 E-1306M 激光雕刻機的工藝研究， 首先介紹了有關(guān)激光切割加 工的國內(nèi)外發(fā)展概況及本課題的研究意義及研究內(nèi)容。 其次介紹了有關(guān) E-1306M 雕刻機的結(jié)構(gòu)、 操作原理及加工特點 。 最后通過實驗確定了激光加工的最佳切割 參數(shù)。通過查閱大量的國內(nèi)資料及研究成果， 并進行了大量的切割實驗， 總結(jié)研 究方法， 提出新的實驗方案。 探討激光雕刻機在雕刻亞克力材料時 ， 激光雕刻 的功率、 焦距、 次數(shù)和 速度等對于加工質(zhì)量的影響， 以便獲得最佳的工藝參數(shù) 和 最好的切割效果。 實驗結(jié)果表明， 激光雕刻功率 、 次數(shù) 、 焦距及速 度對加工 質(zhì)量 的影響是非常明顯的， 通過實驗數(shù)據(jù)總結(jié)出了雕刻高質(zhì)量產(chǎn)品的最佳的工 藝 參 數(shù) 。關(guān)鍵詞：激光雕刻，焦距，切寬，切深IILaser Cutting Machine Processing Technology designAbstract： Laser cutting machine is an optical, mechanical, and electrical integration of high-tech products, with its processing precision, fast, simple operation, high degree of automation, has been widely used in the production industry. Compared with the traditional cutting methods, not only low prices, low consumption,but also non-contact processing, no wear, laser processing does not have mechanical pressure on the workpiece, the processed product has excellent effects, accuracy, finish, uniform size, accuracy, efficiency High and low cost.This thesis is aimed at the E-1306M laser engraving machine process research, first introduced the domestic and foreign development of laser cutting processing and the research significance and research content of this topic. Then introduced the structure, operating principle and processing characteristics of the E-1306M engraving machine.Through consulting a large number of domestic data and research results, and conducted a large number of cutting experiments, summed up the research methods and proposed a new experimental program. Discuss the influence of laser engraving power, focal length, number of times, and speed on the processing quality when engraving a acrylic material in order to obtain the best process parameters and the best cutting results.The experimental results show that the laser engraving power, frequency, focal length and speed have an obvious effect on the processing quality. The experimental data have been used to summarize the best process parameters for engraving high quality products.Keywords: Laser Carving, Focus, Cut Width, Cutting-inIII目 錄摘要 ......................................................................IABSTRACT.................................................................II1 緒論 ...................................................................11.1 引言 ................................................................11.2 研 究 目 的 及 意 義 ...............................................................................................................11.2.1 研 究 目 的 .........................................................11.2.2 研 究 意 義 .........................................................11.3 國 內(nèi) 外 發(fā) 展 狀 