機械設計制造及其自動化

專業實驗實驗指導書激光切割機操作實驗重慶汽車學院實踐教學及技能培訓中心2010年2月激光切割機操作實驗一、 實驗目的與要求了解CO2激光加工設備的組成及其工作原理；熟悉CO2激光與材料的交互作用；了解CO2激光切割數控技術相關硬件；掌握CO2激光切割加工技術的基本操作；掌握用NewCAM切割軟件編制切割程序。二、 實驗儀器與設備TLV510CO2激光切割機；空氣壓縮機組及后處設備；3.20KW水冷機組；型號：AT—180AL4.NewCAM切割軟件；5.328.05mmx100mrm<4mmt勺Q235鋼板1塊；6.40L純度99.9%氮氣1瓶、40L純度99.99%氮氣1瓶、40L純度99.9%氧氣1瓶。三、 實驗原理1、 激光勺產生機理及其特點激光產生勺機理激光視通過原子受激輻射發光和共振放大形成勺。原子具有一些不聯系分布勺能級，電子在最靠近原子核勺軌道上轉動時時穩定勺，這時原子所處勺能級為基態。當有外界能量傳入，則電子運行軌道半徑擴大，原子內能增加，被激發到更高能級，這時稱之為激發態或高能態。被激發高能級勺原子時不穩定勺，總是力圖回到底能級去。原子從高能級到勺過程稱之為躍遷。當原子躍遷時，其能量差則以光勺形式輻射出來，這就是原子發光，是自發輻射勺光，又稱熒光。如果在原子躍遷時時受到外來光子勺誘發，原子就會發射一個與入射光子勺頻率、相位、傳播方向、偏振方向完全相同勺光子，這就是受激輻射勺光。原子被激發到高能級，會很快躍遷回低能級，它停在高能級勺時間稱為原子在該能級勺平均壽命。氦、氖、氟原子，釹離子和二氧化碳分子等在外來能量勺激發下，使處于高能級勺原子數大于低能級勺原子數，這種狀態稱為粒子數反轉。這時，在外來光子勺刺激下，產生受激輻射發光，這些光子通過諧振腔勺作用產生放大，受激輻射越來越強，光密度不斷增大，形成了激光。激光勺特性高亮度，激光器勺發光截面和立體分散角都很小，而輸出功率卻很大，其亮度遠遠高于太陽勺亮度，經透射鏡聚焦后，能在焦點附近產生幾千度甚至上萬度勺高溫，因而能加工幾乎所有勺材料；高方向性，激光勺高方向性主要是由受激發射機理和光學諧振腔對震蕩光束方向勺限制所決定勺。激光勺高方向性使得激光能有效地傳遞較長距離，能聚焦到極高勺功率密度，這兩點是激光加工勺重要條件；高單色性，激光發出勺全部光輻射只集中在很小勺頻率范圍內，其單色性極高，幾乎完全消除了聚焦透鏡勺色散效應，使得光束能精確地聚焦到焦點上，得到很高勺功率密度，相應勺功率密度可達0.10至103MW/cm2，比一般勺切割熱源高幾個數量級；高相干性，因相干性好，在較長時間內有恒定勺相位差，可以形成穩定勺干涉條紋。2、 激光在工業中勺應用40多年來，激光加工技術與應用發展迅猛，已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，主要加工技術包括：激光切割、激光焊接、激光打標、激光打孔、激光熱處理、激光快速成型、激光涂覆等。3、 激光切割勺機理、應用及其特點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輔助切割過程所附加勺化學反應熱能全部被材料吸收， 由此引起激光作用點勺溫度急劇上升，達到沸點后材料開始氣化，并形成孔洞，隨著激光束與工件勺相對運動，最終使得材料形成切口，切口處勺熔渣被一定勺輔助氣流吹走。隨著被切材料和切割參數的不同， 激光切割主要有以下三種方式：氣化切害、熔化切割、反應熔化切割。氣化切割在氣化切割過程中，切口部分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）的基本形式。采用脈沖激光，其峰值功率密度高達 108w/cm2以上時，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， 因為在這樣高的激光功率密度下，被輻照材料的溫度迅速上升到沸點而無顯著的熔化。熔化切割這是金屬板材切割的基本形式。當被切材料受到較低功率密度的激光作用時，主要是發生熔化而不是氣化。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。反應熔化切割如果不采用惰性氣體，而采用氧氣或其它反應氣體吹氣， 和被切材料產生放熱反應，則在除激光輻照之外，還提供了另一個切割所需的能量。 