激光切割机加工工艺设计

I激 光 切 割 机 加 工 工 艺 设 计摘 要 ： 激 光 切 割 机 是 光 、 机 、 电 一 体 化 的 高 科 技 产 品 ， 以 其 加 工 精 确 、 快 捷、 操作简单 ， 自动化程度高等优点， 在制造行业中得到广泛应用 。 与传统的切 割 方 式 相 比 ， 不 仅 价 格 低 ， 消 耗 低 ， 而 且 是 非 接 触 加 工 ， 无 磨 损 ， 激 光 加 工 对 工 件 没 有 机 械 压 力 ， 加 工 出 来 的 产 品 效 果 、 精 度 、 光 洁 度 都 非 常 好 ， 尺 寸 一 致 、 精 确、效率高、成本低。本课题是针对 E-1306M 激光雕刻机的工艺研究， 首先介绍了有关激光切割加 工的国内外发展概况及本课题的研究意义及研究内容。 其次介绍了有关 E-1306M 雕刻机的结构、 操作原理及加工特点 。 最后通过实验确定了激光加工的最佳切割 参数。通过查阅大量的国内资料及研究成果， 并进行了大量的切割实验， 总结研 究方法， 提出新的实验方案。 探讨激光雕刻机在雕刻亚克力材料时 ， 激光雕刻 的功率、 焦距、 次数和 速度等对于加工质量的影响， 以便获得最佳的工艺参数 和 最好的切割效果。 实验结果表明， 激光雕刻功率 、 次数 、 焦距及速 度对加工 质量 的影响是非常明显的， 通过实验数据总结出了雕刻高质量产品的最佳的工 艺 参 数 。关键词：激光雕刻，焦距，切宽，切深IILaser Cutting Machine Processing Technology designAbstract： Laser cutting machine is an optical, mechanical, and electrical integration of high-tech products, with its processing precision, fast, simple operation, high degree of automation, has been widely used in the production industry. Compared with the traditional cutting methods, not only low prices, low consumption,but also non-contact processing, no wear, laser processing does not have mechanical pressure on the workpiece, the processed product has excellent effects, accuracy, finish, uniform size, accuracy, efficiency High and low cost.This thesis is aimed at the E-1306M laser engraving machine process research, first introduced the domestic and foreign development of laser cutting processing and the research significance and research content of this topic. Then introduced the structure, operating principle and processing characteristics of the E-1306M engraving machine.Through consulting a large number of domestic data and research results, and conducted a large number of cutting experiments, summed up the research methods and proposed a new experimental program. Discuss the influence of laser engraving power, focal length, number of times, and speed on the processing quality when engraving a acrylic material in order to obtain the best process parameters and the best cutting results.The experimental results show that the laser engraving power, frequency, focal length and speed