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激光（guāng）切割工藝參數對切割樟子鬆（sōng）切縫效率的影響

2017-3-27 來源：北華（huá）大學作者：趙洪剛，劉彥龍，孫耀星，樂磊，吳俊華

摘要: 激光加工在木（mù）材加工中的應用越來（lái）越（yuè）廣泛，具有傳統機械加工不可比擬的優勢。影響激光切割（gē）木材效率的因素主要有切（qiē）割機參數和工件的性質（zhì），由於木材的性質很複雜，並且激光切割（gē）時的鏡頭高、功率、切割速度等參數具有（yǒu）交互作（zuò）用，造成三因素同時作用的顯（xiǎn）著性不（bú）明（míng）顯，使（shǐ）激光切割木材（cái）的效率不易控製。為獲（huò）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（yàn）研究。為了減少各種因素交（jiāo）互作（zuò）用（yòng）的影（yǐng）響，細化加工參數，分析鏡頭（tóu）高和功率二因素對切割縫深的（de）影響程度，以樟子鬆（sōng）為例，采用二因素完全隨（suí）機重複試驗方法，在切割速（sù）度（dù）一定的條件下( v =100 mm/s) ，確定鏡頭高和（hé）功率對縫深的影響。通過方差分析以及多重比較分析（xī），確定合理的參數為功率41． 6 W、鏡頭高 6 mm，或（huò）者（zhě）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。

關鍵詞: 樟子鬆; 激光切割; 切縫深度; 鏡頭高; 激光功率; 木（mù）材切割（gē）速度

使用傳統的木（mù）工機械加工（gōng）木製品工藝複（fù）雜，激（jī）光加工作（zuò）為新工藝，應（yīng）用越來越廣。激光發（fā）散度小，相幹性好，激光束通過聚焦（jiāo）後形成很高功率的熱源。激光切割木材就是（shì）木材受到聚焦後的（de）高能熱源———激光（guāng）束照射，使木（mù）材（cái）在（zài）很小的體積內（nèi）溫（wēn）度急速上升，達到熔（róng）化（huà）、氣化（huà），以致（zhì）材料被穿透［1 － 3］.

激（jī）光加工以其獨特的性質在木材加工( 特別是鋸切) 中（zhōng）顯示其優點: ①材料浪費少，激光切割切縫（féng）寬度一般小於 1 mm，如果參數選擇合理，可以達到 0． 1 mm 左右（yòu），而鋸切鋸路寬通常為 2．5 ～5 mm; ②環境汙染小，激光切割噪聲極小，無粉塵，而傳統木（mù）材加工不僅需要安裝除塵（chén）設施，尖銳刺耳的噪聲（shēng）還給工人的身心健康帶來很（hěn）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（qiē）割精（jīng）度高，速度快; ④無需刀（dāo）具，甚至不需（xū）要夾具，機（jī）床通用（yòng）性好，生產成本（běn）低; ⑤工人勞動（dòng）強度低，安全（quán）性高。但激光加工也有一些缺點，如（rú）煙霧稍大、有微量輻（fú）射、參數不當甚至易引發（fā）火災從而需注意安全。通常（cháng）切割（gē）深度不（bú）宜超過 30 mm，不適（shì）合凸（tū）凹（āo）程度較大的立體加（jiā）工; 有燒蝕現象（xiàng），平麵（miàn）影雕效果（guǒ）一般。目前對激光加工木材（cái）的研究相對來說（shuō）較少（shǎo）［4 － 7］，如果激光切割參數選擇（zé）不合適，激光加工的優勢效果就不能充分發揮。因（yīn）此（cǐ），筆（bǐ）者以樟子（zǐ）鬆為例（lì），研究激光（guāng）切（qiē）割木材過（guò）程中參數的合理（lǐ）選擇對（duì）切割效率的影（yǐng）響（xiǎng）。