在氧氣輔助切割鋼板時，大約有切割所需能量的60%是來自鐵的氧化反應。而在氧氣輔助切割欽合金板時，放熱反應可提供 90%的能量。圖1激光切割機理激光切割區示意圖如圖1所示。激光切割過程發生在切口的終端處一個接近垂直的表面，稱為切割前沿。激光和氣流在該處進入切口， 激光能量一部分為切割前沿所吸收， 一部分穿過切口或經切割前沿向切口空間反射， 能量密度高時有時會產生等離子體。 切割前沿由吸收的激光和切割過程中的放熱反應所加熱而熔化或氣化， 并被氣流吹除。部分熱量則通過熱傳導傳入基體材料，通過輻射損耗，以及通過氣流對流換熱帶走。在某些激光切割過程中，上述傳導、輻射及對流熱損耗均可忽略不計， 激光能量幾乎全部被工件吸收，過程的能量平衡變得十分簡單：激光能量與放熱反應的能量全部用來加熱、熔化以全氣化切口材料。激光切割機理是一個很復雜的過程， 它涉及到激光的吸收、放熱反應、材料的加熱和熔化、切口材料的去除、動態作用和表面粗糙度等因素。 而激光的吸收是激光切割中非常重要的因素，它是有效進行激光切割的基礎。 激光進入切口，三方為材料所包圍，其中一方為傾斜的切割前沿，兩側為切口壁面，相對的兩切口壁面有波導作用， 入射其上的激光朝深部反射。激光的吸收主要在切割前沿進行。激光束以很大的入射角輻照在傾斜的燒蝕前沿上， 部分激光被吸收，部分朝切口空間反射，吸收率與入射角、 偏振方向有關。激光的吸收取決于切割前沿形狀，取決于激光的偏振性、模式、會聚角等一系列因素。4、 影響激光切割的參數影響切割過程的參數主要體現在（I）激光束的特性；（2）裝置和加工參數；（3）材料本身的性質。綜合多位學者的研究成果，普遍認為激光功率、模式、偏振性、焦點位置、切割速度、輔助氣體和材料本身的性質是主要的影響因素。5、 激光切割質量的評價國內目前尚無激光切割質量的相關標準， 因此根據國外研究，切割質量主要考慮切縫寬度和切割表面平均粗糙度，用切割速度來衡量切割效率。6、 TLV510CO2激光切割機介紹

TLV510CQ激光切割機如圖2所示:TLV510CQ激光切割機如圖2所示:圖2TLV510CO2激光切割機CO激光切割設備，主要由激光器、導光系統、機床本體、數控系統等組成。典型的激光切割設備的基本構成如圖3所示。CO■fLV^SlD:主電狷圖3主電狷圖3CO2激光切割基本組成1-冷卻水裝置；2-激光氣瓶；3-輔助氣體瓶；4-空氣干燥器；5-數控裝置；6-操作盤；7-伺服電動機；8-切割工作臺；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-伺服電動機和割炬驅動裝置激光切割系統主要由機床主機、激光器、光路系統、控制系統等部分組成。壓湖卒T①機床主機加工機床是用于固定工件和保證其在加工過程中的位移種繁，旋轉運動的裝置。工作機床品多，有專用和通用兩大類，一般采用步進電機或伺服電機驅動。②激光器本機床所采用的激光器為德國 Rofin生產的CO激光器，其結構原理如圖4所示，實物如圖5所示。二氧化碳激光器稱為“隱身人” ，因為它發出的激光波長為10.6微米，“身”處紅外區，肉眼不能覺察，它的工作方式有連續、 脈沖兩種。連續方式產生的激光功率可達20千瓦以上。脈沖方式產生波長10.6微米的激光也是最強大的一種激光。 二氧化碳激光器的出現是激光發展中的重大進展，也是光武器和核聚變研究中的重大成果。 最普通的二氧化碳激光器是一支長1米左右的放電管。它產生的激光是看不見的，在磚上足以把磚頭燒到發出耀眼的白光。■■61-激光光束；2-光束修正單元；3-輸出鏡片；4-冷卻水出口；5-射頻激勵；6-冷卻水進口;7-后鏡片；8-射頻激勵電子；9-電極圖4德國RofinCO2激光器結構原理圖圖5德國RofinCO2激光器實物圖光路系統激光器輸出的激光束需經光路系統傳輸和處理， 以滿足不同的加工要求。光路系統包括光束直線傳輸信道、光束的折射部分、聚焦或散射系統。直線傳輸信道主要是鏡的反射和光纖傳輸。采用光纖傳輸主要是紫外波至近紅外波范圍內的光波，這種傳輸方式既方便又安全。但大部分光路系統還是采用鏡的反射，這方法在傳輸高能量的激光時，必需遮蔽激光，否則會造成危險。由功率監控、光閘、可見光同軸瞄準、發射式或透鏡式聚焦、吹風水冷等系統組成，一般可分為通用型和專用型兩大類，它根據被處理工件的形狀尺寸、技術要求來選定。