have an obvious effect on the processing quality. The experimental data have been used to summarize the best process parameters for engraving high quality products.Keywords: Laser Carving, Focus, Cut Width, Cutting-inIII目 录摘要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 引言 .11.2 研 究 目 的 及 意 义 .11.2.1 研 究 目 的 .11.2.2 研 究 意 义 .11.3 国 内 外 发 展 状 况 .21.3.1 激 光 切 割 的 发 展 历 程 .21.3.2 国 内 现 状 .21.3.3 国 外 现 状 .32 激 光 切 割 的 特 性 分 析 .42.1 相 关 切 割 技 术 .42.1.1 常 用 切 割 方 法 的 分 类 .42.1.2 三 种 常 见 热 切 割 方 法 的 特 性 比 较 .42.2 激 光 切 割 的 原 理 、 类 型 及 特 点 .52.3 产 品 的 结 构 及 日 常 维 护 .62.3.1 产 品 的 结 构 .62.3.2 激 光 器 的 日 常 维 护 .62.3.3 机 床 的 日 常 维 护 .72.4 激 光 切 割 切 割 过 程 中 质 量 的 影 响 因 素 .72.4.1 切 缝 宽 度 .72.4.2 切 割 面 的 粗 糙 度 .82.4.3 切 割 速 度 .83 实 验 方 案 .93.1 实 验 目 的 .93.2 实 验 设 备 .93.2.1 E-1306M 激 光 切 割 机 基 本 构 成 .93.2.1E-1306M 激 光 切 割 机 技 术 参 数 .10IV激 光 切 割 机 加 工 工 艺 设 计3.2.2 数 字 式 智 能 电 子 显 微 镜 .103.3 激 光 切 割 机 基 本 原 理 .113.4 实 验 材 料 .113.5 基 本 操 作 流 程 .113.5.1 接 通 除 尘 通 风 系 统 .113.5.2 连 接 电 源 线 、 数 据 线 和 地 线 .123.5.3 调 节 光 路 .123.5.5 确 定 加 工 参 数 .123.5.4 图 文 编 辑 .123.5.6 放 置 加 工 材 料 ， 定 焦 距 .133.5.7 输 出 数 据 加 工 .133.6 切 缝 厚 度 与 宽 度 的 测 量 .134 切 割 质 量 与 效 率 的 单 因 素 实 验 研 究 .144.1 实 验 结 果 分 析 .144.1.1 焦 距 对 切 宽 和 切 深 的 影 响 .144.1.2 功 率 对 切 宽 和 切 深 的 影 响 .164.1.3 次 数 对 切 宽 和 切 深 的 影 响 .174.1.4 速 度 对 切 宽 和 切 深 的 影 响 .184.2 比 较 实 验 结 果 .194.3 切 割 路 径 的 优 化 .204.4 矢 量 雕 刻 与 位 图 雕 刻 .204.4.1 位 图 与 矢 量 图 的 区 别 .204.4.2 矢 量 雕 刻 与 位 图 雕 刻 的 区 别 .215 总 结 分 析 .225.1 总结 .225.2 实 验 中 存 在 的 不 足 .22致 谢 .23参考文献 .24附录 A 外 文 翻 译 .2511 绪 论1.1 引 言激光和其他自然光一样， 也是一种光， 但与光 不同的是， 激光的颜色非常纯 正，几乎没有发散的方向性和高的发光强度。现如今，激光切割技术已经非常普遍，已有超过 30 年 的 历 史 ， 近 年 来 ， 一 些研究人员发现了用低功率激光切割玻璃而不熔化玻璃的方法。激 光 切 割 工 艺 主 要 是 利 用 激 光 对 被 加 工 工 件 进 行 一 系 列 反 应 来 完 成 切 割 图 案， 达到加工的效果 。 大多数材料都可以通过激光切割。 金属加工行业作为金属 材料的一大组成部分，在工业制造中占有相当大的比重。都可进行无变形切割。 对很多制造行业来说往往会优先选用 1。1.2 研究目的及意义1.2.1 研究目的激光切割可用于加工钢材、 铝合金、 钛合金等金属材料， 也可用于加工玻璃、 陶瓷、 塑料等非金属材料 。 激光切割是无接触加工， 工件无机械变形 ； 激光切割 速度快、 柔性高 ， 可以节省模具投资 ， 节省生产成本。 本文主要是以切割机为研 究对象， 通过对钢板厚度 ， 激光功率， 切割次数， 光斑大小和焦距对切割质量和 效 率 的 影 响 。1.2.2 研究意义本文主要是以 E-1306M 激光切割机为研究对象， 通过大量实验， 研究其 焦距、 功率、速度、次数等对于激光切割效率、切深、切宽和质量的影响,通过对激光 切割的工艺研究， 能够熟练掌握激光切割机的使用以及一些基本故障的排查， 为 激光应用于工业中做一个更好的铺垫。 