況 ......................................................21.3.1 激 光 切 割 的 發(fā) 展 歷 程 ...............................................21.3.2 國 內(nèi) 現(xiàn) 狀 .........................................................21.3.3 國 外 現(xiàn) 狀 .........................................................32 激 光 切 割 的 特 性 分 析 ......................................................42.1 相 關(guān) 切 割 技 術(shù) .........................................................42.1.1 常 用 切 割 方 法 的 分 類 ...............................................42.1.2 三 種 常 見 熱 切 割 方 法 的 特 性 比 較 .....................................42.2 激 光 切 割 的 原 理 、 類 型 及 特 點 ..........................................52.3 產(chǎn) 品 的 結(jié) 構(gòu) 及 日 常 維 護 .................................................62.3.1 產(chǎn) 品 的 結(jié) 構(gòu) .......................................................62.3.2 激 光 器 的 日 常 維 護 ..................................................62.3.3 機 床 的 日 常 維 護 ...................................................72.4 激 光 切 割 切 割 過 程 中 質(zhì) 量 的 影 響 因 素 ....................................72.4.1 切 縫 寬 度 .........................................................72.4.2 切 割 面 的 粗 糙 度 ...................................................82.4.3 切 割 速 度 .........................................................83 實 驗 方 案 ................................................................93.1 實 驗 目 的 .............................................................93.2 實 驗 設 備 .............................................................93.2.1 E-1306M 激 光 切 割 機 基 本 構(gòu) 成 .......................................93.2.1E-1306M 激 光 切 割 機 技 術(shù) 參 數(shù) .......................................10IV激 光 切 割 機 加 工 工 藝 設 計3.2.2 數(shù) 字 式 智 能 電 子 顯 微 鏡 ............................................103.3 激 光 切 割 機 基 本 原 理 ..................................................113.4 實 驗 材 料 ............................................................113.5 基 本 操 作 流 程 ........................................................113.5.1 接 通 除 塵 通 風 系 統(tǒng) ................................................113.5.2 連 接 電 源 線 、 數(shù) 據(jù) 線 和 地 線 .......................................123.5.3 調(diào) 節(jié) 光 路 .......................................................123.5.5 確 定 加 工 參 數(shù) ...................................................123.5.4 圖 文 編 輯 .......................................................123.5.6 放 置 加 工 材 料 ， 定 焦 距 ............................................133.5.7 輸 出 數(shù) 據(jù) 加 工 ....................................................133.6 切 縫 厚 度 與 寬 度 的 測 量 .................................................134 切 割 質(zhì) 量 與 效 率 的 單 因 素 實 驗 研 究 .........................................144.1 實 驗 結(jié) 果 分 析 .......................................................144.1.1 焦 距 對 切 寬 和 切 深 的 影 響 ..........................................144.1.2 功 率 對 切 寬 和 切 深 的 影 響 ..........................................164.1.3 次 數(shù) 對 切 寬 和 切 深 的 影 響 ..........................................174.1.4 速 度 對 切 寬 和 切 深 的 影 響 ..........................................184.2 比 較 實 驗 結(jié) 果 .......................................................194.3 切 割 路 徑 的 優(yōu) 化 .....................................................204.4 矢 量 雕 刻 與 位 圖 雕 刻 ..................................................204.4.1 位 圖 與 矢 量 圖 的 區(qū) 別 ...............................................204.4.2 矢 量 雕 刻 與 位 圖 雕 刻 的 區(qū) 別 .......................................215 總 結(jié) 分 析 ................................................................225.1 總結(jié) ..............................................................225.2 實 驗 中 存 在 的 不 足 ..................................................22致 謝 ...................................................................23參考文獻 .................................................................24附錄 A 外 文 翻 譯 ...........................................................2511 緒 論1.1 引 言激光和其他自然光一樣， 也是一種光， 但與光 不同的是， 激光的顏色非常純 正，幾乎沒有發(fā)散的方向性和高的發(fā)光強度?，F(xiàn)如今，激光切割技術(shù)已經(jīng)非常普遍，已有超過 30 年 的 歷 史 ， 近 年 來 ， 一 些研究人員發(fā)現(xiàn)了用低功率激光切割玻璃而不熔化玻璃的方法。激 光 切 割 工 藝 主 要 是 利 用 激 光 對 被 加 工 工 件 進 行 一 系 列 反 應 來 完 成 切 割 圖 案， 達到加工的效果 。 大多數(shù)材料都可以通過激光切割。 金屬加工行業(yè)作為金屬 材料的一大組成部分，在工業(yè)制造中占有相當大的比重。都可進行無變形切割。 對很多制造行業(yè)來說往往會優(yōu)先選用 [1]。1.2 研究目的及意義1.2.1 研究目的激光切割可用于加工鋼材、 鋁合金、 鈦合金等金屬材料， 也可用于加工玻璃、 陶瓷、 塑料等非金屬材料 。 激光切割是無接觸加工， 工件無機械變形 ； 激光切割 速度快、 柔性高 ， 可以節(jié)省模具投資 ， 節(jié)省生產(chǎn)成本。 本文主要是以切割機為研 究對象， 通過對鋼板厚度 ， 激光功率， 切割次數(shù)， 光斑大小和焦距對切割質(zhì)量和 效 率 的 影 響 。1.2.2 研究意義本文主要是以 E-1306M 激光切割機為研究對象， 通過大量實驗， 研究其 焦距、 功率、速度、次數(shù)等對于激光切割效率、切深、切寬和質(zhì)量的影響,通過對激光 切割的工藝研究， 能夠熟練掌握激光切割機的使用以及一些基本故障的排查， 為 激光應用于工業(yè)中做一個更好的鋪墊。 就目前來看， 激光切割機行業(yè)正在向高速、 高準確度的方向飛速發(fā)展， 其中大型激光切割機正向著厚板的切割方向發(fā)展 ， 其 應用范疇也將會越來越廣闊。21.3 國 內(nèi) 外 發(fā) 展 狀 況1.3.1 激光切割的發(fā)展歷程激光切割是伴隨著機激光技術(shù)不斷進步發(fā)展而來的必然產(chǎn)物。 1905， 愛因斯 坦第一次提出了光量子假說，并對激光概念進行了討論。在 1960，美國休斯公 司制造出了世界上第一個紅寶石激光器。 經(jīng)過這么多年的發(fā)展 ， 激光技術(shù)的應用 已 經(jīng) 非 常 廣 泛 [2]。激光切割是一種生產(chǎn)效率非常高的技術(shù)。 同時， 激光切割仍然可以在工藝的 最后一刻對設計進行修改，但不會對整個生產(chǎn)過程產(chǎn)生任何影響。 激光切割的 最大好處是最終用戶可以在沒有大量模板的情況下進行短板或者中板的生產(chǎn) 。 響 應客戶的需求更快， 所以不需要制造模具。 在柔性方面， 激光切割不僅可以在任 意方向進行切割， 而且可以產(chǎn)生任意形狀的切割。 無需任何工具幫助 ， 模板的形 狀可以快速更改。激光切割技術(shù)作為一種近些年來新發(fā)展起來的技術(shù)，有著廣闊的發(fā)展前景。 美國、 德國、 日本等很 多發(fā)達國家在激光加工領域已經(jīng)取得了跨越式發(fā)展。 激光 加工技術(shù)已基本完成了汽車、 電子、 機械、 航 空、 鋼鐵等大制造業(yè)的傳統(tǒng)技術(shù)替 代， 進入輕工業(yè)時代 。 激光切割機具有良好的能量密度可控性、 切割寬度窄、 工 件的變形程度小、 切割質(zhì)量好、 切割形狀沒有限制、 加工不需要接觸等優(yōu)點 。 激 光切割技術(shù)的成本很低、 效率很高和其巨大的發(fā)展?jié)摿σ呀?jīng)讓他成為世界主要工 業(yè)國家之間的競爭力量。 