光纖激光切割機特殊工藝設(shè)定對切割質(zhì)量的影響
2017-7-27 來源： 江蘇揚力數(shù)控機床有限公司 作者：田 輝 ，李 妮 ，翟東升
摘要：通過對激光切割機切割質(zhì)量的大量試驗研究，從激光切割加工特殊工藝要求來分析穿孔技術(shù)、引線設(shè)置和拐角設(shè)置等特殊工藝設(shè)定對切割質(zhì)量和加工效率的影響。
關(guān)鍵詞：激光切割機；特殊工藝；切割質(zhì)量；脈沖穿孔；引線設(shè)置；拐角設(shè)置
就金屬板材加工而言，采用激光切割工藝可節(jié)約昂貴的模具費用，縮短加工周期，對新產(chǎn)品開發(fā)、單件小批量生產(chǎn)和多品種輪番生產(chǎn)有著明顯的優(yōu)勢。 本文基于在切割應(yīng)用方面的使用經(jīng)驗，介紹影響切割質(zhì)量的主要因素之外的穿孔技術(shù)、引線設(shè)置和拐角設(shè)置三方面工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的影響。
1.穿孔技術(shù)
任何一種熱切割技術(shù)（如激光加工、等離子加工、火焰切割等），除少數(shù)情況可以從板材邊緣開始外，一般都必須在金屬板材上預(yù)穿一小孔，然后進行后續(xù)加工。穿孔質(zhì)量的好壞直接影響到切割輪廓的質(zhì)量，特別是輪廓尺寸接近板材厚度的小輪廓；其次，穿孔時間長短也直接影響到切割加工的生產(chǎn)效率，所以穿孔技術(shù)是激光切割加工的關(guān)鍵技術(shù)。常見的穿孔方式有以下三種。
1.1 爆破穿孔
如圖 1 所示，爆破穿孔又稱為直接穿孔（CW 方式），利用激光光束的連續(xù)性的工作原理，在加工材料的表面的某個地方，形成一個凹坑，然后根據(jù)激光束以及同軸的輔助氣體的加入，形成一個孔型，再根據(jù)設(shè)備以及材料的對位差，形成穿孔縫隙，最終完成整個爆破穿孔過程。
此穿孔過程中產(chǎn)生縫隙的大小跟板材的厚度成正比。加工材料越厚，其穿孔的縫隙就越寬，造成的材料浪費越大。爆破穿孔的優(yōu)點是可以大幅度提高穿孔時間，從而提高生產(chǎn)效率，缺點是在穿孔時，會發(fā)生大量熔融金屬向上噴的現(xiàn)象，容易污染光纖激光切割頭中的保護鏡片，同時厚板切割加工小孔（直徑＜板厚）時，由于穿出來的孔的直徑可能會超過所需要切割輪廓的直徑，會導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。
1.2 脈沖穿孔
脈沖穿孔采用的是激光束中最強大的高峰值的脈沖激光進行穿孔，脈沖激光束的功率可以達(dá)到額定功率的 2.5 倍左右，能夠使加工材料熔化甚至汽化。脈沖激光利用的是逐步深入的工作原理，對于厚型材料的加工，不影響切割效果，只是切割速度變慢，因此在加工質(zhì)量方面，要高于爆破穿孔，如圖 2 所示。當(dāng)碳鋼材料的板厚在10mm 以上時，使用脈沖穿孔則加工時間會急劇增加。
從理論上講，通常可以改變穿孔的條件有焦距、噴嘴位置、氣體壓力等，但實際上由于時間太短，改變以上的可能性不大。在實際生產(chǎn)中主要采用改變激光平均功率的方法實現(xiàn)。具體方法有以下三種①改變脈沖占空比；②改變脈沖頻率；③同時改變脈沖占空比和頻率。實際結(jié)果表明，第③種效果最好，穿孔質(zhì)量比較高而且穩(wěn)定。
表 1 是揚力 ML-3015F（IPG 2000W）碳鋼 12mm脈沖穿孔工藝數(shù)據(jù)（三階穿孔工藝）。