1.材料（liào）與方法

1．1 試驗（yàn）設備及材料

設備: CO2激光切（qiē）割機 CMA1390 型，最大切割尺寸1 300 mm × 900 mm，激光發生器功率 130 W，工作輸（shū）出（chū）電流 50 m A，整機總功率（lǜ） 1． 25 k W，切割（gē）速度（dù） 800 mm/s。係統支持軟件及版本（běn）: Smart Carve4. 3。細木工帶鋸（jù）機和帶移動工作台鋸板機，砂光機，體視顯微鏡( OLYMPUS － SZX16) 。材料: 樟子鬆( Pinus sylvestris) 木材，幹材，試件尺寸 1 000 mm × 90 mm × 10 mm。

1． 2 試驗目標及方法

激光（guāng）切割的工藝參數較多（duō），有鏡頭高（gāo）、最大和最小功率、氣流、噴（pēn）嘴（zuǐ）直徑等（děng）［8 － 11］。切割效率包括切縫深度( 縫深) 、切（qiē）割速度等。切（qiē）口質量也包含很多方麵（miàn），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，此次研究試驗目標定位為切透 5 mm 厚板材確定合理的（de）工藝參數。因此主要研究激（jī）光加工切割參數對縫深指標（biāo）中順紋切割，即 0°角切割的影響。在前期（qī）激光切割木材試驗中發現，不同切割（gē）角度對縫寬、燒蝕（shí）程度等切割質量有一定的影響，而對縫深的影響卻很所以此次研究（jiū）忽略切割角的影響，以確定合理的切割參數。

在切割（gē）速度一定的條件下，主要測量激光切割機切割工藝參數中鏡頭（tóu）高( 指鏡（jìng）頭到（dào）試樣的（de）距離，該參數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縫深的影響。鏡頭高對切割效（xiào）率及質量影響均較大，鏡頭高（gāo）合適時，聚集效果好，光束細（xì），功率密度大，切口縫寬小，切割深度也會較大，而且切口處（chù）木材氣化迅速，對切口附近的影響區域小，燒蝕程（chéng）度（dù）也小。為（wéi）避免自行（háng）設置加速度對機器（qì）部件的影響，均采（cǎi）用機器默認加速度。為減少切（qiē）割過程中啟動和停止加速度對切割速（sù）度變（biàn）化的影響，要求切縫有一定（dìng）的長度，設（shè）定每條切縫長度為 100 mm，順紋切割。

前期研究，功（gōng）率、速度、鏡頭高三因素中單一因素作用顯著性明顯（xiǎn），特別是鏡頭高具有明顯的顯著性，次要影響因素是速度，然後是功率。但三因素具有交互作用（yòng），三因（yīn）素（sù）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複試驗方法設計試驗［13］。此次研究是製作拚花地板的前期（qī）研究工作，根據（jù）前（qián）期研（yán）究基礎［12］，功率達（dá）到 78 W 時（shí）燒灼程度較大，為不影響拚花地板的藝術效果，燒灼程度不宜過大，同時根據優先（xiān）數係的選擇規（guī）律，選擇激光功率( 因素 A) 的水平 A．為 13 W、A．為（wéi）41． 6 W、A．為 65 W 作為最大功率，為了（le）減小（xiǎo）起止位（wèi）置激光頭運行加速度造成（chéng）速度不均勻的影（yǐng）響，選擇對（duì）應水平的最小功（gōng）率分別為 6． 5、26、39 W。鏡頭（tóu）高過小或者（zhě）過大，除了燒灼現象顯著，縫深和縫寬變化也非常顯著（zhe），而且鏡頭高過小，產生的（de）煙霧會在沒有來得及被（bèi）抽風機抽走的時候對鏡（jìng）頭產生一定的汙染（rǎn）。同時需保證後續數據處理中方差分析所需的自由度數目限製，所以鏡頭高( B) B1，B2，B3，…，B16分（fèn）別取值為 3. 5，4. 0，4. 5，…，11 mm。