激光技術(shù)作為一項重要的技術(shù)， 得到了各國的大力支持。 在中國， 激光切割技術(shù)在各類制造行業(yè)中的應用已經(jīng)十分廣泛， 切割技術(shù)的廣泛 應用， 使得 產(chǎn)品的科技含量不斷提高， 更換速度不斷加快 ， 能夠更好的滿足市場 需求。1.3.2 國內(nèi)現(xiàn)狀目前， 中國的激光切割主要集中在鋼鐵方面。 我國很早就認識到了激光技術(shù) 的重要性且一直重視激光技術(shù)應用的發(fā)展， 當時與國外的差距很小 ， 在幾十年的 發(fā)展過程中 也取得了舉世矚目的成績。 在我國工業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)中 ， 激光加工設備 的需求量很大 ， 因為加工制造產(chǎn)業(yè)在我國的工業(yè)生產(chǎn)中有著舉足輕 重 的位置， 有 著 非?？捎^的市場需求。 因此在市場經(jīng)濟的引導下我國工業(yè)激光技術(shù)的發(fā)展尤為 迅速。伴 隨 著 激 光 技 術(shù) 的 不 斷 發(fā) 展 ， 國 內(nèi) 從 事 激 光 設 備 的 研 制 開 發(fā) 、 設 備 的 制 造3和 銷 售 的 公 司 ， 以 及 作 為 國 外 激 光 設 備 代 理 的 公 司 也 越 來 越 多 ， 競 爭 也 日 趨 激 烈 。 現(xiàn) 在 ， 激 光 技 術(shù) 已 經(jīng) 成 為 了 國 家 發(fā) 展 的 一 項 關(guān) 鍵 技 術(shù) 。 這 是 因 為 技 術(shù) 涉 及 國 家 安 全 、 國 防 建 設 等 內(nèi) 容 。 在 現(xiàn) 有 技 術(shù) 的 基 礎 上 ， 有 必 要 提 高 技 術(shù) 的 重要性，加強對該技術(shù)的研究。1.3.3 國 外 現(xiàn) 狀現(xiàn)如今， 歐洲、 美國和 德國等很多發(fā)達國家的激光加工早已經(jīng)形成了一個新 的高科技產(chǎn)業(yè) 鏈， 激光加工的應用領域的規(guī)模也不斷擴大 。 由于激光切割技術(shù)的 飛 速 發(fā) 展 ， 在 世 界 范 圍 內(nèi) 激 光 加 工 生 產(chǎn) 和 銷 售 的 激 光 器 占 40％以上。日本作為第一個將激光切割技術(shù)引入汽車生產(chǎn)領域的國家， 主要用于激光切 割大型面板的切割邊緣和擋風玻璃。 許多汽車公司通常使用激光切割技術(shù)來加 工 汽 車 [3]。42 激 光 切 割 的 特 性 分 析在實際生產(chǎn)過程中， 切割加工是不可缺少的一道工序， 而且由于材料不同以 及不同零件的要求不同， 由此而產(chǎn)生了很多不同的切割方法 。 本章則重點對激光 切割的基本特性進行分析。2.1 相 關(guān) 切 割 技 術(shù)2.1.1 常用切割方法的分類切割是焊接生產(chǎn)備料工序的重要加工方法?，F(xiàn)代材料的切割方法有很多種， 大致可分為冷切割和熱切割兩種。 冷切割是指在常溫下通過機械方法使材料分離， 例如剪切，鋸切 （條鋸、圓片鋸、砂片鋸） ，銑切等，也包括近年來發(fā)展的水射 流切割。熱切割是通過熱能使材料分離，最常見的有氣體火焰切割、氧氣切割、 等離子弧切割和激光切割?，F(xiàn)代焊接生產(chǎn)中鋼材的切割主要采用熱切割 [4]。熱切割按照物理現(xiàn)象可分為燃燒切割、 熔化切割和升華切割三類； 按所用能 源 的 不 同 ， 熱 切 割 方 法 可 分 為 氣 割 、 氧 氣 割 、 氧 -熔 劑 切 割 、 電 弧 -氧 切 割 、 電 弧-壓縮空氣氣刨、等離子弧切割、激光切割、電子束切割 [5]。2.1.2 三種常見熱切割方法的特性比較表 2-1 三 種 熱 切 切 割 方 法 的 比 較切 割 方 法 切 割 條 件 溫 度 上 升 平 均 值 （ ℃ ） 測 定 的 吸 熱 值（kj） 單 位 系 吸 量（ J/mm）氧 氣 切 割 氣 體 流 量 3.4L/min， 切 割速度 420mm/min 183.0 85.3 22.53等 離 子 弧 切 割 切 割 電 流 150A， 切 割 速 度 2150mm/min 75.0 28.2 7.33激 光 切 割 連續(xù)激 光， 功率 3000kv， 切 割 速 度 900mm/min 56.8 15.3 4.09由表 2.1.2 可知， 氧氣切割時材料的受熱量最多， 而激光切割時 受熱量最少。 通 常 來 說 ， 材 料 所 吸 收 的 熱 量 越 多 ， 熱 影 響 區(qū) 的 寬 度 越 大 ， 這 就 預 示 著 材 料 的 變 形也越大。5表 2-2 三 種 熱 切 割 法 的 熱 影 響 區(qū) 寬 度切 割 方 法熱 影 響 區(qū) 寬 度 （ mm ）板厚 10mm 板厚 6mm 板厚 3mm氧 氣 切 割 0.8 0.6 0.5等 離 子 弧 切 割 0.5 0.4 0.3激 光 切 割 0.075 0.06 0.05由表 2-2 可知， 氧氣切割的熱影響區(qū)寬度約為激光切割的 10 倍左右。 另外， 隨著板厚的增大， 熱影響區(qū)也隨著擴大。 在工業(yè)的加工成產(chǎn)過程中 ， 為了使零件 變形更小， 就要減少熱影響度的寬度。 分析比較可知， 激光切割主要適合中、 薄 板的高精度、高速度的切割場合。2.2 激光切割的原理、類型及特點激光切割是利用通過聚焦的高功率的密度激光束照射工件， 使被照射處的材 料迅速融化、 氣化、 燒 燭或到達燃點， 同時借助于光束同軸的高速氣流吹除熔融 物 質(zhì) ， 從 而 實 現(xiàn) 割 開 工 件 的 一 種 熱 切 割 方 法 [6]。根據(jù)工件的熱物理特性和輔助氣體的性狀， 激光切割主要有以下的幾種類型 。 激光融化切割： 利用激光加熱工件使其熔化， 同時借助非氧化性輔助氣體排除熔融物質(zhì)，形成割縫。 激光氣化切割： 當高功率密度的激光照射到工件表面時， 材料便在很 短的時間內(nèi)被加熱到氣化點，并以氣體形態(tài)溢出，形成割縫。 激光燃燒切割： 利用激光熱可以將工件加工到燃點， 利用輔助氣體使材料燃燒。