就目前来看， 激光切割机行业正在向高速、 高准确度的方向飞速发展， 其中大型激光切割机正向着厚板的切割方向发展 ， 其 应用范畴也将会越来越广阔。21.3 国 内 外 发 展 状 况1.3.1 激光切割的发展历程激光切割是伴随着机激光技术不断进步发展而来的必然产物。 1905， 爱因斯 坦第一次提出了光量子假说，并对激光概念进行了讨论。在 1960，美国休斯公 司制造出了世界上第一个红宝石激光器。 经过这么多年的发展 ， 激光技术的应用 已 经 非 常 广 泛 2。激光切割是一种生产效率非常高的技术。 同时， 激光切割仍然可以在工艺的 最后一刻对设计进行修改，但不会对整个生产过程产生任何影响。 激光切割的 最大好处是最终用户可以在没有大量模板的情况下进行短板或者中板的生产 。 响 应客户的需求更快， 所以不需要制造模具。 在柔性方面， 激光切割不仅可以在任 意方向进行切割， 而且可以产生任意形状的切割。 无需任何工具帮助 ， 模板的形 状可以快速更改。激光切割技术作为一种近些年来新发展起来的技术，有着广阔的发展前景。 美国、 德国、 日本等很 多发达国家在激光加工领域已经取得了跨越式发展。 激光 加工技术已基本完成了汽车、 电子、 机械、 航 空、 钢铁等大制造业的传统技术替 代， 进入轻工业时代 。 激光切割机具有良好的能量密度可控性、 切割宽度窄、 工 件的变形程度小、 切割质量好、 切割形状没有限制、 加工不需要接触等优点 。 激 光切割技术的成本很低、 效率很高和其巨大的发展潜力已经让他成为世界主要工 业国家之间的竞争力量。 激光技术作为一项重要的技术， 得到了各国的大力支持。 在中国， 激光切割技术在各类制造行业中的应用已经十分广泛， 切割技术的广泛 应用， 使得 产品的科技含量不断提高， 更换速度不断加快 ， 能够更好的满足市场 需求。1.3.2 国内现状目前， 中国的激光切割主要集中在钢铁方面。 我国很早就认识到了激光技术 的重要性且一直重视激光技术应用的发展， 当时与国外的差距很小 ， 在几十年的 发展过程中 也取得了举世瞩目的成绩。 在我国工业的工业生产中 ， 激光加工设备 的需求量很大 ， 因为加工制造产业在我国的工业生产中有着举足轻 重 的位置， 有 着 非常可观的市场需求。 因此在市场经济的引导下我国工业激光技术的发展尤为 迅速。伴 随 着 激 光 技 术 的 不 断 发 展 ， 国 内 从 事 激 光 设 备 的 研 制 开 发 、 设 备 的 制 造3和 销 售 的 公 司 ， 以 及 作 为 国 外 激 光 设 备 代 理 的 公 司 也 越 来 越 多 ， 竞 争 也 日 趋 激 烈 。 现 在 ， 激 光 技 术 已 经 成 为 了 国 家 发 展 的 一 项 关 键 技 术 。 这 是 因 为 技 术 涉 及 国 家 安 全 、 国 防 建 设 等 内 容 。 在 现 有 技 术 的 基 础 上 ， 有 必 要 提 高 技 术 的 重要性，加强对该技术的研究。1.3.3 国 外 现 状现如今， 欧洲、 美国和 德国等很多发达国家的激光加工早已经形成了一个新 的高科技产业 链， 激光加工的应用领域的规模也不断扩大 。 由于激光切割技术的 飞 速 发 展 ， 在 世 界 范 围 内 激 光 加 工 生 产 和 销 售 的 激 光 器 占 40以上。日本作为第一个将激光切割技术引入汽车生产领域的国家， 主要用于激光切 割大型面板的切割边缘和挡风玻璃。 许多汽车公司通常使用激光切割技术来加 工 汽 车 3。42 激 光 切 割 的 特 性 分 析在实际生产过程中， 切割加工是不可缺少的一道工序， 而且由于材料不同以 及不同零件的要求不同， 由此而产生了很多不同的切割方法 。 本章则重点对激光 切割的基本特性进行分析。2.1 相 关 切 割 技 术2.1.1 常用切割方法的分类切割是焊接生产备料工序的重要加工方法。现代材料的切割方法有很多种， 大致可分为冷切割和热切割两种。 冷切割是指在常温下通过机械方法使材料分离， 例如剪切，锯切 （条锯、圆片锯、砂片锯） ，铣切等，也包括近年来发展的水射 流切割。热切割是通过热能使材料分离，最常见的有气体火焰切割、氧气切割、 等离子弧切割和激光切割。现代焊接生产中钢材的切割主要采用热切割 4。热切割按照物理现象可分为燃烧切割、 熔化切割和升华切割三类； 按所用能 源 的 不 同 ， 热 切 割 方 法 可 分 为 气 割 、 氧 气 割 、 氧 -熔 剂 切 割 、 电 弧 -氧 切 割 、 电 弧-压缩空气气刨、等离子弧切割、激光切割、电子束切割 5。