表 1脈沖穿孔工藝數(shù)據(jù)表
1.3 變焦穿孔
變焦穿孔的原理是切割頭上方安裝變曲率半徑鏡片（VRM），在穿孔過程中適時改變鏡片的曲率半徑從而改變焦點的相對位置，達(dá)到節(jié)省穿孔時間、提高穿孔效率和穩(wěn)定性的目的。大量的穿孔試驗數(shù)據(jù)表明，該穿孔方式比上述兩種方式效率可提高 20%以上。其缺點是由于頻繁改變曲率半徑大小，鏡片長時間使用容易損壞，鏡片的制造成本也比較高，目前沒有能夠得到大批量應(yīng)用。綜上所述，激光切割加工穿孔工藝無非采用上述一種或多種的組合，需根據(jù)實際情況進行選擇。考慮到熱效應(yīng)對切割加工的影響，有時還需要采用預(yù)穿孔技術(shù)或者間隔穿孔技術(shù)來切割產(chǎn)品，以便加工出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。
2.引線設(shè)置
在正常切割過程中，通常采用 CW 模式進行穿孔。該類型穿孔時間短，但正如以上所述，該方式會產(chǎn)生一個比脈沖穿孔更大的孔。因此，起切穿孔的位置通常選在輪廓的外邊。穿孔和實際輪廓之間的切割線稱之為引入線，結(jié)束時出來的那部分切割線稱之為引出線。引入/引出線的設(shè)置對切割加工質(zhì)量也至關(guān)重要，引線設(shè)置主要分為引線長度和引線類型兩方面。
2.1 引線長度
由于穿孔過程中會產(chǎn)生大量的熱量，在切割實際輪廓之前盡可能將熱量散發(fā)掉是非常關(guān)鍵的，特別在切割小的內(nèi)輪廓時尤為重要，處理不當(dāng)會導(dǎo)致無法切割。試驗表明引線長度取決于板材厚度和孔的直徑，表 2 為 ML-3015F 機型的參考數(shù)據(jù)表。
2.2 引線類型
激光切割加工為熱加工類型，切割過程中功率大小、輔助氣體氣流的穩(wěn)定性、噴嘴的新舊程度甚至機床本身的運動性能均會影響切割加工質(zhì)量和切割精度，從理論上分析任何方式的引入均能夠滿足切割要求，為了彌補上述因素對切割的影響，自動編程軟件中可以設(shè)置多種引線類型來避免切割缺陷。引線類型有直線、圓弧、直線+圓弧、徒手直線等，同時還能夠?qū)为毜闹本€和圓弧進行任意角度設(shè)置。常用的引線類型如圖 3 所示。
3 拐角設(shè)置
在切割碳鋼板材時，由于機床運動軸在拐角處的加減速和輔助氣體氣流的影響，會導(dǎo)致直角處出現(xiàn)不同程度的燒傷；在切割不銹鋼板材時，若不進行處理，會出現(xiàn)拐角處有比較大的切割毛刺現(xiàn)象。為此，需要對切割路徑進行優(yōu)化，采取倒角或者拐角設(shè)定的方式來避免燒傷和毛刺。對拐角設(shè)定倒角半徑除了可減少毛刺產(chǎn)生外，還使軸移動的動態(tài)性能更好，同時熱影響區(qū)減少。最優(yōu)倒角半徑 R=板材厚度/10，但不小于 1mm。對于用戶工件有特殊要求的情形，不允許在拐角處進行圓角處理，此時需要采用如圖 4 所示的拐角設(shè)置 （繞角處理）方式達(dá)到最理想的切割效果。
4.小結(jié)
激光切割加工是一種非常復(fù)雜的加工工藝，有多種因素影響切割質(zhì)量和加工效率。本文只針對在實際切割加工中常用的穿孔方式、引線設(shè)置和拐角處理等方面設(shè)定來分析影響切割質(zhì)量的因素。大量的切割加工表明，處理好以上設(shè)定，對切割質(zhì)量的提高有很大的幫助作用。
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