激光切割机操作实验指导书.doc

机械设计制造及其自动化专业实验实验指导书激光切割机操作实验重庆汽车学院实践教学及技能培训中心2010年2月激光切割机操作实验一、实验目的与要求1.了解CO2激光加工设备的组成及其工作原理；2.熟悉CO2激光与材料的交互作用；3.了解CO2激光切割数控技术相关硬件；4.掌握CO2激光切割加工技术的基本操作；5.掌握用New CAM切割软件编制切割程序。二、实验仪器与设备1.TLV510 CO2激光切割机；2.空气压缩机组及后处设备； 3.20KW水冷机组；型号：AT180AL4.New CAM切割软件；5.328.05mm100mm4mm的Q235钢板1块；6.40L纯度99.9%氮气1瓶、40L纯度99.99%氮气1瓶、40L纯度99.9%氧气1瓶。三、实验原理1、激光的产生机理及其特点激光产生的机理激光视通过原子受激辐射发光和共振放大形成的。原子具有一些不联系分布的能级，电子在最靠近原子核的轨道上转动时时稳定的，这时原子所处的能级为基态。当有外界能量传入，则电子运行轨道半径扩大，原子内能增加，被激发到更高能级，这时称之为激发态或高能态。被激发高能级的原子时不稳定的，总是力图回到底能级去。原子从高能级到的过程称之为跃迁。当原子跃迁时，其能量差则以光的形式辐射出来，这就是原子发光，是自发辐射的光，又称荧光。如果在原子跃迁时时受到外来光子的诱发，原子就会发射一个与入射光子的频率、相位、传播方向、偏振方向完全相同的光子，这就是受激辐射的光。原子被激发到高能级，会很快跃迁回低能级，它停在高能级的时间称为原子在该能级的平均寿命。氦、氖、氪原子，钕离子和二氧化碳分子等在外来能量的激发下，使处于高能级的原子数大于低能级的原子数，这种状态称为粒子数反转。这时，在外来光子的刺激下，产生受激辐射发光，这些光子通过谐振腔的作用产生放大，受激辐射越来越强，光密度不断增大，形成了激光。激光的特性高亮度，激光器的发光截面和立体分散角都很小，而输出功率却很大，其亮度远远高于太阳的亮度，经透射镜聚焦后，能在焦点附近产生几千度甚至上万度的高温，因而能加工几乎所有的材料；高方向性，激光的高方向性主要是由受激发射机理和光学谐振腔对震荡光束方向的限制所决定的。激光的高方向性使得激光能有效地传递较长距离，能聚焦到极高的功率密度，这两点是激光加工的重要条件；高单色性，激光发出的全部光辐射只集中在很小的频率范围内，其单色性极高，几乎完全消除了聚焦透镜的色散效应，使得光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度，相应的功率密度可达0.10至，比一般的切割热源高几个数量级；高相干性，因相干性好，在较长时间内有恒定的相位差，可以形成稳定的干涉条纹。2、激光在工业中的应用40多年来，激光加工技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，主要加工技术包括：激光切割、激光焊接、激光打标、激光打孔、激光热处理、激光快速成型、激光涂覆等。3、激光切割的机理、应用及其特点激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束辐照工件，在超过材料阂值的激光功率密度下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞，随着激光束与工件的相对运动，最终使得材料形成切口，切口处的熔渣被一定的辅助气流吹走。随着被切材料和切割参数的不同，激光切割主要有以下三种方式：气化切害、熔化切割、反应熔化切割。气化切割在气化切割过程中，切口部分材料以蒸气或渣的形式排出，这是切割不熔化材料(如木材、碳和某些塑料)的基本形式。采用脉冲激光，其峰值功率密度高达 108w/cm2以上时，各种金属和非金属材料(陶瓷、石英)也主要是以气化的形式被切除，因为在这样高的激光功率密度下，被辐照材料的温度迅速上升到沸点而无显著的熔化。熔化切割这是金属板材切割的基本形式。当被切材料受到较低功率密度的激光作用时，主要是发生熔化而不是气化。在气流的作用下，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气化切割低。反应熔化切割如果不采用惰性气体，而采用氧气或其它反应气体吹气，和被切材料产生放热反应，则在除激光辐照之外，还提供了另一个切割所需的能量。在氧气辅助切割钢板时，大约有切割所需能量的60%是来自铁的氧化反应。