2.1.2 三种常见热切割方法的特性比较表 2-1 三 种 热 切 切 割 方 法 的 比 较切 割 方 法 切 割 条 件 温 度 上 升 平 均 值 （ ） 测 定 的 吸 热 值（kj） 单 位 系 吸 量（ J/mm）氧 气 切 割 气 体 流 量 3.4L/min， 切 割速度 420mm/min 183.0 85.3 22.53等 离 子 弧 切 割 切 割 电 流 150A， 切 割 速 度 2150mm/min 75.0 28.2 7.33激 光 切 割 连续激 光， 功率 3000kv， 切 割 速 度 900mm/min 56.8 15.3 4.09由表 2.1.2 可知， 氧气切割时材料的受热量最多， 而激光切割时 受热量最少。 通 常 来 说 ， 材 料 所 吸 收 的 热 量 越 多 ， 热 影 响 区 的 宽 度 越 大 ， 这 就 预 示 着 材 料 的 变 形也越大。5表 2-2 三 种 热 切 割 法 的 热 影 响 区 宽 度切 割 方 法热 影 响 区 宽 度 （ mm ）板厚 10mm 板厚 6mm 板厚 3mm氧 气 切 割 0.8 0.6 0.5等 离 子 弧 切 割 0.5 0.4 0.3激 光 切 割 0.075 0.06 0.05由表 2-2 可知， 氧气切割的热影响区宽度约为激光切割的 10 倍左右。 另外， 随着板厚的增大， 热影响区也随着扩大。 在工业的加工成产过程中 ， 为了使零件 变形更小， 就要减少热影响度的宽度。 分析比较可知， 激光切割主要适合中、 薄 板的高精度、高速度的切割场合。2.2 激光切割的原理、类型及特点激光切割是利用通过聚焦的高功率的密度激光束照射工件， 使被照射处的材 料迅速融化、 气化、 烧 烛或到达燃点， 同时借助于光束同轴的高速气流吹除熔融 物 质 ， 从 而 实 现 割 开 工 件 的 一 种 热 切 割 方 法 6。根据工件的热物理特性和辅助气体的性状， 激光切割主要有以下的几种类型 。 激光融化切割： 利用激光加热工件使其熔化， 同时借助非氧化性辅助气体排除熔融物质，形成割缝。 激光气化切割： 当高功率密度的激光照射到工件表面时， 材料便在很 短的时间内被加热到气化点，并以气体形态溢出，形成割缝。 激光燃烧切割： 利用激光热可以将工件加工到燃点， 利用辅助气体使材料燃烧。并排出燃烧产物，形成割缝。 激光烧烛： 利用激光斑点的高温和光化学作用在脆性材料上烧刻小槽， 然后施加一定的外力使材料断开。 一般的激光切割有如下特点：（1）切割的切缝窄；（2）速度快，切口光滑平整，无剪切毛刺。（3）激光切割是一种高能量、可控性好的无接触加工。（4）激光切割具有广泛的适用性和灵活性。62.3 产 品 的 结 构 及 日 常 维 护2.3.1 产品的结构图 2.1 前视图1 激光管罩 2 上盖左侧门 3 设备上盖 4 X 轴导轨架 5 上翻盖 6激 光 聚 焦 头 7 第 三 反 射 镜 8 透 明 观 察 窗 9 操 作 面 板 10 控 制 手 持 器11 激 光 电 源 箱 12 中 部 机 箱 13 可 锁 方 向 脚 轮 14 排 烟 进 口 15 工 作平台 16 机箱前门 17 第二反射镜 18 Y 轴导轨架 19 下部机箱架2.3.2 激光器的日常维护在使用一段时间后，要注意检查激光器的激光头的水管是否出现腐蚀现象， 如果有要及时处理或者更换管路。 要检查冷水机的过滤器和冷却水回路是否含有 杂 质 。 长期使用过后， 由于气体的影响， 会使激光器的内部镜片受到污染从而影 响到切割质量。 因此要注意镜片的清洁。 但是， 不同的镜片 ， 清洁方法是不同的， 当镜面是平面且无镜座时， 使用镜头纸清洁， 例如清洁反射镜； 当镜面是曲面或 者带有镜座时， 应用棉签清洁， 例如清洁聚焦镜。 但是严禁使用水 、 洗洁精等清 洗。 因为镜片的表面镀油一层特殊的膜 ， 若使用这些来清洗镜片可能会损伤镜片的 表 面 7。（1）用镜头纸清洁镜片的步骤：先吹掉镜片表面的灰尘，用酒精或者镜片 纸清洁镜片表面， 不能用干燥的镜头纸直接擦拭镜面 ， 而应该将镜头纸平放在镜7片的表面， 滴上 2-3 滴高纯度酒精或者丙酮， 向操作者方向水平的将镜头纸慢慢 抽出，反复操作几次，直到镜面干净为止；（2）用棉签清洁镜片的步骤：先吹掉镜片表面的灰尘，再用干净的面前去 掉污物， 用沾有高纯度的酒精或者丙酮的棉签从镜片中心沿圆周运动， 擦洗镜片， 每擦完一周后，换一块干净的棉签，在重复上述操作，直到镜片干净为止 8。2.3.3 机床的日常维护（1）定期清理抽风口处的杂物，以及换气扇过滤网上的灰尘，保证排气效 果。（2）定期检查气路中的过滤器，及时排除过滤器中的积水及杂物。（3）定期检查行程开关支架及撞块支架螺钉是否松动。（4）机床安装好后，使用一段时间，应对机床的水平进行重新调整，检查 X 轴 、 Y 轴 的 零 点 、 限 位 开 关 及 撞 块 螺 钉 有 无 松 动 ， 各 轴 的 限 位 开 关 是 否 灵 敏 ， 以保证机床的切割精度 9。（5）每日工作完成后，要及时去清理加工废料，打扫加工现场，保持加工 现 场 的 干 净 、 整 齐 。 