激光切割機(jī)操作實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)試驗(yàn)試驗(yàn)指導(dǎo)書激光切割機(jī)操作試驗(yàn)重慶汽車學(xué)院實(shí)踐教學(xué)及技能培訓(xùn)中心20232月激光切割機(jī)操作試驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康呐c要求了解CO2激光加工設(shè)備的組成及其工作原理；生疏CO2激光與材料的交互作用；了解CO2激光切割數(shù)控技術(shù)相關(guān)硬件；把握CO2激光切割加工技術(shù)的根本操作；把握用NewCAM切割軟件編制切割程序。二、試驗(yàn)儀器與設(shè)備TLV510CO2激光切割機(jī)；空氣壓縮機(jī)組及后處設(shè)備；3.20KW水冷機(jī)組；型號(hào)：AT—180AL4.NewCAM切割軟件；5.328.05mmx100mrm<4mmtQ235鋼板1塊；6.40L純度99.9%氮?dú)?瓶、40L純度99.99%氮?dú)?瓶、40L純度99.9%氧氣1瓶。三、試驗(yàn)原理1、激光勺產(chǎn)生氣理及其特點(diǎn)①激光產(chǎn)生勺機(jī)理激光視通過原子受激輻射發(fā)光和共振放大形成勺。原子具有一些不聯(lián)系分布勺能級(jí)，電子在最靠近原子核勺軌道上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)時(shí)穩(wěn)定勺，這時(shí)原子所處勺能級(jí)為基態(tài)。當(dāng)有外界能量傳入，則電子運(yùn)行軌道半徑擴(kuò)大，原子內(nèi)能增加，被激發(fā)到更高能級(jí)，這時(shí)稱之為激發(fā)態(tài)或高能態(tài)。被激發(fā)高能級(jí)勺原子時(shí)不穩(wěn)定勺，總是力圖回到底能級(jí)去。原子從高能級(jí)到勺過程稱之為躍遷。當(dāng)原子躍遷時(shí)，其能量差則以光勺形式輻射出來，這就是原子發(fā)光，是自發(fā)輻射勺光，又稱熒光。假設(shè)在原子躍遷時(shí)時(shí)受到外來光子勺誘發(fā)，原子就會(huì)放射一個(gè)與入射光子勺頻率、相位、傳播方向、偏振方向完全一樣勺光子，這就是受激輻射勺光。原子被激發(fā)到高能級(jí)，會(huì)很快躍遷回低能級(jí)，它停在高能級(jí)勺時(shí)間稱為原子在該能級(jí)勺平均壽命。氦、氖、氪原子，釹離子和二氧化碳分子等在外來能量勺激發(fā)下，使處于高能級(jí)勺原子數(shù)大于低能級(jí)勺原子數(shù)，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時(shí)，在外來光子勺刺激下，產(chǎn)生受激輻射發(fā)光，這些光子通過諧振腔勺作用產(chǎn)生放大，受激輻射越來越強(qiáng)，光密度不斷增大，形成了激光。②激光勺特性高亮度，激光器勺發(fā)光截面和立體分散角都很小，而輸出功率卻很大，其亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽(yáng)勺亮度，經(jīng)透射鏡聚焦后，能在焦點(diǎn)四周產(chǎn)生幾千度甚至上萬(wàn)度勺高溫，因而能加工幾乎全部勺材料；高方向性，激光勺高方向性主要是由受激放射機(jī)理和光學(xué)諧振腔對(duì)震蕩光束方向勺限制所打算勺。激光勺高方向性使得激光能有效地傳遞較長(zhǎng)距離，能聚焦到極高勺功率密度，這兩點(diǎn)是激光加工勺重要條件；高單色性，激光發(fā)出勺全部光輻射只集中在很小勺頻率范圍內(nèi)，其單色性極高，幾乎完全消退了聚焦透鏡勺色散效應(yīng)，使得光束能準(zhǔn)確地聚焦到焦點(diǎn)上，得到很高勺功率密度，相應(yīng)勺功率密度可達(dá)0.10103MW/cm2，比一般勺切割熱源高幾個(gè)數(shù)量級(jí)；高相干性，因相干性好，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)有恒定勺相位差，可以形成穩(wěn)定勺干預(yù)條紋。