并排出燃燒產(chǎn)物，形成割縫。 激光燒燭： 利用激光斑點的高溫和光化學作用在脆性材料上燒刻小槽， 然后施加一定的外力使材料斷開。 一般的激光切割有如下特點：（1）切割的切縫窄；（2）速度快，切口光滑平整，無剪切毛刺。（3）激光切割是一種高能量、可控性好的無接觸加工。（4）激光切割具有廣泛的適用性和靈活性。62.3 產(chǎn) 品 的 結(jié) 構(gòu) 及 日 常 維 護2.3.1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖 2.1 前視圖1 激光管罩 2 上蓋左側(cè)門 3 設備上蓋 4 X 軸導軌架 5 上翻蓋 6激 光 聚 焦 頭 7 第 三 反 射 鏡 8 透 明 觀 察 窗 9 操 作 面 板 10 控 制 手 持 器11 激 光 電 源 箱 12 中 部 機 箱 13 可 鎖 方 向 腳 輪 14 排 煙 進 口 15 工 作平臺 16 機箱前門 17 第二反射鏡 18 Y 軸導軌架 19 下部機箱架2.3.2 激光器的日常維護在使用一段時間后，要注意檢查激光器的激光頭的水管是否出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象， 如果有要及時處理或者更換管路。 要檢查冷水機的過濾器和冷卻水回路是否含有 雜 質(zhì) 。 長期使用過后， 由于氣體的影響， 會使激光器的內(nèi)部鏡片受到污染從而影 響到切割質(zhì)量。 因此要注意鏡片的清潔。 但是， 不同的鏡片 ， 清潔方法是不同的， 當鏡面是平面且無鏡座時， 使用鏡頭紙清潔， 例如清潔反射鏡； 當鏡面是曲面或 者帶有鏡座時， 應用棉簽清潔， 例如清潔聚焦鏡。 但是嚴禁使用水 、 洗潔精等清 洗。 因為鏡片的表面鍍油一層特殊的膜 ， 若使用這些來清洗鏡片可能會損傷鏡片的 表 面 [7]。（1）用鏡頭紙清潔鏡片的步驟：先吹掉鏡片表面的灰塵，用酒精或者鏡片 紙清潔鏡片表面， 不能用干燥的鏡頭紙直接擦拭鏡面 ， 而應該將鏡頭紙平放在鏡7片的表面， 滴上 2-3 滴高純度酒精或者丙酮， 向操作者方向水平的將鏡頭紙慢慢 抽出，反復操作幾次，直到鏡面干凈為止；（2）用棉簽清潔鏡片的步驟：先吹掉鏡片表面的灰塵，再用干凈的面前去 掉污物， 用沾有高純度的酒精或者丙酮的棉簽從鏡片中心沿圓周運動， 擦洗鏡片， 每擦完一周后，換一塊干凈的棉簽，在重復上述操作，直到鏡片干凈為止 [8]。2.3.3 機床的日常維護（1）定期清理抽風口處的雜物，以及換氣扇過濾網(wǎng)上的灰塵，保證排氣效 果。（2）定期檢查氣路中的過濾器，及時排除過濾器中的積水及雜物。（3）定期檢查行程開關(guān)支架及撞塊支架螺釘是否松動。（4）機床安裝好后，使用一段時間，應對機床的水平進行重新調(diào)整，檢查 X 軸 、 Y 軸 的 零 點 、 限 位 開 關(guān) 及 撞 塊 螺 釘 有 無 松 動 ， 各 軸 的 限 位 開 關(guān) 是 否 靈 敏 ， 以保證機床的切割精度 [9]。（5）每日工作完成后，要及時去清理加工廢料，打掃加工現(xiàn)場，保持加工 現(xiàn) 場 的 干 凈 、 整 齊 。 同 時 做 好 設 備 的 清 潔 工 作 ， 保 證 設 備 干 凈 無 污 漬 。（6）加工完成后，按關(guān)機步驟進行關(guān)機，然后關(guān)掉整個機床的總電源。2.4 激 光 切 割 切 割 過 程 中 質(zhì) 量 的 影 響 因 素說 到 切 割 質(zhì) 量 ， 目 前 我 國 還 沒 有 相 關(guān) 的 切 割 質(zhì) 量 標 準 ， 日 本 也 無 專 用 標 準 ， 而 是 參 照 氣 割 方 面 的 標 準 。 德 國 在 1990 年已經(jīng)制訂了激光切割的國家標 準 ， 對 切 割 面 質(zhì) 量 和 尺 寸 允 差 做 了 分 級 規(guī) 定 。 最 近 ， 國 際 標 準 化 組 織 已 經(jīng) 在 制 定 相 關(guān) 的 國 際 標 準 。 通 常 來 說 ， 切 割 質(zhì) 量 好 主 要 指 零 件 尺 寸 精 度 高 、 切 縫 窄，切邊平行度好，切割表面光潔和切縫背面無粘渣。由于激光切割的變形很小， 切割零件的精度主要取決于切割裝置的精度和控 制 精 度 。 通 過 調(diào) 整 切 割 參 數(shù) 來 控 制 切 割 質(zhì) 量 。 另 外 ， 切 割 速 度 決 定 了 生 產(chǎn) 效 率，在保證切割質(zhì)量的前提下盡量提高生產(chǎn)效率，降低加工成本。2.4.1 切縫寬度研 究 發(fā) 現(xiàn) ， 激 光 在 切 割 材 料 時 ， 切 縫 寬 度 和 焦 距 和 光 斑 直 徑 有 很 大 關(guān) 系 。 CO2 激光束聚焦后的光斑直徑一般在 0.15~0.3mm 之 間 [10]。 切 割 低 碳 薄 板 時 ， 在加快切割速度的情況下， 切寬大致等于光斑直徑 。 隨著板厚的增加 ， 切割速度8下降，而且上部的切口寬度往往大于光斑直徑。 切縫寬度的測量比較直觀， 而且數(shù)據(jù)測量比較準確， 因此是衡量切割質(zhì)量的主要指標。2.4.2 切割面的粗糙度影響激光切割面質(zhì)量的因素有很多。除了切割參數(shù)外，還與照射功率密度、 工件材質(zhì)和厚度等因素有關(guān)。 另外， 沿板厚方 向其切割面的粗糙程度也存在很大 差異， 一般上面部分較細 ， 下面部分較為粗。 通常情況下 ， 粗糙度測定區(qū)指的是 上邊緣 0.5-1mm 處的平均粗糙度 [11]。2.4.3 切割速度在激光切割過程中， 切割速度受功率， 氣體壓力以及板材厚度的影響較為明 顯， 為保證產(chǎn)品的技術(shù)性 ， 以獲得良好的切割質(zhì)量， 因此 ， 需要選擇合適的切割 速度， 同時， 為了提高產(chǎn)品的經(jīng)濟性 ， 降低成本， 還需要在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提 下，提高切割速度，縮短切割時間。