同 时 做 好 设 备 的 清 洁 工 作 ， 保 证 设 备 干 净 无 污 渍 。（6）加工完成后，按关机步骤进行关机，然后关掉整个机床的总电源。2.4 激 光 切 割 切 割 过 程 中 质 量 的 影 响 因 素说 到 切 割 质 量 ， 目 前 我 国 还 没 有 相 关 的 切 割 质 量 标 准 ， 日 本 也 无 专 用 标 准 ， 而 是 参 照 气 割 方 面 的 标 准 。 德 国 在 1990 年已经制订了激光切割的国家标 准 ， 对 切 割 面 质 量 和 尺 寸 允 差 做 了 分 级 规 定 。 最 近 ， 国 际 标 准 化 组 织 已 经 在 制 定 相 关 的 国 际 标 准 。 通 常 来 说 ， 切 割 质 量 好 主 要 指 零 件 尺 寸 精 度 高 、 切 缝 窄，切边平行度好，切割表面光洁和切缝背面无粘渣。由于激光切割的变形很小， 切割零件的精度主要取决于切割装置的精度和控 制 精 度 。 通 过 调 整 切 割 参 数 来 控 制 切 割 质 量 。 另 外 ， 切 割 速 度 决 定 了 生 产 效 率，在保证切割质量的前提下尽量提高生产效率，降低加工成本。2.4.1 切缝宽度研 究 发 现 ， 激 光 在 切 割 材 料 时 ， 切 缝 宽 度 和 焦 距 和 光 斑 直 径 有 很 大 关 系 。 CO2 激光束聚焦后的光斑直径一般在 0.150.3mm 之 间 10。 切 割 低 碳 薄 板 时 ， 在加快切割速度的情况下， 切宽大致等于光斑直径 。 随着板厚的增加 ， 切割速度8下降，而且上部的切口宽度往往大于光斑直径。 切缝宽度的测量比较直观， 而且数据测量比较准确， 因此是衡量切割质量的主要指标。2.4.2 切割面的粗糙度影响激光切割面质量的因素有很多。除了切割参数外，还与照射功率密度、 工件材质和厚度等因素有关。 另外， 沿板厚方 向其切割面的粗糙程度也存在很大 差异， 一般上面部分较细 ， 下面部分较为粗。 通常情况下 ， 粗糙度测定区指的是 上边缘 0.5-1mm 处的平均粗糙度 11。2.4.3 切割速度在激光切割过程中， 切割速度受功率， 气体压力以及板材厚度的影响较为明 显， 为保证产品的技术性 ， 以获得良好的切割质量， 因此 ， 需要选择合适的切割 速度， 同时， 为了提高产品的经济性 ， 降低成本， 还需要在保证产品品质的前提 下，提高切割速度，缩短切割时间。93 实 验 方 案3.1 实 验 目 的本 次 实 验 是 对 激 光 切 割 机 的 机 理 进 行 研 究 说 明 ， 目 的 是 探 索 切 割 切 割 的 焦 距 、 功 率 、 速 度 、 次 数 对 加 工 质 量 的 影 响 ， 以 便 获 得 最 佳 的 切 割 切 割 加 工 工艺参数 ， 为提高激光切割切割的效率、 品质， 方便以后在生产中降低成本， 提 高 所 切 割 切 割 产 品 的 品 质 和 质 量 。3.2 实 验 设 备3.2.1 E-1306M 激光切割机基本构成激光切割机主要有七个部件组成：机架、激光系统（激光器、光路、反射 镜、透镜） 、控制系统 （主板、底板、控制 面 板、电路）机械传动系 统工作台、 辅助系统、操作软件 12：（ 1） 光 路 系 统包括三个反射镜和一个聚焦透镜即激光器产生的光通过反射镜反射后，照 射到聚焦透镜上，再通过聚焦透镜的聚光，成为可用光束。第一反射镜在激光 盒中，第二反正射镜随机械横梁沿 Y 轴方向移动，第三反射镜和聚焦透镜在激 光头上。（ 2） 控 制 系 统包括主板：主板安装在机箱的右侧，是激光切割机的主要控制部件，他从 计算机的得到数据后，对这些数据进行运算和数据转换，然后在传输数据给激 光切割机， 从而根据软件中编辑的内容完成加工； 底板： 底板安装在 主板旁边， 他的主要作用是驱动电机，为主板提供工作电流，以及把各工作部件的工作状 态传输给主板，使主板可以控制机器的工作；控制面板：位于机器的右前方， 负责电流的调节，手动出光和手动控制激光切割机 X 轴、Y 的运动方向 13。（ 3） 工 作 台平板适用于胶板制作和其他普通材料加工，刀条板适用于有机玻璃切割等，蜂 窝板适用于切割纺织品、皮革等材料。（ 4） 辅 助 系 统103.2.1E-1306M 激光切割机技术参数表 3.1 技 术 参 数 及 性 能 指 标激 光 玻 璃 器 封 闭 式 CO2 激 光 器波长 10.6 m激 光 功 率 60W/80W 可 选激 光 能 量 调 节 0100%手 动 /自 动 （ 软 件 设 定 ）切 割 速 度 100mm/s雕 刻 速 度 1000mm/s定 位 精 度 0.01mm冷 却 方 式 循 环 水 冷冷 却 水 温 5 30供 电 电 源 220V 50Hz 1.5KVA（ 双 头 2.0KVA）环 境 温 度 5 35环 境 相 对 湿 度 85%外 型 尺 寸 1000mm600mm； 1200mm600mm； 1200mm900mm重量 280kg 左 右 ； 310kg 左 右 ； 360kg 左 右 （ 装 箱 后 重 量 ）3.2.2 数字式智能电子显微镜由于本次实验所研究的实验数据均比较小，无法借助尺子等测量仪器测量 切 宽 和 切 深 ， 所 以 借 用 了 数 字 智 能 显 微 镜 ， 如 图 3.1 所示。