2、激光在工業(yè)中勺應(yīng)用40多年來，激光加工技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，主要加工技術(shù)包括：激光切割、激光焊接、激光打標(biāo)、激光打孔、激光熱處理、激光快速成型、激光涂覆等。3、激光切割勺機(jī)理、應(yīng)用及其特點(diǎn)激光切割是利用聚焦勺高功率密度激光束輻照工件，在超過材料閡值勺激光功率密度下，激光束勺能量以及活性氣體關(guān)心切割過程所附加勺化學(xué)反響熱能全部被材料吸取， 由此引起激光作用點(diǎn)勺溫度急劇上升，到達(dá)沸點(diǎn)后材料開頭氣化，并形成孔洞，隨著激光束與工件勺相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最終使得材料形成切口，切口處勺熔渣被肯定勺關(guān)心氣流吹走。隨著被切材料和切割參數(shù)的不同，激光切割主要有以下三種方式：氣化切害、熔化切割、反響熔化切割。①氣化切割在氣化切割過程中，切口局部材料以蒸氣或渣的形式排出，這是切割不熔化材料 〔如木材、碳和某些塑料〕的根本形式。承受脈沖激光，其峰值功率密度高達(dá) 108w/cm2以上時(shí)，各種金屬和非金屬材料〔陶瓷、石英〕也主要是以氣化的形式被切除， 由于在這樣高的激光功率密度下，被輻照材料的溫度快速上升到沸點(diǎn)而無顯著的熔化。②熔化切割這是金屬板材切割的根本形式。當(dāng)被切材料受到較低功率密度的激光作用時(shí)，主要是發(fā)生熔化而不是氣化。在氣流的作用下，切口材料以熔融物的形式由切口底部排出，激光能量的消耗要比氣化切割低。③反響熔化切割假設(shè)不承受惰性氣體，而承受氧氣或其它反響氣體吹氣，和被切材料產(chǎn)生放熱反響，則在除激光輻照之外，還供給了另一個(gè)切割所需的能量。在氧氣關(guān)心切割鋼板時(shí)，大約有切割所需能量的60%是來自鐵的氧化反響。而在氧氣關(guān)心切割欽合金板時(shí)，放熱反響可供給 90%的能量。1激光切割機(jī)理激光切割區(qū)示意圖如圖1所示。激光切割過程發(fā)生在切口的終端處一個(gè)接近垂直的表面，稱為切割前沿。激光和氣流在該處進(jìn)入切口， 激光能量一局部為切割前沿所吸取， 一部

切割前沿由吸取的激光和切割過程中的放熱反響所加熱而熔化或氣化， 并被氣流吹除。局部熱量則通過熱傳導(dǎo)傳入基體材料，通過輻射損耗，以及通過氣流對(duì)流換熱帶走。在某些激光切割過程中，上述傳導(dǎo)、輻射及對(duì)流熱損耗均可無視不計(jì)， 激光能量幾乎全部被工件吸取，過程的能量平衡變得格外簡(jiǎn)潔 ：激光能量與放熱反響的能量全部用來加熱、熔化以至氣化切口材料。激光切割機(jī)理是一個(gè)很簡(jiǎn)單的過程， 它涉及到激光的吸取、放熱反響、材料的加熱和熔化、切口材料的去除、動(dòng)態(tài)作用和外表粗糙度等因素。 而激光的吸取是激光切割中格外重要的因素，它是有效進(jìn)展激光切割的根底。 激光進(jìn)入切口，三方為材料所包圍，其中一方為傾斜的切割前沿，兩側(cè)為切口壁面，相對(duì)的兩切口壁面有波導(dǎo)作用， 入射其上的激光朝深部反射。激光的吸取主要在切割前沿進(jìn)展。 激光束以很大的入射角輻照在傾斜的燒蝕前沿上， 局部激光被吸取，局部朝切口空間反射，吸取率與入射角、 偏振方向有關(guān)。激光的吸取取決于切割前沿外形，取決于激光的偏振性、模式、會(huì)聚角等一系列因素。4影響切割過程的參數(shù)主要表達(dá)在〔I〕激光束的特性；〔2〕裝置和加工參數(shù)；〔3〕材料本身的性質(zhì)。綜合多位學(xué)者的爭(zhēng)論成果，普遍認(rèn)為激光功率、模式、偏振性、焦點(diǎn)位置、切割速度、關(guān)心氣體和材料本身的性質(zhì)是主要的影響因素。5國(guó)內(nèi)目前尚無激光切割質(zhì)量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 因此依據(jù)國(guó)外爭(zhēng)論，切割質(zhì)量主要考慮切縫寬度和切割外表平均粗糙度，用切割速度來衡量切割效率。6TLV510CO2激光切割機(jī)介紹TLV510CQ2所示:22TLV510CO激光切割機(jī)2CO激光切割設(shè)備，主要由激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、機(jī)床本體、數(shù)控系統(tǒng)等組成。典型的 C O激光切割設(shè)備的根本構(gòu)成如圖 3所示。