而在氧气辅助切割钦合金板时，放热反应可提供90%的能量。图1 激光切割机理激光切割区示意图如图1所示。激光切割过程发生在切口的终端处一个接近垂直的表面，称为切割前沿。激光和气流在该处进入切口，激光能量一部分为切割前沿所吸收，一部分穿过切口或经切割前沿向切口空间反射，能量密度高时有时会产生等离子体。切割前沿由吸收的激光和切割过程中的放热反应所加热而熔化或气化，并被气流吹除。部分热量则通过热传导传入基体材料，通过辐射损耗，以及通过气流对流换热带走。在某些激光切割过程中，上述传导、辐射及对流热损耗均可忽略不计，激光能量几乎全部被工件吸收，过程的能量平衡变得十分简单:激光能量与放热反应的能量全部用来加热、熔化以至气化切口材料。激光切割机理是一个很复杂的过程，它涉及到激光的吸收、放热反应、材料的加热和熔化、切口材料的去除、动态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，它是有效进行激光切割的基础。激光进入切口，三方为材料所包围，其中一方为倾斜的切割前沿，两侧为切口壁面，相对的两切口壁面有波导作用，入射其上的激光朝深部反射。激光的吸收主要在切割前沿进行。激光束以很大的入射角辐照在倾斜的烧蚀前沿上，部分激光被吸收，部分朝切口空间反射，吸收率与入射角、偏振方向有关。激光的吸收取决于切割前沿形状，取决于激光的偏振性、模式、会聚角等一系列因素。4、影响激光切割的参数影响切割过程的参数主要体现在(l)激光束的特性；(2)装置和加工参数；(3)材料本身的性质。综合多位学者的研究成果，普遍认为激光功率、模式、偏振性、焦点位置、切割速度、辅助气体和材料本身的性质是主要的影响因素。5、激光切割质量的评价国内目前尚无激光切割质量的相关标准，因此根据国外研究，切割质量主要考虑切缝宽度和切割表面平均粗糙度，用切割速度来衡量切割效率。6、TLV510 CO2激光切割机介绍TLV510 CO2激光切割机如图2所示：图2 TLV510 CO2激光切割机CO2激光切割设备,主要由激光器、导光系统、机床本体、数控系统等组成。典型的CO2激光切割设备的基本构成如图3所示。图3 CO2激光切割基本组成1-冷却水装置；2-激光气瓶；3-辅助气体瓶；4-空气干燥器；5-数控装置；6-操作盘；7-伺服电动机；8-切割工作台；9-割炬；10-聚焦透镜；11-丝杆；12-反射镜；13-激光束；14-反射镜；15-激光器；16-激光电源；17-伺服电动机和割炬驱动装置激光切割系统主要由机床主机、激光器、光路系统、控制系统等部分组成。机床主机加工机床是用于固定工件和保证其在加工过程中的位移,旋转运动的装置。工作机床品种繁多,有专用和通用两大类，一般采用步进电机或伺服电机驱动。激光器本机床所采用的激光器为德国Rofin生产的CO2激光器,其结构原理如图4所示，实物如图5所示。二氧化碳激光器称为“隐身人”，因为它发出的激光波长为10.6 微米，“身”处红外区，肉眼不能觉察，它的工作方式有连续、脉冲两种。连续方式产生的激光功率可达20千瓦以上。脉冲方式产生波长10.6 微米的激光也是最强大的一种激光。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展，也是光武器和核聚变研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支长1米左右的放电管。它产生的激光是看不见的，在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。1-激光光束；2-光束修正单元；3-输出镜片；4-冷却水出口；5-射频激励；6-冷却水进口；7-后镜片；8-射频激励电子；9-电极图4 德国RofinCO2激光器结构原理图图5 德国RofinCO2激光器实物图光路系统激光器输出的激光束需经光路系统传输和处理，以满足不同的加工要求。光路系统包括光束直线传输信道、光束的折射部分、聚焦或散射系统。直线传输信道主要是镜的反射和光纤传输。采用光纤传输主要是紫外波至近红外波范围内的光波，这种传输方式既方便又安全。但大部分光路系统还是采用镜的反射，这方法在传输高能量的激光时，必需遮蔽激光，否则会造成危险。由功率监控、光闸、可见光同轴瞄准、发射式或透镜式聚焦、吹风水冷等系统组成，一般可分为通用型和专用型两大类，它根据被处理工件的形状尺寸、技术要求来选定。