93 實 驗 方 案3.1 實 驗 目 的本 次 實 驗 是 對 激 光 切 割 機 的 機 理 進 行 研 究 說 明 ， 目 的 是 探 索 切 割 切 割 的 焦 距 、 功 率 、 速 度 、 次 數(shù) 對 加 工 質(zhì) 量 的 影 響 ， 以 便 獲 得 最 佳 的 切 割 切 割 加 工 工藝參數(shù) ， 為提高激光切割切割的效率、 品質(zhì)， 方便以后在生產(chǎn)中降低成本， 提 高 所 切 割 切 割 產(chǎn) 品 的 品 質(zhì) 和 質(zhì) 量 。3.2 實 驗 設 備3.2.1 E-1306M 激光切割機基本構(gòu)成激光切割機主要有七個部件組成：機架、激光系統(tǒng)（激光器、光路、反射 鏡、透鏡） 、控制系統(tǒng) （主板、底板、控制 面 板、電路）機械傳動系 統(tǒng)工作臺、 輔助系統(tǒng)、操作軟件 [12]：（ 1） 光 路 系 統(tǒng)包括三個反射鏡和一個聚焦透鏡即激光器產(chǎn)生的光通過反射鏡反射后，照 射到聚焦透鏡上，再通過聚焦透鏡的聚光，成為可用光束。第一反射鏡在激光 盒中，第二反正射鏡隨機械橫梁沿 Y 軸方向移動，第三反射鏡和聚焦透鏡在激 光頭上。（ 2） 控 制 系 統(tǒng)包括主板：主板安裝在機箱的右側(cè)，是激光切割機的主要控制部件，他從 計算機的得到數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)進行運算和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后在傳輸數(shù)據(jù)給激 光切割機， 從而根據(jù)軟件中編輯的內(nèi)容完成加工； 底板： 底板安裝在 主板旁邊， 他的主要作用是驅(qū)動電機，為主板提供工作電流，以及把各工作部件的工作狀 態(tài)傳輸給主板，使主板可以控制機器的工作；控制面板：位于機器的右前方， 負責電流的調(diào)節(jié)，手動出光和手動控制激光切割機 X 軸、Y 的運動方向 [13]。（ 3） 工 作 臺平板適用于膠板制作和其他普通材料加工，刀條板適用于有機玻璃切割等，蜂 窩板適用于切割紡織品、皮革等材料。（ 4） 輔 助 系 統(tǒng)103.2.1E-1306M 激光切割機技術(shù)參數(shù)表 3.1 技 術(shù) 參 數(shù) 及 性 能 指 標激 光 玻 璃 器 封 閉 式 CO2 激 光 器波長 10.6μ m激 光 功 率 60W/80W 可 選激 光 能 量 調(diào) 節(jié) 0~100%手 動 /自 動 （ 軟 件 設 定 ）切 割 速 度 100mm/s雕 刻 速 度 1000mm/s定 位 精 度 ≤ 0.01mm冷 卻 方 式 循 環(huán) 水 冷冷 卻 水 溫 5℃ ~30℃供 電 電 源 220V 50Hz 1.5KVA（ 雙 頭 2.0KVA）環(huán) 境 溫 度 5℃ ~35℃環(huán) 境 相 對 濕 度 ≤85%外 型 尺 寸 1000mm×600mm； 1200mm×600mm； 1200mm×900mm重量 280kg 左 右 ； 310kg 左 右 ； 360kg 左 右 （ 裝 箱 后 重 量 ）3.2.2 數(shù)字式智能電子顯微鏡由于本次實驗所研究的實驗數(shù)據(jù)均比較小，無法借助尺子等測量儀器測量 切 寬 和 切 深 ， 所 以 借 用 了 數(shù) 字 智 能 顯 微 鏡 ， 如 圖 3.1 所示。它可以清楚地觀察 切縫在不同條件下的效果，而且電子顯微鏡跟電腦相連，可以直接測出切縫的 切 割 深 度 和 寬 度 ， 這 給 本 次 實 驗 測 量 帶 來 了 非 常 大 的 便 利 。圖 3.1 電子顯微鏡113.3 激 光 切割 機基 本 原理激 光 通 過 激 光 束 產(chǎn) 生 激 光 后 ， 由 反 射 鏡 傳 遞 并 通 過 聚 焦 透 鏡 照 射 到 加 工 物 品 上 ， 使 加 工 物 品 表 面 受 到 強 大 的 熱 能 而 溫 度 急 劇 增 加 ， 使 該 點 因 高 溫 而 迅 速 融 化 或 氣 化 ， 配 合 激 光 頭 的 運 行 軌 跡 從 而 達 到 加 工 目 的 。 激 光 切 割 機 切 割原理如圖 3.2 所示：圖 3.2 激光雕刻原理圖3.4 實 驗 材 料本次實驗所采用的是 4.5mm 厚的亞克力板做為實驗材料。有機玻璃是一 種 典型的熱塑型聚合物材料， 其化學名稱叫聚甲基丙烯酸甲酯， 俗稱亞克力 [14]。 有機 玻璃的發(fā)展可以追溯到 1850 年甲基丙烯酸酯的制備， 20 世紀有機玻璃誕 生 ， 1927 年 開 始 有 機 玻 璃 工 業(yè) 化 的 生 產(chǎn) 。 我 國 對 于 有 機 玻 璃 的 生 產(chǎn) 開 始 于 20世紀 50 年 代 ， 經(jīng) 過 多 年 的 發(fā) 展 ， 有 機 玻 璃 已 具 有 許 多 優(yōu) 點 ： 透 明 性 好 、 質(zhì) 量 輕、 不易碎裂、 耐老化、 絕緣性好、 生物相容性好、 有良好的熱塑加工性能， 因 此 ， 有 機 玻 璃 廣 泛 應 用 于 各 個 領 域 。3.5 基 本 操 作 流 程3.5.1 接通除塵通風系統(tǒng)接通氣泵， 打開排風扇， 并檢查冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是否正常。 注意： 嚴禁在冷12卻水循環(huán)不正常的情況下使用機器，以免損壞激光器。3.5.2 連接電源線、數(shù)據(jù)線和地線連 接 好 切 割 機 以 及 電 腦 上 的 電 源 線 、 數(shù) 據(jù) 線 和 地 線 以 后 ， 打 開 切 割 機 和 計算機的電源開關(guān)。3.5.3 調(diào)節(jié)光路激 光 切 割 機 屬 精 密 光 學 儀 器 ， 對 光 路 調(diào) 節(jié) 要 求 較 高 ， 如 果 激 光 不 是 從 每 個 鏡 片 的 中 心 射 入 ， 就 會 影 響 切 割 效 果 ， 每 次 工 作 前 務 必 檢 查 一 下 光 路 是 否 正常。注意，調(diào)節(jié)光路的工作，操作員必須經(jīng)過專業(yè)培訓后方可進行。