它可以清楚地观察 切缝在不同条件下的效果，而且电子显微镜跟电脑相连，可以直接测出切缝的 切 割 深 度 和 宽 度 ， 这 给 本 次 实 验 测 量 带 来 了 非 常 大 的 便 利 。图 3.1 电子显微镜113.3 激 光 切割 机基 本 原理激 光 通 过 激 光 束 产 生 激 光 后 ， 由 反 射 镜 传 递 并 通 过 聚 焦 透 镜 照 射 到 加 工 物 品 上 ， 使 加 工 物 品 表 面 受 到 强 大 的 热 能 而 温 度 急 剧 增 加 ， 使 该 点 因 高 温 而 迅 速 融 化 或 气 化 ， 配 合 激 光 头 的 运 行 轨 迹 从 而 达 到 加 工 目 的 。 激 光 切 割 机 切 割原理如图 3.2 所示：图 3.2 激光雕刻原理图3.4 实 验 材 料本次实验所采用的是 4.5mm 厚的亚克力板做为实验材料。有机玻璃是一 种 典型的热塑型聚合物材料， 其化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯， 俗称亚克力 14。 有机 玻璃的发展可以追溯到 1850 年甲基丙烯酸酯的制备， 20 世纪有机玻璃诞 生 ， 1927 年 开 始 有 机 玻 璃 工 业 化 的 生 产 。 我 国 对 于 有 机 玻 璃 的 生 产 开 始 于 20世纪 50 年 代 ， 经 过 多 年 的 发 展 ， 有 机 玻 璃 已 具 有 许 多 优 点 ： 透 明 性 好 、 质 量 轻、 不易碎裂、 耐老化、 绝缘性好、 生物相容性好、 有良好的热塑加工性能， 因 此 ， 有 机 玻 璃 广 泛 应 用 于 各 个 领 域 。3.5 基 本 操 作 流 程3.5.1 接通除尘通风系统接通气泵， 打开排风扇， 并检查冷却水循环系统是否正常。 注意： 严禁在冷12却水循环不正常的情况下使用机器，以免损坏激光器。3.5.2 连接电源线、数据线和地线连 接 好 切 割 机 以 及 电 脑 上 的 电 源 线 、 数 据 线 和 地 线 以 后 ， 打 开 切 割 机 和 计算机的电源开关。3.5.3 调节光路激 光 切 割 机 属 精 密 光 学 仪 器 ， 对 光 路 调 节 要 求 较 高 ， 如 果 激 光 不 是 从 每 个 镜 片 的 中 心 射 入 ， 就 会 影 响 切 割 效 果 ， 每 次 工 作 前 务 必 检 查 一 下 光 路 是 否 正常。注意，调节光路的工作，操作员必须经过专业培训后方可进行。3.5.5 确定加工参数绘 制 好 图 形 以 后 ， 点 击 加 工 输 出 ， 确 定 加 工 参 数 ， 包 括 功 率 ， 速 度 ， 次数等。3.5.4 图文编辑图 3.3 操 作 界 面(1)在 CorelDraw、Photoshop 环境中制作图形图像，打开（O ） 对 应 工 具条 上 的 图 标 为 。13导入软件支持的数据，包含了 L AS、 P LT、 BMP、D XF、 AI、dw g2 等 格式。(2)保 存 （ S） 对 应 工 具 条 上 的 图 标为 。将当前的参数或图形保存为激光加工文件（ LAS） 。 (3)导 出 （ E） 将当前编辑的图形文件保存为激光加工文件（ PLT） 。切割功率为 55W，切割次数为 1 次，依次设置速度参数为 10、20、40、 60、 80、 100mm/s， 在 亚 克 力 表 面 进 行 切 割 ， 通 过 电 子 显 微 镜 观 察 实 验 结 果 。3.5.6 放置加工材料，定焦距将加工材料放入切割机内，调节上升降台的高度，定焦距，使激光头到加 工表面到达合适的距离。3.5.7 输出数据加工放 好 加 工 材 料 后 ， 盖 好 设 备 上 盖 ， 在 计 算 机 中 输 出 数 据 ， 这 样 切 割 机 就 开 始加工了。3.6 切 缝 厚度 与宽度 的测 量本 次 实 验 使 用 电 子 显 微 镜 对 亚 克 力 板 的 切 缝 进 行 测 量 ， 对 于 有 机 玻 璃 的 切 缝 深 度 ， 是 指 从 加 工 表 面 到 切 缝 底 部 的 全 部 距 离 ； 对 于 切 缝 宽 度 ， 本 次 实 验所测量的是亚克力表面的切缝宽度，实验结果的宽度与深度如图 3.4 所 示 ：图 3.4 切 缝 测 量 示 意 图144 切 割 质 量 与 效 率 的 单 因 素 实 验 研 究4.1 实 验 结 果 分 析4.1.1 焦距对切宽和切深的影响选取 4.5mm 的亚克力板作为实验材料， 将切割参数设定为切割功率为 55W， 切割速度为 50mm/s， 切割次数为 1 次， 依次调整焦距为 2mm、 4mm、 6mm、 8mm、 10mm， 在亚克力表面进行切割 ， 并做好标记， 通过电子显微镜观察实验结果。 