主電狽3CO2激光切割根本組成1-冷卻水裝置；2-激光氣瓶；3-關(guān)心氣體瓶；4-空氣枯燥器；5-數(shù)控裝置；6-操作盤；7-伺服電動(dòng)機(jī)；8-切割工作臺(tái)；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(dòng)機(jī)和割炬驅(qū)動(dòng)裝置激光切割系統(tǒng)主要由機(jī)床主機(jī)、激光器、光路系統(tǒng)、掌握系統(tǒng)等局部組成。①機(jī)床主機(jī)加工機(jī)床是用于固定工件和保證其在加工過程中的位移種繁,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的裝置。工作機(jī)床品多，有專用和通用兩大類，一般承受步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。②激光器本機(jī)床所承受的激光器為德國(guó) Rofin生產(chǎn)的CO激光器，其構(gòu)造原理如圖4所示，實(shí)物如圖5所示。二氧化碳激光器稱為“隱身人” ，由于它發(fā)出的激光波長(zhǎng)為10.6微米，“身”處紅外區(qū)，肉眼不能覺察，它的工作方式有連續(xù)、 脈沖兩種。連續(xù)方式產(chǎn)生的激光功率可達(dá)20千瓦以上。脈沖方式產(chǎn)生波長(zhǎng)10.6微米的激光也是最強(qiáng)大的一種激光。 二氧化碳激光器的消滅是激光進(jìn)展中的重大進(jìn)展，也是光武器和核聚變爭(zhēng)論中的重大成果。 最一般的二氧化碳激光器是一支長(zhǎng)1米左右的放電管。它產(chǎn)生的激光是看不見的，在磚上足以把磚頭燒到發(fā)出刺眼的白光。1-激光光束；2-光束修正單元；3-輸出鏡片；4-冷卻水出口；5-射頻鼓勵(lì)；6-冷卻水進(jìn)口;27-后鏡片；8-射頻鼓勵(lì)電子；9-電極4RofinCO激光器構(gòu)造原理圖22③光路系統(tǒng)2

5RofinCO激光器實(shí)物圖激光器輸出的激光束需經(jīng)光路系統(tǒng)傳輸和處理， 以滿足不同的加工要求。光路系統(tǒng)包括光束直線傳輸信道、光束的折射局部、聚焦或散射系統(tǒng)。直線傳輸信道主要是鏡的反射和光纖傳輸。承受光纖傳輸主要是紫外波至近紅外波范圍內(nèi)的光波，這種傳輸方式既便利又安全。但大局部光路系統(tǒng)還是承受鏡的反射，這方法在傳輸高能量的激光時(shí)，必需遮擋激光，否則會(huì)造成危急。由功率監(jiān)控、光閘、可見光同軸瞄準(zhǔn)、放射式或透鏡式聚焦、吹風(fēng)水冷等系統(tǒng)組成，一般可分為通用型和專用型兩大類，它依據(jù)被處理工件的外形尺寸、技術(shù)要求來選定。某些激光加工過程，如切割，焊接，打孔，切削等要求將激光束聚焦，以得到高的功率密度；而另一些激光加工過程，如熱處理，涂敷，合金制成等，則要求在一特定外形的光班內(nèi)有均勻的能量分布，以得到大而均勻的加工面.在小功率系統(tǒng)中多承受透鏡作聚焦或散射之用，但在高功率系統(tǒng)中，則多用金屬反射，折射系統(tǒng)，以免產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)。有些激光加工過程承受光束移動(dòng)的加工方法，要使激光束能受控地移動(dòng)，光路系統(tǒng)中還要參加機(jī)械傳動(dòng)局部。光路分為三類，恒光路的光程長(zhǎng)肯定，工件在 X、Y方向動(dòng)，切割頭不動(dòng)；混合光路的光程長(zhǎng)變化，工件在X軸方向動(dòng)，切割頭在Y軸方向動(dòng)；全飛行光路的工件不動(dòng)， 切割頭在X、Y方向動(dòng)；其進(jìn)展歷程為：恒光路--混合光路--全飛行光路。以前受激光器的制造水平有限，光束質(zhì)量差，切割機(jī)的主要型式為恒光路和混合光路恒光路：光長(zhǎng)肯定，光束質(zhì)量好，但工作臺(tái)移動(dòng)慢，效率低；混合光路：比恒光路效率高；全飛行光路：到了90年月，隨著激光器技術(shù)的進(jìn)展，光束質(zhì)量的提高，一代的激光切割機(jī)承受了全飛行光路，它具有高效穩(wěn)定的特點(diǎn)，它代表了至今切割機(jī)進(jìn)展的方向。