激光切割工藝參數(shù)對切割樟子松切縫效率的影響
2017-3-27 來源：北華大學(xué) 作者：趙洪剛，劉彥龍，孫耀星，樂 磊，吳俊華
摘要: 激光加工在木材加工中的應(yīng)用越來越廣泛，具有傳統(tǒng)機械加工不可比擬的優(yōu)勢。影響激光切割木材效率的因素主要有切割機參數(shù)和工件的性質(zhì)，由于木材的性質(zhì)很復(fù)雜，并且激光切割時的鏡頭高、功率、切割速度等參數(shù)具有交互作用，造成三因素同時作用的顯著性不明顯，使激光切割木材的效率不易控制。為獲得更理想的切割效率，對激光切割木材的工藝參數(shù)進行了試驗研究。為了減少各種因素交互作用的影響，細化加工參數(shù)，分析鏡頭高和功率二因素對切割縫深的影響程度，以樟子松為例，采用二因素完全隨機重復(fù)試驗方法，在切割速度一定的條件下( v =100 mm/s) ，確定鏡頭高和功率對縫深的影響。通過方差分析以及多重比較分析，確定合理的參數(shù)為功率41． 6 W、鏡頭高 6 mm，或者功率 65 W、鏡頭高 6． 5 mm。在此條件下可得最大切割縫深為 4． 5 ～ 6 mm。
關(guān)鍵詞: 樟子松; 激光切割; 切縫深度; 鏡頭高; 激光功率; 木材切割速度
使用傳統(tǒng)的木工機械加工木制品工藝復(fù)雜，激光加工作為新工藝，應(yīng)用越來越廣。激光發(fā)散度小，相干性好，激光束通過聚焦后形成很高功率的熱源。激光切割木材就是木材受到聚焦后的高能熱源———激光束照射，使木材在很小的體積內(nèi)溫度急速上升，達到熔化、氣化，以致材料被穿透［1 － 3］.
激光加工以其獨特的性質(zhì)在木材加工( 特別是鋸切) 中顯示其優(yōu)點: ①材料浪費少，激光切割切縫寬度一般小于 1 mm，如果參數(shù)選擇合理，可以達到 0． 1 mm 左右，而鋸切鋸路寬通常為 2．5 ～5 mm; ②環(huán)境污染小，激光切割噪聲極小，無粉塵，而傳統(tǒng)木材加工不僅需要安裝除塵設(shè)施，尖銳刺耳的噪聲還給工人的身心健康帶來很大的危害; ③激光切割是非接觸加工，無切削力，工件無變形，切割精度高，速度快; ④無需刀具，甚至不需要夾具，機床通用性好，生產(chǎn)成本低; ⑤工人勞動強度低，安全性高。但激光加工也有一些缺點，如煙霧稍大、有微量輻射、參數(shù)不當(dāng)甚至易引發(fā)火災(zāi)從而需注意安全。通常切割深度不宜超過 30 mm，不適合凸凹程度較大的立體加工; 有燒蝕現(xiàn)象，平面影雕效果一般。目 前 對 激 光 加 工 木 材 的 研 究 相 對 來 說 較少［4 － 7］，如果激光切割參數(shù)選擇不合適，激光加工的優(yōu)勢效果就不能充分發(fā)揮。因此，筆者以樟子松為例，研究激光切割木材過程中參數(shù)的合理選擇對切割效率的影響。
1.材料與方法
1．1 試驗設(shè)備及材料
設(shè)備: CO2激光切割機 CMA1390 型，最大切割尺寸1 300 mm × 900 mm，激光發(fā)生器功率 130 W，工作輸出電流 50 m A，整機總功率 1． 25 k W，切割速度 800 mm/s。系統(tǒng)支持軟件及版本: Smart Carve4. 3。細木工帶鋸機和帶移動工作臺鋸板機，砂光機，體視顯微鏡( OLYMPUS － SZX16) 。材料: 樟子松( Pinus sylvestris) 木材，干材，試件尺寸 1 000 mm × 90 mm × 10 mm。
1． 2 試驗?zāi)繕?biāo)及方法
激光切割的工藝參數(shù)較多，有鏡頭高、最大和最小功率、氣流、噴嘴直徑等［8 － 11］。切割效率包括切縫深度( 縫深) 、切割速度等。切口質(zhì)量也包含很多方面，如切縫的寬度和均勻程度( 縫寬) ，切割的角度、切口的平整度、燒蝕程度等，此次研究試驗?zāi)繕?biāo)定位為切透 5 mm 厚板材確定合理的工藝參數(shù)。因此主要研究激光加工切割參數(shù)對縫深指標(biāo)中順紋切割，即 0°角切割的影響。在前期激光切割木材試驗中發(fā)現(xiàn)，不同切割角度對縫寬、燒蝕程度等切割質(zhì)量有一定的影響，而對縫深的影響卻很所以此次研究忽略切割角的影響，以確定合理的切割參數(shù)。
在切割速度一定的條件下，主要測量激光切割機切割工藝參數(shù)中鏡頭高( 指鏡頭到試樣的距離，該參數(shù)反映了激光聚焦效果，即功率密度) 和功率對工件切割效率中主要參數(shù)縫深的影響。鏡頭高對切割效率及質(zhì)量影響均較大，鏡頭高合適時，聚集效果好，光束細，功率密度大，切口縫寬小，切割深度也會較大，而且切口處木材氣化迅速，對切口附近的影響區(qū)域小，燒蝕程度也小。為避免自行設(shè)置加速度對機器部件的影響，均采用機器默認加速度。為減少切割過程中啟動和停止加速度對切割速度變化的影響，要求切縫有一定的長度，設(shè)定每條切縫長度為 100 mm，順紋切割。