下表为所得的实验数据：表 4.1 切割宽度深度随焦距的变化焦距（mm） 2 4 6 8 10 12切割深度 （m） 1752.6 2160.8 1289.9 783.77 500.74 391.89切割宽度 （m） 571.50 517.07 560.61 691.24 908.96 1137.56在 本 组 实 验 过 程 中 ， 对 每 次 改 变 实 验 条 件 的 试 样 结 果 进 行 测 试 并 拍 照 ， 显微镜使用 35X 倍率观察并进行整理总结：a 焦距为 2mm b 焦距为 4mmc 焦距为 6mm d 焦距为 8mm15e 焦距为 10mm f 焦距为 12mm图 4.1 亚 克 力 板 槽 形 随 焦 距 的 变 化 示 意 图通过测量观察得出， 焦距在小于 6mm 时， 有大量毛刺； 焦距在大于 6mm 时， 出 现 了 圆 弧 切 缝 ， 因 此 焦 距 为 6mm 时 ， 此 时 雕 刻 质 量 是 最 好 的 。 所 以 ， 焦距 对 切 割 质 量 的 影 响 是 非 常 显 著 的 ， 但 是 在 实 际 操 作 中 ， 并 没 有 调 整 焦 距 的 设备 ， 所 以 很 难 确 定 工 件 的 准 确 位 置 ， 因 此 常 常 需 要 工 作 时 调 整 位 置 ， 由 上 图 可知 ， 焦 距 平 面 相 对 于 工 件 的 位 置 有 三 种 情 况 ， 如 图 4.2 所示：a： 焦 点 在 工 件 内 b： 焦 点 在 工 件 表 面 c： 焦 点 远 离 工 件 表 面图 4.2 焦 点 位 置 与 孔 的 剖 面 形 状a)当聚焦位置在工件内 部时 ， 顶峰所聚焦的光束不在工件表面上， 在光束 进 入 工 件 之 后 ， 切 缝 会 变 宽 ， 切 宽 变 大 ， 切 割 深 度 会 变 小 ；b)当聚焦位置刚好在工件的表面时， 此时顶峰所聚焦的光束刚好在工件表 面上 ， 此 时 切 割 表 面 光 滑 ， 切 宽 比 较 均 匀 ；c)当 聚 焦 位 置 远 离 工 件 的 表 面 时 ， 顶 峰 所 聚 焦 的 位 置 没 有 在 工 件 表 面 上 ， 此 时 切 宽 变 宽 ， 切 割 深 度 变 浅 。在 进 行 激 光 雕 刻 有 机 玻 璃 时 ， 经 常 会 用 焦 距 来 改 变 切 割 深 度 和 宽 度 以 求 达 到 最 好 的 艺 术 效 果 和 工 艺 要 求 。164.1.2 功率对切宽和切深的影响选择 4.5mm 的 亚 克 力 板 作 为 实 验 材 料 ， 确 定 除 功 率 以 外 的 参 数 ， 将 切 割 参 数 分 别 设 定 为 焦 距 6mm，切割速度为 50mm/s，切割次数为 1 次，依次改变 切 割 功 率 ， 分 别 设 为 为 10W、 20W、 30W、 40W、 50W、 60W、 70W， 在 亚 克 力 表 面 进 行 切 割 ， 观 察 并 做 好 标 记 ， 通 过 电 子 显 微 镜 观 察 实 验 结 果 。 下 表 为 所 得 的 实验数据：表 4.2 切 割 宽 度 深 度 随 功 率 的 变 化功 率 （ W） 25 40 55 70 85 100切 割 深 度 （ m） 538.84 908.96 1306.29 1638.30 1779.81 1856.01切 割 宽 度 （ m） 337.46 345.80 413.66 473.53 560.61 576.94a 切 割 功 率 为 25W b 切 割 功 率 为 40Wc 切 割 功 率 为 55W d 切 割 功 率 为 70We 切 割 功 率 为 85W f 切 割 功 率 为 100W17图 4.3 亚 克 力 板 槽 形 随 功 率 的 变 化 示 意 图通 过 测 量 并 观 察 得 出 ， 在 其 他 条 件 不 变 得 情 况 下 ， 随 着 功 率 的 增 大 ， 切 割 深 度 逐 渐 变 深 ， 切 割 宽 度 逐 渐 变 宽 ， 并 且 在 此 条 件 下 功 率 为 100W 时 ， 亚 克 力 板 切 缝 表 面 周 围 影 响 非 常 大 ， 组 织 几 乎 被 激 光 烧 坏 ， 很 不 适 合 切 割 或 者 雕 刻 ； 在 功 率 为 55W 时 ， 切 缝 的 内 部 几 乎 没 有 毛 刺 ， 切 割 的 形 状 也 比 较 美 观 ， 因 此 切 割 质 量 最 好 。4.1.3 次数对切宽和切深的影响选取 4.5mm 的 亚 克 力 板 作 为 实 验 材 料 ， 确 定 除 次 数 以 外 的 参 数 。 