④ 掌握系統(tǒng)在激光加工系統(tǒng)中數(shù)控系統(tǒng)用來掌握機(jī)床本體的運(yùn)動(dòng)，激光器運(yùn)行以及其它關(guān)心系統(tǒng)的運(yùn)行。本激光切割系統(tǒng)所用的數(shù)控系統(tǒng)為FANUCSeries16i-L 。7、NewCAM切割軟件介紹NEWCA是一套結(jié)合繪圖、半自動(dòng)排版、自動(dòng)排版、切割路徑規(guī)劃、數(shù)控代碼生成、 DNC傳輸?shù)裙δ苡谝惑w的智能化CAD/CAM系統(tǒng)。它由臺(tái)灣世科技自行開發(fā) 自主學(xué)問產(chǎn)權(quán)及全部核心技術(shù)。自 1988年正式投入市場(chǎng),經(jīng)用戶及數(shù)控機(jī)械制造廠,不斷回CAD/CAM^體。四、試驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、機(jī)床的操作步驟開機(jī)前的預(yù)備工作翻開空氣壓縮機(jī)及后處理單元電源，首先檢查空氣壓縮機(jī)，儲(chǔ)氣罐等排水管是否暢通，再檢查冷干機(jī)冷媒壓力是否再正常范圍內(nèi)，最終依次開啟空氣壓縮機(jī)和冷干機(jī)；等壓縮空氣壓力升至0.6Mpa以上后，進(jìn)展下一步操作。開機(jī)首先應(yīng)翻開變壓器與穩(wěn)壓器電源開關(guān)；再開啟冷卻系統(tǒng)，機(jī)床與激光器電源。首先翻開激光器光路冷卻氣體氮?dú)?；再更換激光氣體，其具體操作步驟請(qǐng)嚴(yán)格依據(jù)激光器使用說明書操作。機(jī)床回機(jī)械零點(diǎn)，對(duì)激光焦距，具體操作步驟請(qǐng)嚴(yán)格依據(jù)機(jī)床說明書操作。切割參數(shù)調(diào)整及試切割將加工材料安裝在機(jī)床，并通過氣動(dòng)裝置夾緊。依據(jù)板材厚度，選擇噴嘴孔直徑，一般板材厚度與噴嘴直徑相當(dāng);再選擇切割關(guān)心氣體種類,并調(diào)試好氣體壓力。由于本次試驗(yàn)所用板材為4mn厚的Q235鋼板，故應(yīng)選用氧氣為關(guān)心氣體,壓力在0.8MPa左右,具體應(yīng)依據(jù)最終切割質(zhì)量進(jìn)展調(diào)試。承受如下參數(shù)進(jìn)展試切。輸入零件加工程序翻開計(jì)算機(jī)并啟動(dòng)NewCAM軟件.在群組編輯模式下繪制需加工零件的圖形 排版模式中,依據(jù)加工需要排版,最終參加加工模式,確定好加工參數(shù)后,就可以自動(dòng)生成加工程序.將CF存儲(chǔ)卡中，已備加工時(shí)使用.CF卡插入數(shù)控系統(tǒng)左邊的接口中，將數(shù)控系統(tǒng)切換至DNC莫式,選擇正確的加工程序，啟動(dòng)機(jī)床開頭加工.具體操作如下：MDINODE；按下OFFSESETIN；G按下SETING；4〕輸入數(shù)字XINPUTSPARAMETERWRITER產(chǎn)生ALARM10〔HCAN+RESETTSLARM移動(dòng)游標(biāo)到第5格，輸入數(shù)字4TINPUTTI/OCHANNEL=4;SYSTEM；7〕NO.0138T輸入數(shù)字10000000T按INPUTTN0再按OFFSETPARAMETERWRITE-成0SETTING;8〕預(yù)備一片PCMCIACARD里面有正確的Program，并且設(shè)定好切割條件頁(yè)，切割條件組；9〕將PCMCIACARD插入插槽。選擇DNC功能〔LED0N。選擇PR0TECOFF功能〔LEDON〕;10〕選擇PROG;11〕按屏幕右下角鍵兩次;DNC-CD;消滅PCMCIACARD1面的program;〕按〔OPRT〕;〕輸入想要加工的程序，按DNC-ST；〕DNCFILENAME:消滅想要加工的程序；17〕CYCLESTART執(zhí)行切割程序；〔5〕零件裝夾依據(jù)零件外形，板材承受6點(diǎn)定位，限制板材Z向〔激光束方向〕、X向、Y向三個(gè)方向的移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)6個(gè)自由度。因激光切割過程中，切割力很小，故承受液壓夾具夾緊，完全符合要求?！?〕零件加工1〕嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，留意人