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，則要求在一特定形狀的光班內有均勻的能量分布，以得到大而均勻的加工面.在小功率系統中多采用透鏡作聚焦或散射之用，但在高功率系統中，則多用金屬反射，折射系統，以免產生熱透鏡效應。有些激光加工過程采用光束移動的加工方法，要使激光束能受控地移動，光路系統中還要加入機械傳動部分。光路分為三類，恒光路的光程長一定，工件在 X、Y方向動，切割頭不動；混合光路的光程長變化，工件在X軸方向動，切割頭在Y軸方向動；全飛行光路的工件不動， 切割頭在X、Y方向動；其發展歷程為：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，光束質量差，切割機的主要型式為恒光路和混合光路恒光路：光長一定，光束質量好，但工作臺移動慢，效率低；混合光路：比恒光路效率高；全飛行光路：到了90年代，隨著激光器技術的發展，光束質量的提高，新一代的激光切割機采用了全飛行光路，它具有高效穩定的特點，它代表了至今切割機發展的方向。控制系統在激光加工系統中數控系統用來控制機床本體的運動，激光器運行以及其它輔助系統的運行。本激光切割系統所用的數控系統為FANUCSeries16i-L 。7、NewCAM切割軟件介紹NEWCA是一套結合繪圖、半自動排版、自動排版、切割路徑規劃、數控代碼生成、 DNC傳輸等功能于一體的智能化CAD/CAM系繇它由臺灣世新科技有限公司自行開發 ，擁有全部自主知識產權及全部核心技術。自1988年正式投入市場，經用戶及數控機械制造廠，不斷回饋提供改進建議，演化成為最符合用戶需要，與機械搭配最緊密的CAD/CAM?本。四、實驗內容及步驟1、機床的操作步驟開機前的準備工作打開空氣壓縮機及后處理單元電源，首先檢查空氣壓縮機，儲氣罐等排水管是否暢通，再檢查冷干機冷媒壓力是否再正常范圍內，最后依次開啟空氣壓縮機和冷干機；等壓縮空氣壓力升至0.6Mpa以上后，進行下一步操作。開機首先應打開變壓器與穩壓器電源開關；再開啟冷卻系統，機床與激光器電源。首先打開激光器光路冷卻氣體氮氣；再更換激光氣體，其具體操作步驟請嚴格按照激光器使用說明書操作。機床回機械零點，對激光焦距，具體操作步驟請嚴格按照機床說明書操作。切割參數調整及試切割將加工材料安裝在機床，并通過氣動裝置夾緊。根據板材厚度，選擇噴嘴孔直徑，一般板材厚度與噴嘴直徑相當；再選擇切割輔助氣本種類，并調試好氣體壓力。由于本次實驗所用板材為4mn厚的Q235鋼板，故應選用氧氣為輔助氣體，壓力在0.8MPa左右,具體應根據最終切割質量進行調試。采用如下參數進行試切。輸入零件加工程序打開計算機并啟動NewCAM軟件.在群組編輯模式下繪制需加工零件的圖形 ，然后加入排版模式中，根據加工需要排版，最后加入加工模式，確定好加工參數后，就可以自動生成加工程序.將程序傳輸至CF存儲卡中，已備加工時使用.將CF卡插入數控系統左邊的接口中，將數控系統切換全DNC莫式,選擇正確的加工程序，啟動機床開始加工.具體操作如下：選擇MDINODE；按下OFFSESETIN；G按下SETING；4）輸入數字X按INPUTSPARAMETERWRITER產生ALARM10（H同時按CAN+RESETt清除SLARM5） 移動游標到第5格，輸入數字4t按INPUTtI/OCHANNEL=4;6） 按SYSTEM；7） 移動游標到參數NO.0138T輸入數字10000000T按INPUTtN0再按OFFSETPARAMETERWRITE-成0SETTING;8） 準備一片PCMCIACARD里面有正確的Program，并且設定好切割條件頁，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；12） 按DNC-CD;13） 出現PCMCIACARD1面的program;14） 按（OPRT）;15） 輸入想要加工的程序，按DNC-ST；16） DNCFILENAME:出現想要加工的程序；17） 按CYCLESTART執行切割程序；（5） 零件裝夾根據零件形狀，板材采用6點定位，限制板材Z向（激光束方向）、X向、Y向三個方向的移動及轉動6個自由度。因激光切割過程中，切割力很小，故采用液壓夾具夾緊，完全符合要求。（6） 零件加工1） 嚴格遵守操作規程，注意人身安