将 参 数 分别设定为 焦距 6mm， 切割速度为 50mm/s， 切割功率为 55W， 依次改变切割次 数 ， 分 别 测 试 1、3、5、7、9 次，在亚克力表面进行切割，通过电子显微镜 观 察 实 验 结 果 。 下 表 为 所 得 实 验 数 据 ：表 4.3 切 割 宽 度 深 度 随 次 数 的 变 化切 割 次 数 /次 1 3 5 7 9切 割 深 度 （ m） 1317.17 2792.98 3995.06 4169.23 4500切 割 宽 度 （ m） 402.77 506.19 527.96 511.63a 切 割 次 数 为 1 次 b 切 割 次 数 为 3 次c 切 割 次 数 为 5 次 d 切 割 次 数 为 7 次18e 切 割 次 数 为 9 次图 4.4 亚 克 力 板 槽 形 随 次 数 的 变 化 示 意 图通过测量并观察得出， 在其他条件不变的情况下， 随着切割次数的增 多， 切 割 深 度 逐 渐 变 深 ， 切 割 宽 度 逐 渐 变 宽 ， 但 是 通 过 显 微 镜 下 观 察 发 现 ， 切 割 一 次 ， 对 亚 克 力 板 切 缝 周 围 的 质 量 影 响 最 小 ， 切 割 次 数 越 多 ， 切 缝 周 围 的 影 响 区 越 大 ， 在 切 割 9 次亚克力板被完全切割透，因此，在日常工作时，可以 在 设 置 好 最 佳 功 率 和 焦 距 的 情 况 下 ， 对 工 件 进 行 适 量 次 数 的 切 割 ， 能 够 达 到 最理想的结果。4.1.4 速度对切宽和切深的影响选取 4.5mm 的 亚 克 力 板 作 为 实 验 材 料 ， 确 定 除 速 度 以 外 的 参 数 。 将 参 数 分 别 设 定 为 焦 距 6mm， 切 割 功 率 为 55W， 切 割 次 数 为 1 次 ， 依 次 设 置 速 度 参 数 为 10、 20、 40、 60、 80、 100mm/s， 在 亚 克 力 表 面 进 行 切 割 ， 通 过 电 子 显 微 镜 观 察 实 验 结 果 。 下 表 为 所 得 实 验 数 据 ：表 4.4 切 割 宽 度 深 度 随 速 度 的 变 化切 割 速 度 (mm/s) 10 20 40 60 80 100切 割 深 度 （ m） 3630.23 1932.21 1175.66 838.20 827.31 533.40切 割 宽 度 （ m） 566.06 457.20 391.89 386.44 362.77 302.65a 切 割 速 度 为 10mm/s b 切 割 速 度 为 20mm/s19c 切 割 速 度 为 40mm/s d 切 割 速 度 为 60mm/se 切 割 速 度 为 80mm/s f 切 割 速 度 为 100mm/s 图 4.5 亚 克 力 板 槽 形 随 速 度 的 变 化 示 意 图通过测量和观察得出， 在其他条件不变的情况下， 随着切割速度的增 大， 切 割 深 度 越 来 越 浅 ， 切 割 宽 度 越 来 越 来 越 窄 ； 切 割 速 度 在 40mm/s 时 ， 切 割 质 量 最 好 ， 切 割 速 度 在 60mm/s 之 后 ， 会 出 现 “假 ”深 度 ， 也 就 是 说 实 际 上 并 没 有 切 到 那 么 深 ， 有 一 部 分 组 织 被 激 光 烧 坏 ， 却 没 有 切 掉 ， 因 此 实 际 深 度 会 比 较浅。4.2 比 较 实 验 结 果各因素对切割深度和宽度影响的分析：(1)当切割功率小于 25W 时，切割表面没有切痕，无法进行正常切割； (2)切割功率越大，切割深度越深，切割宽度越宽； (3)焦距越大，切割深度越浅，切割宽度越宽；(4)在焦距大于 6mm 时，出现了圆弧切缝； (5)切割次数越多，切割深度越深，切割宽度越宽； (6)切割速度越大，切割深度越小，切割宽度越小；在 这 四 种 种 条 件 下 ， 切 割 速 度 对 切 割 深 度 的 影 响 是 最 明 显 的 ， 其 次 是 焦 距 和 次 数 ， 影 响 比 较 小 的 是 切 割 功 率 。204.3 切割路径的优化图 4.6 设 置 优 化 切 割 路 径 参 数如图，设置切割时路径的优化方式有四种： (1)先内后外：按照一般的加工工艺要求，先加工图案内部图形，后加工图案 外 部 的 外 框 ； (2)绘图路径：按照当时的绘图路径来确定工件该如何加工输出； (3)先下后 上 网格高 （ Y） ：需 要按 照实际 加工 情况来设 置加 工网格 的 大小 ，系 统 按 照 所 设 置 的 网 格 高 度 自 下 往 上 输 出 工 件 ； (4)自动确定加工方向：系统能够自动生成加工时激光头运动的轨迹，即系统 默 认 的 切 割 方 向 ， 此 切 割 方 向 路 线 比 较 随 机 ， 如 果 需 要 根 据 自 已 定 义 的 切 割 方 向 ， 请