2.結果與分析

2．1 試驗初步分析

在測量（liàng）中發現，即使是（shì）同一條切縫，縫深（shēn）也有差別，通常在 1 mm 以內，個別（bié）的差值達到 2 mm( 按（àn）粗大誤（wù）差剔除) 。經過仔細觀察運行時的（de）切割狀態，認為這是由（yóu）於機器部件（jiàn）在啟動和停止時不可能驟停驟止（zhǐ），由於加（jiā）速度的存在，使激光管（guǎn）在運行過程中的切（qiē）割速度並不是絕對勻速的，特別是當切縫較短、切割速度較快（kuài）時，縫深（shēn）不均勻現象更明顯。另外，啟動處縫深較大，停（tíng）止處縫（féng）深（shēn）較小，說明在Smart Carve 4． 3 中設置加工路徑對切割狀態也有影響。因此（cǐ），切割切（qiē）縫時注意不（bú）要太靠近兩端。切（qiē）縫首末兩端有時（shí）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象（xiàng），但最大功率和最小功率差值不宜（yí）超過 20% ，通常取（qǔ） 10% 左右為宜，否則會加大縫（féng）深不均勻現象，對激光管壽命產生一（yī）定程（chéng）度的影（yǐng）響。

在體視顯（xiǎn）微鏡下觀察和測量的縫（féng）寬和縫（féng）深狀態見圖 1。縫寬邊緣有燒灼（zhuó）現象，縫（féng）深一般呈 V 形，鏡頭高為 7 mm 左右時縫寬上（shàng）下差別小，而（ér）鏡頭高過大或者過小會使切縫的（de） V 形（xíng）非常明顯，縫寬也增加，炭化現象明顯。此次研（yán）究隻討論鏡頭高（gāo）和功率對縫深的影響，對其他因素（sù）的影響忽略。

圖 1 切（qiē）割試樣（yàng）狀態

2.2 試驗數據處理及方（fāng）差分析

由（yóu）於影響激光切割樟子鬆的主要因素是鏡頭高（gāo），所以應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( 由於此次研究目標是製作拚花地板，需要達到一定的（de）切割深度，因此取切割（gē）速度 v = 100 mm/s) ，改變鏡頭高（gāo）和激光功率，建立二因素完全隨機等重複試驗模型［13］。激光功率、鏡頭（tóu）高交互作用對縫深的影響見表 1。

對（duì）表 1 中數（shù）據進行方差分析，結果見表 2。

表 1 鏡頭高和激光功率二因素作（zuò）用對切割（gē）樟子鬆（sōng）縫深的影響

表 2 不同鏡頭高、功率作（zuò）用下的（de）縫深方差分析

從表 2 可以（yǐ）看出，功率和鏡頭高（gāo）對縫深的影響（xiǎng）均為極顯著，鏡頭高比功（gōng）率對（duì）縫深影響程（chéng）度大，鏡頭高和功率二者交（jiāo）互作用（yòng）顯著，但交（jiāo）互作（zuò）用（yòng）的影響程度比單一因（yīn）素的影響程度小，所以在確定切割（gē）參數時，應該固定某一因素（sù），然後（hòu）調（diào）整另一個因素，如從此次試驗看，應該先確定合理的鏡頭高範圍，然後（hòu）確定合（hé）理的（de）功率範圍。

由於鏡頭高（gāo）、功率以及它們的交互作（zuò）用（yòng）均顯著，可采用 SSＲ法進一步處理，其多重比較結果表明鏡頭高與功率的交互作用為 A3B7( 即功率取65W，鏡頭高（gāo）取（qǔ） 6． 5 mm ) ，或者 A2B6( 即（jí）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（yǔ）一些研究者得出鏡頭高為 2、5 mm 或者 7． 5 mm 合適的結論不同［14 － 16］，筆（bǐ）者認為這是由於試驗條件的不同所致，這也體現了激光切割木材的複雜性（xìng）［17］。

3.結語

1) 功率和鏡頭高對縫深的影響均極為顯著，鏡頭高比功（gōng）率對縫深影響程度（dù）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（dìng）切割縫深合理的參數是功率 41. 6 W、鏡頭高 6 mm，或者功率（lǜ） 65 W、鏡頭高 6． 5 mm，切割縫深可達 4． 5 ～ 6 mm。由於各種木材性能的差異和各種參數的交互作用比較複雜，尚需進行進一步的研究。

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