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激光切割在欄柵加工中的應用

發布時間:2017/9/5     信息來源:http://www.mediaworksasia.com   作者:激光切割機    0

激光切割是利用經聚焦獲得的高功率密度激光束照射工件,使材料被照射的區域迅即達到熔點,使之熔化和燒蝕,同時借與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質,從而實現割開工件的一種熱切割方法。激光具有亮度高、方向性好、單色性好等性能,使其切割具有如下特點。

激光切割質量好,切縫也比較窄,其寬度一般在0.1~0.20mm。它的割縫邊緣垂直度好,切割麵光滑無毛刺,表麵粗糙度一般能達到Ra12.5μm以上。激光能切割多種材料,既能切割金屬材料又能切割各種非金屬材料,而且易於實現自動控製,有利於提高切割效率,所以激光特別適合各種精密件的切割加工。

某單位在承擔國家重點研究項目中,要使用一種高精密的欄柵做光學衍射試驗,曾嚐試利用包括化學腐蝕等各種方法進行加工,均未達到技術要求,成為研究過程一個技術難題,現利用激光對其進行試驗加工和研究,試圖解決這個工程難題。

1. 試驗方法

欄柵的形狀尺寸如圖1所示,欄寬隻有0.1mm,欄間距0.9mm,材料使用0.2mm厚度的不鏽鋼板。考慮到是薄板精密件,擬選用設備Nd:YAG固體激光加工機對其進行切割加工。之所以選用脈衝激光對欄柵進行切割加工,是考慮到如利用連續激光切割,切口底部熔渣多,切割質量也不高,而且由於過多的熱量容易造成斷欄。欄柵激光切割示意圖如圖2所示,輔助氣體為氧氣,噴嘴直徑為1.5mm。

 

具體加工步驟,首先用AutoCAD繪製出圖樣,注意需要預留一定的加工餘量,再調用Export命令形成DXF文件,最後用激光器的數控係統調用該文件,實施加工。調整激光輸出功率、脈寬、重複頻率、切割速度和吹氣壓力等參數,進行多次切割試驗。通過觀察和分析這些參數對欄柵切割質量的影響,提出一條適合高精密欄柵激光切割的工藝參數。

2.試驗結果與分析

利用脈衝激光對薄板材進行精密切割,通常影響其質量的主要工藝參數有激光功率、切割速度、輔助氣體流量及壓力、脈寬、重複頻率和加工餘量等。下麵分別分析和討論影響欄柵的激光切割質量的工藝參數。

①激光功率和切割速度

對於此薄板材欄柵加工來說,激光輸出功率和切割速度是影響欄柵激光切割的最重要參數,功率和速度都要適中。如在速度一定的情況下,功率過大,使切縫寬度增大,容易燒斷欄。當功率大於280W時,形成圖3a的結果,欄全部燒斷了;當功率大於260W時,易形成圖3b的結果,大部分欄燒斷了,有時也能出現圖3c的結果,發生少部分的斷欄和缺欄現象。功率過小,使切割能量降低,使許多剔除物排不掉,形成圖3d的結果。如功率合適,速度小於150mm/s,使熱量也過分集中,易燒斷欄,形成圖3b或3c的結果;速度大於300mm/s,使許多剔除物排不掉,形成圖3d的結果。經過比較,選擇激光功率250W,切割速度取200mm/s。

②輔助氣體的壓力

輔助氧氣主要起到助燃和吹除作用,一定輔助氣體的壓力有利於提高欄柵的切割速度,但達到某一值時,繼續增加壓力嚴重影響到欄柵加工質量,這是由於過大的氣體壓力容易使板材變形,隨著加工的進行,變形量越來越大。另一方麵,過大的氧氣壓力使加工表麵溫度提高,出現燒斷欄現象。經過比較,欄柵加工氣體壓力以20kPa為最佳。

③氣體噴嘴

激光切割一般采用同軸(氣流與光軸同心)噴嘴,如不同軸,則在切割時容易產生大量飛濺。噴嘴高度(即噴嘴端麵至工件上表麵的距離)對切割質量也有影響,噴嘴高度大,噴出的輔助氣流的動量易產生波動,影響切割質量和速度。一般都盡量減小噴嘴高度,取噴嘴高度為3mm。

④脈寬和重複頻率

脈寬對切割此欄柵的影響也很大。脈寬大,激光能量提高,不但材料底部形成粘渣,而且容易產生燒欄現象。脈寬取0.7ms,易形成圖3b的結果,大部分欄燒斷了;脈寬取0.5ms,易形成圖3c的結果,發生少部分的斷欄和缺欄現象。脈寬過小,激光能量不足,使許多剔除物排不掉,形成圖3d結果。經過反複試驗,脈寬取0.3ms。

重複頻率在30~70Hz範圍內,對欄柵切割的影響較小,重複頻率取60Hz。

⑤加工餘量

對精密件的加工,為了保證產品的尺寸精度,必須認真考慮激光的切割寬度對切割件的影響,以便選擇合適的加工餘量。可以說,加工餘量的大小直接影響精密件的尺寸精度。對欄柵來說,加工餘量過小,加工產品成品率很低,過大,加工尺寸達不到要求。

取加工餘量分別為0.1、0.15和0.20mm,即在用AutoCAD進行繪圖時,將欄寬分別調整為0.2、0.25和0.3mm,其相應的欄間距調整為0.8、0.75和0.7mm,實施加工。

當加工餘量為0.1mm,結果如圖3a所示,一個欄都沒有形成。因此,加工餘量過小不行,主要原因是激光切割本身有0.1~0.2mm的寬度。當加工餘量為0.15mm,結果如圖3b所示,圖中欄寬全部在0.1mm,但僅零星點綴著幾個欄,顯然加工餘量也不夠大。當加工餘量為0.2mm,結果如圖3c所示。從此圖可看出,加工效果明顯提高,欄柵基本成形,欄寬全部在0.1mm左右,但出現了部分斷欄和缺欄現象,其原因為加工餘量仍不充足。經過幾次重複的試驗,結果表明不出現斷欄和缺欄現象概率很少。如堅持用這種方法加工,雖有成功的機會,但加工成本明顯提高。

為了提高加工成品率,降低成本,必須再進一步增加加工餘量。取加工餘量為0.25mm,繪圖尺寸如圖4所示,即將欄寬分別調整為0.35mm,相應的欄間距調整為0.65mm,再進行加工,得到圖5所示產品。通過測量可知,欄寬全部在0.1mm左右,很少出現斷欄和缺欄現象,且成品率也高。將加工欄柵(圖5)與圖2比較,非常符合技術要求,因此,加工餘量取0.25mm符合要求。

 

利用固體脈衝激光器,調整合適的切割工藝參數和加工餘量,可成功加工出這種高精密的欄柵,具體工藝參數是:激光輸出功率為250W、切割速度為200mm/s、氣體壓力為20kPa、噴嘴高度為3mm、脈寬為0.3ms、重複頻率為60H、加工餘量為0.25mm。其特點是加工質量好,速度快,成品率高,用來彌補其他加工方法的不足。

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