3.5.5 確定加工參數(shù)繪 制 好 圖 形 以 后 ， 點 擊 加 工 輸 出 ， 確 定 加 工 參 數(shù) ， 包 括 功 率 ， 速 度 ， 次數(shù)等。3.5.4 圖文編輯圖 3.3 操 作 界 面(1)在 CorelDraw、Photoshop 環(huán)境中制作圖形圖像，打開（O ） 對 應 工 具條 上 的 圖 標 為 。13導入軟件支持的數(shù)據(jù)，包含了 L AS、 P LT、 BMP、D XF、 AI、dw g2 等 格式。(2)保 存 （ S） 對 應 工 具 條 上 的 圖 標為 。將當前的參數(shù)或圖形保存為激光加工文件（ LAS） 。 (3)導 出 （ E） 將當前編輯的圖形文件保存為激光加工文件（ PLT） 。切割功率為 55W，切割次數(shù)為 1 次，依次設置速度參數(shù)為 10、20、40、 60、 80、 100mm/s， 在 亞 克 力 表 面 進 行 切 割 ， 通 過 電 子 顯 微 鏡 觀 察 實 驗 結(jié) 果 。3.5.6 放置加工材料，定焦距將加工材料放入切割機內(nèi)，調(diào)節(jié)上升降臺的高度，定焦距，使激光頭到加 工表面到達合適的距離。3.5.7 輸出數(shù)據(jù)加工放 好 加 工 材 料 后 ， 蓋 好 設 備 上 蓋 ， 在 計 算 機 中 輸 出 數(shù) 據(jù) ， 這 樣 切 割 機 就 開 始加工了。3.6 切 縫 厚度 與寬度 的測 量本 次 實 驗 使 用 電 子 顯 微 鏡 對 亞 克 力 板 的 切 縫 進 行 測 量 ， 對 于 有 機 玻 璃 的 切 縫 深 度 ， 是 指 從 加 工 表 面 到 切 縫 底 部 的 全 部 距 離 ； 對 于 切 縫 寬 度 ， 本 次 實 驗所測量的是亞克力表面的切縫寬度，實驗結(jié)果的寬度與深度如圖 3.4 所 示 ：圖 3.4 切 縫 測 量 示 意 圖144 切 割 質(zhì) 量 與 效 率 的 單 因 素 實 驗 研 究4.1 實 驗 結(jié) 果 分 析4.1.1 焦距對切寬和切深的影響選取 4.5mm 的亞克力板作為實驗材料， 將切割參數(shù)設定為切割功率為 55W， 切割速度為 50mm/s， 切割次數(shù)為 1 次， 依次調(diào)整焦距為 2mm、 4mm、 6mm、 8mm、 10mm， 在亞克力表面進行切割 ， 并做好標記， 通過電子顯微鏡觀察實驗結(jié)果。 下表為所得的實驗數(shù)據(jù)：表 4.1 切割寬度深度隨焦距的變化焦距（mm） 2 4 6 8 10 12切割深度 （μm） 1752.6 2160.8 1289.9 783.77 500.74 391.89切割寬度 （μm） 571.50 517.07 560.61 691.24 908.96 1137.56在 本 組 實 驗 過 程 中 ， 對 每 次 改 變 實 驗 條 件 的 試 樣 結(jié) 果 進 行 測 試 并 拍 照 ， 顯微鏡使用 35X 倍率觀察并進行整理總結(jié)：a 焦距為 2mm b 焦距為 4mmc 焦距為 6mm d 焦距為 8mm15e 焦距為 10mm f 焦距為 12mm圖 4.1 亞 克 力 板 槽 形 隨 焦 距 的 變 化 示 意 圖通過測量觀察得出， 焦距在小于 6mm 時， 有大量毛刺； 焦距在大于 6mm 時， 出 現(xiàn) 了 圓 弧 切 縫 ， 因 此 焦 距 為 6mm 時 ， 此 時 雕 刻 質(zhì) 量 是 最 好 的 。 所 以 ， 焦距 對 切 割 質(zhì) 量 的 影 響 是 非 常 顯 著 的 ， 但 是 在 實 際 操 作 中 ， 并 沒 有 調(diào) 整 焦 距 的 設備 ， 所 以 很 難 確 定 工 件 的 準 確 位 置 ， 因 此 常 常 需 要 工 作 時 調(diào) 整 位 置 ， 由 上 圖 可知 ， 焦 距 平 面 相 對 于 工 件 的 位 置 有 三 種 情 況 ， 如 圖 4.2 所示：a： 焦 點 在 工 件 內(nèi) b： 焦 點 在 工 件 表 面 c： 焦 點 遠 離 工 件 表 面圖 4.2 焦 點 位 置 與 孔 的 剖 面 形 狀a)當聚焦位置在工件內(nèi) 部時 ， 頂峰所聚焦的光束不在工件表面上， 在光束 進 入 工 件 之 后 ， 切 縫 會 變 寬 ， 切 寬 變 大 ， 切 割 深 度 會 變 小 ；b)當聚焦位置剛好在工件的表面時， 此時頂峰所聚焦的光束剛好在工件表 面上 ， 此 時 切 割 表 面 光 滑 ， 切 寬 比 較 均 勻 ；c)當 聚 焦 位 置 遠 離 工 件 的 表 面 時 ， 頂 峰 所 聚 焦 的 位 置 沒 有 在 工 件 表 面 上 ， 此 時 切 寬 變 寬 ， 切 割 深 度 變 淺 。在 進 行 激 光 雕 刻 有 機 玻 璃 時 ， 經(jīng) 常 會 用 焦 距 來 改 變 切 割 深 度 和 寬 度 以 求 達 到 最 好 的 藝 術(shù) 效 果 和 工 藝 要 求 。164.1.2 功率對切寬和切深的影響選擇 4.5mm 的 亞 克 力 板 作 為 實 驗 材 料 ， 確 定 除 功 率 以 外 的 參 數(shù) ， 將 切 割 參 數(shù) 分 別 設 定 為 焦 距 6mm，切割速度為 50mm/s，切割次數(shù)為 1 次，依次改變 切 割 功 率 ， 分 別 設 為 為 10W、 20W、 30W、 40W、 50W、 60W、 70W， 在 亞 克 力 表 面 進 行 切 割 ， 觀 察 并 做 好 標 記 ， 通 過 電 子 顯 微 鏡 觀 察 實 驗 結(jié) 果 。 下 表 為 所 得 的 實驗數(shù)據(jù)：表 4.2 切 割 寬 度 深 度 隨 功 率 的 變 化功 率 （ W） 25 40 55 70 85 100切 割 深 度 （ μ m） 538.84 908.96 1306.29 1638.30 1779.81 1856.01切 割 寬 度 （ μ m） 337.46 345.80 413.66 473.53 560.61 576.94a 切 割 功 率 為 25W b 切 割 功 率 為 40Wc 切 割 功 率 為 55W d 切 割 功 率 為 70We 切 割 功 率 為 85W f 切 割 功 率 為 100W17圖 4.3 亞 克 力 板 槽 形 隨 功 率 的 變 化 示 意 圖通 過 測 量 并 觀 察 得 出 ， 在 其 他 條 件 不 變 得 情 況 下 ， 隨 著 功 率 的 增 大 ， 切 割 深 度 逐 漸 變 深 ， 切 割 寬 度 逐 漸 變 寬 ， 并 且 在 此 條 件 下 功 率 為 100W 時 ， 亞 克 力 板 切 縫 表 面 周 圍 影 響 非 常 大 ， 組 織 幾 乎 被 激 光 燒 壞 ， 很 不 適 合 切 割 或 者 雕 刻 ； 在 功 率 為 55W 時 ， 切 縫 的 內(nèi) 部 幾 乎 沒 有 毛 刺 ， 切 割 的 形 狀 也 比 較 美 觀 ， 因 此 切 割 質(zhì) 量 最 好 。