某些激光加工过程，如切割，焊接，打孔，切削等要求将激光束聚焦，以得到高的功率密度；而另一些激光加工过程，如热处理，涂敷，合金制成等，则要求在一特定形状的光班内有均匀的能量分布，以得到大而均匀的加工面.在小功率系统中多采用透镜作聚焦或散射之用，但在高功率系统中，则多用金属反射，折射系统，以免产生热透镜效应。有些激光加工过程采用光束移动的加工方法，要使激光束能受控地移动，光路系统中还要加入机械传动部分。光路分为三类，恒光路的光程长一定，工件在X、Y方向动，切割头不动；混合光路的光程长变化，工件在X轴方向动，切割头在Y轴方向动；全飞行光路的工件不动，切割头在X、Y方向动；其发展历程为：恒光路-混合光路-全飞行光路。以前受激光器的制造水平有限，光束质量差，切割机的主要型式为恒光路和混合光路1）恒光路：光长一定，光束质量好，但工作台移动慢，效率低；2）混合光路：比恒光路效率高；3）全飞行光路：到了90年代，随着激光器技术的发展，光束质量的提高，新一代的激光切割机采用了全飞行光路，它具有高效稳定的特点，它代表了至今切割机发展的方向。控制系统在激光加工系统中数控系统用来控制机床本体的运动，激光器运行以及其它辅助系统的运行。本激光切割系统所用的数控系统为FANUC Series 16i-L。7、New CAM切割软件介绍NEWCAM是一套结合绘图、半自动排版、自动排版、切割路径规划、数控代码生成、DNC传输等功能于一体的智能化CAD/CAM系統。它由台湾世新科技有限公司自行开发,拥有全部自主知识产权及全部核心技术。自1988年正式投入市场,经用户及数控机械制造厂,不断回馈提供改进建议,演化成为最符合用户需要,与机械搭配最紧密的CAD/CAM软体。四、实验内容及步骤1、机床的操作步骤（1）开机前的准备工作打开空气压缩机及后处理单元电源，首先检查空气压缩机，储气罐等排水管是否畅通，再检查冷干机冷媒压力是否再正常范围内，最后依次开启空气压缩机和冷干机；等压缩空气压力升至0.6Mpa以上后，进行下一步操作。（2）开机首先应打开变压器与稳压器电源开关；再开启冷却系统，机床与激光器电源。首先打开激光器光路冷却气体氮气；再更换激光气体，其具体操作步骤请严格按照激光器使用说明书操作。机床回机械零点，对激光焦距，具体操作步骤请严格按照机床说明书操作。（3）切割参数调整及试切割将加工材料安装在机床，并通过气动装置夹紧。根据板材厚度，选择喷嘴孔直径，一般板材厚度与喷嘴直径相当;再选择切割辅助气体种类,并调试好气体压力。由于本次实验所用板材为4mm厚的Q235钢板，故应选用氧气为辅助气体,压力在0.8MPa左右,具体应根据最终切割质量进行调试。采用如下参数进行试切。（4）输入零件加工程序打开计算机并启动New CAM软件.在群组编辑模式下绘制需加工零件的图形,然后加入排版模式中,根据加工需要排版,最后加入加工模式,确定好加工参数后,就可以自动生成加工程序.将程序传输至CF存储卡中,已备加工时使用. 将CF卡插入数控系统左边的接口中,将数控系统切换至DNC模式,选择正确的加工程序,启动机床开始加工.具体操作如下：1）选择MDI NODE；2） 按下OFFSESETING；3） 按下SETING；4 ）输入数字0按INPUTPARAMETER WRITE=1产生ALARM 100同时按CAN+RESET清除SLARM；5）移动游标到第5格，输入数字4按 INPUTI/O CHANNEL=4；6） 按 SYSTEM；7）移动游标到参数NO.0138输入数字10000000按 INPUT NO再按OFFSETPARAMETER WRITE-改成0 SETTING；8） 准备一片PCMCIA CARD。里面有正确的Program，并且设定好切割条件页，切割条件组；9 ）将PCMCIA CARD插入插槽。选择DNC功能（LED ON）。选择PROTECT OFF功能（LED ON）；10） 选择PROG；11 ）按屏幕右下角键两次；12） 按DNC-CD；13） 出现PCMCIA CARD里面的program；14 ）按（OPRT）；15 ）输入想要加工的程序，按DNC-ST；16 ）DNC FILE NAME:出现想要加工的程序；17） 按 CYCLE START 执行切割程序；（5）零件装夹根据零件形状，板材采用6点定位，限制板材Z向（激光束方向）、X向、Y向三个方向的移动及转动6个自由度。因激光切割过程中，切割力很小，故采用液压夹具夹紧，完全符合要求。（6）零件加工1）严格遵守操作规程，注意人身安全。2）试