前期研究，功率、速度、鏡頭高三因素中單一因素作用顯著性明顯，特別是鏡頭高具有明顯的顯著性，次要影響因素是速度，然后是功率。但三因素具有交互作用，三因素同時作用時顯著性不明顯［12］。所以采用二因素完全隨機等重復(fù)試驗方法設(shè)計試驗［13］。此次研究是制作拼花地板的前期研究工作，根據(jù)前期研究基礎(chǔ)［12］，功率達到 78 W 時燒灼程度較大，為不影響拼花地板的藝術(shù)效果，燒灼程度不宜過大，同時根據(jù)優(yōu)先數(shù)系的選擇規(guī)律，選擇激光功率( 因素 A) 的水平 A． 為 13 W、A． 為41． 6 W、A． 為 65 W 作為最大功率，為了減小起止位置激光頭運行加速度造成速度不均勻的影響，選擇對應(yīng)水平的最小功率分別為 6． 5、26、39 W。鏡頭高過小或者過大，除了燒灼現(xiàn)象顯著，縫深和縫寬變化也非常顯著，而且鏡頭高過小，產(chǎn)生的煙霧會在沒有來得及被抽風(fēng)機抽走的時候?qū)︾R頭產(chǎn)生一定的污染。同時需保證后續(xù)數(shù)據(jù)處理中方差分析所需的自由度數(shù)目限制，所以鏡頭高( B) B1，B2，B3，…，B16分別取值為 3. 5，4. 0，4. 5，…，11 mm。
2.結(jié)果與分析
2．1 試驗初步分析
在測量中發(fā)現(xiàn)，即使是同一條切縫，縫深也有差別，通常在 1 mm 以內(nèi)，個別的差值達到 2 mm( 按粗大誤差剔除) 。經(jīng)過仔細觀察運行時的切割狀態(tài)，認為這是由于機器部件在啟動和停止時不可能驟停驟止，由于加速度的存在，使激光管在運行過程中的切割速度并不是絕對勻速的，特別是當(dāng)切縫較短、切割速度較快時，縫深不均勻現(xiàn)象更明顯。另外，啟動處縫深較大，停止處縫深較小，說明在Smart Carve 4． 3 中設(shè)置加工路徑對切割狀態(tài)也有影響。因此，切割切縫時注意不要太靠近兩端。切縫首末兩端有時有被切透的小孔，加大最大功率和最小功率的差值會減少這種現(xiàn)象，但最大功率和最小功率差值不宜超過 20% ，通常取 10% 左右為宜，否則會加大縫深不均勻現(xiàn)象，對激光管壽命產(chǎn)生一定程度的影響。
在體視顯微鏡下觀察和測量的縫寬和縫深狀態(tài)見圖 1。縫寬邊緣有燒灼現(xiàn)象，縫深一般呈 V 形，鏡頭高為 7 mm 左右時縫寬上下差別小，而鏡頭高過大或者過小會使切縫的 V 形非常明顯，縫寬也增加，炭化現(xiàn)象明顯。此次研究只討論鏡頭高和功率對縫深的影響，對其他因素的影響忽略。
圖 1 切割試樣狀態(tài)
2.2 試驗數(shù)據(jù)處理及方差分析
由于影響激光切割樟子松的主要因素是鏡頭高，所以應(yīng)該先確定合適的鏡頭高，為突出顯著性，選擇鏡頭高和功率作為二因素。因此，令速度一定( 由于此次研究目標(biāo)是制作拼花地板，需要達到一定的切割深度，因此取切割速度 v = 100 mm/s) ，改變鏡頭高和激光功率，建立二因素完全隨機等重復(fù)試驗?zāi)Ｐ停?3］。激光功率、鏡頭高交互作用對縫深的影響見表 1。
對表 1 中數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果見表 2。
表 1 鏡頭高和激光功率二因素作用對切割樟子松縫深的影響
表 2 不同鏡頭高、功率作用下的縫深方差分析
從表 2 可以看出，功率和鏡頭高對縫深的影響均為極顯著，鏡頭高比功率對縫深影響程度大，鏡頭高和功率二者交互作用顯著，但交互作用的影響程度比單一因素的影響程度小，所以在確定切割參數(shù)時，應(yīng)該固定某一因素，然后調(diào)整另一個因素，如從此次試驗看，應(yīng)該先確定合理的鏡頭高范圍，然后確定合理的功率范圍。
由于鏡頭高、功率以及它們的交互作用均顯著，可采用 SSＲ 法進一步處理，其多重比較結(jié)果表明鏡頭高與功率的交互作用為 A3B7( 即功率取65W，鏡頭高取 6． 5 mm ) ，或者 A2B6( 即功率取41. 6 W，鏡頭高取 6 mm) 時，較為合適，可得最大切割縫深為 4. 5 ～ 6 mm。這與一些研究者得出鏡頭高為 2、5 mm 或 者 7． 5 mm 合 適 的 結(jié) 論 不同［14 － 16］，筆者認為這是由于試驗條件的不同所致，這也體現(xiàn)了激光切割木材的復(fù)雜性［17］。
3.結(jié)語
1) 功率和鏡頭高對縫深的影響均極為顯著，鏡頭高比功率對縫深影響程度大，鏡頭高和功率交互作用顯著，但交互作用的影響程度比單一因素影響程度小。
2) 在速度 100 mm / s 時，確定切割縫深合理的參數(shù)是功率 41. 6 W、鏡頭高 6 mm，或者功率 65 W、鏡頭高 6． 5 mm，切割縫深可達 4． 5 ～ 6 mm。由于各種木材性能的差異和各種參數(shù)的交互作用比較復(fù)雜，尚需進行進一步的研究。
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