4.1.3 次數(shù)對切寬和切深的影響選取 4.5mm 的 亞 克 力 板 作 為 實 驗 材 料 ， 確 定 除 次 數(shù) 以 外 的 參 數(shù) 。 將 參 數(shù) 分別設定為 焦距 6mm， 切割速度為 50mm/s， 切割功率為 55W， 依次改變切割次 數(shù) ， 分 別 測 試 1、3、5、7、9 次，在亞克力表面進行切割，通過電子顯微鏡 觀 察 實 驗 結(jié) 果 。 下 表 為 所 得 實 驗 數(shù) 據(jù) ：表 4.3 切 割 寬 度 深 度 隨 次 數(shù) 的 變 化切 割 次 數(shù) /次 1 3 5 7 9切 割 深 度 （ μ m） 1317.17 2792.98 3995.06 4169.23 4500切 割 寬 度 （ μ m） 402.77 506.19 527.96 511.63a 切 割 次 數(shù) 為 1 次 b 切 割 次 數(shù) 為 3 次c 切 割 次 數(shù) 為 5 次 d 切 割 次 數(shù) 為 7 次18e 切 割 次 數(shù) 為 9 次圖 4.4 亞 克 力 板 槽 形 隨 次 數(shù) 的 變 化 示 意 圖通過測量并觀察得出， 在其他條件不變的情況下， 隨著切割次數(shù)的增 多， 切 割 深 度 逐 漸 變 深 ， 切 割 寬 度 逐 漸 變 寬 ， 但 是 通 過 顯 微 鏡 下 觀 察 發(fā) 現(xiàn) ， 切 割 一 次 ， 對 亞 克 力 板 切 縫 周 圍 的 質(zhì) 量 影 響 最 小 ， 切 割 次 數(shù) 越 多 ， 切 縫 周 圍 的 影 響 區(qū) 越 大 ， 在 切 割 9 次亞克力板被完全切割透，因此，在日常工作時，可以 在 設 置 好 最 佳 功 率 和 焦 距 的 情 況 下 ， 對 工 件 進 行 適 量 次 數(shù) 的 切 割 ， 能 夠 達 到 最理想的結(jié)果。4.1.4 速度對切寬和切深的影響選取 4.5mm 的 亞 克 力 板 作 為 實 驗 材 料 ， 確 定 除 速 度 以 外 的 參 數(shù) 。 將 參 數(shù) 分 別 設 定 為 焦 距 6mm， 切 割 功 率 為 55W， 切 割 次 數(shù) 為 1 次 ， 依 次 設 置 速 度 參 數(shù) 為 10、 20、 40、 60、 80、 100mm/s， 在 亞 克 力 表 面 進 行 切 割 ， 通 過 電 子 顯 微 鏡 觀 察 實 驗 結(jié) 果 。 下 表 為 所 得 實 驗 數(shù) 據(jù) ：表 4.4 切 割 寬 度 深 度 隨 速 度 的 變 化切 割 速 度 (mm/s) 10 20 40 60 80 100切 割 深 度 （ μm） 3630.23 1932.21 1175.66 838.20 827.31 533.40切 割 寬 度 （ μm） 566.06 457.20 391.89 386.44 362.77 302.65a 切 割 速 度 為 10mm/s b 切 割 速 度 為 20mm/s19c 切 割 速 度 為 40mm/s d 切 割 速 度 為 60mm/se 切 割 速 度 為 80mm/s f 切 割 速 度 為 100mm/s 圖 4.5 亞 克 力 板 槽 形 隨 速 度 的 變 化 示 意 圖通過測量和觀察得出， 在其他條件不變的情況下， 隨著切割速度的增 大， 切 割 深 度 越 來 越 淺 ， 切 割 寬 度 越 來 越 來 越 窄 ； 切 割 速 度 在 40mm/s 時 ， 切 割 質(zhì) 量 最 好 ， 切 割 速 度 在 60mm/s 之 后 ， 會 出 現(xiàn) “假 ”深 度 ， 也 就 是 說 實 際 上 并 沒 有 切 到 那 么 深 ， 有 一 部 分 組 織 被 激 光 燒 壞 ， 卻 沒 有 切 掉 ， 因 此 實 際 深 度 會 比 較淺。4.2 比 較 實 驗 結(jié) 果各因素對切割深度和寬度影響的分析：(1)當切割功率小于 25W 時，切割表面沒有切痕，無法進行正常切割； (2)切割功率越大，切割深度越深，切割寬度越寬； (3)焦距越大，切割深度越淺，切割寬度越寬；(4)在焦距大于 6mm 時，出現(xiàn)了圓弧切縫； (5)切割次數(shù)越多，切割深度越深，切割寬度越寬； (6)切割速度越大，切割深度越小，切割寬度越??；在 這 四 種 種 條 件 下 ， 切 割 速 度 對 切 割 深 度 的 影 響 是 最 明 顯 的 ， 其 次 是 焦 距 和 次 數(shù) ， 影 響 比 較 小 的 是 切 割 功 率 。204.3 切割路徑的優(yōu)化圖 4.6 設 置 優(yōu) 化 切 割 路 徑 參 數(shù)如圖，設置切割時路徑的優(yōu)化方式有四種： (1)先內(nèi)后外：按照一般的加工工藝要求，先加工圖案內(nèi)部圖形，后加工圖案 外 部 的 外 框 ； (2)繪圖路徑：按照當時的繪圖路徑來確定工件該如何加工輸出； (3)先下后 上 網(wǎng)格高 （ Y） ：需 要按 照實際 加工 情況來設 置加 工網(wǎng)格 的 大小 ，系 統(tǒng) 按 照 所 設 置 的 網(wǎng) 格 高 度 自 下 往 上 輸 出 工 件 ； (4)自動確定加工方向：系統(tǒng)能夠自動生成加工時激光頭運動的軌跡，即系統(tǒng) 默 認 的 切 割 方 向 ， 此 切 割 方 向 路 線 比 較 隨 機 ， 如 果 需 要 根 據(jù) 自 已 定 義 的 切 割 方 向 ， 請