激光切割工艺实验

关于激光切割工艺实验机械工程实验教学中心机械工程实验教学中心实验目的了解CO2激光加工设备的组成及其工作原理熟悉CO2激光与材料的交互作用了解CO2激光切割数控技术相关硬件掌握用NewCAM切割软件编制切割程序第2页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验内容用NewCAM切割软件绘制零件，并操作TLV510CO2激光切割机床切割该零件观察CO2激光切割中碳钢过程中的各种现象改变切割速度、切割功率、出光方式（连续、脉冲）加工一字符零件比较在不同切割条件下所加工零件的质量差异

第3页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心仪器设备TLV510CO2激光切割机床空气压缩机组及后处设备20KW水冷机组NewCAM切割软件200mm×200mm×1mm的Q235钢板1块高纯度氮气和氧气若干

第4页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心TLV510CO2激光切割机床返回第5页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心20KW水冷机组返回第6页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心NewCAM切割软件返回第7页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心液态氮气和氧气返回第8页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理

激光加工技术是近十几年发展起来的一项高新技术，适用于金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的激光表面强化与改性处理、激光PVD、激光CVD、激光非晶材料和纳米粉体和纳米薄膜制备、激光熔炼、激光焊接和切割、激光成形与快速原型制造等。在材料、机械、冶金、汽车、石油、化工、电力、纺织及航空航天等行业有巨大的推广应用价值。激光切割是目前最为广泛的一种方式应用，它占激光应用的60%左右。第9页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理与传统的板材加工方法相比，激光切割具有诸多优点：精度高：激光切割切口一般在0.10～0.20mm且表面粗糙度一般控制在Ra：12.5以上；热影响区、热应力及热变形均小。速度快：用1200WCO2激光切割2mm厚的低碳钢板切割速度可达5m/min～6m/min，切割5mm厚的有机玻璃速度可达12m/min。效率高：无机械冲裁时的冲击力，不存在刀具、模具的磨损现象，无需机械冲裁下料时的塔边，工件紧密排列，可节省20%～30%的材料，切割一次成型，无需后续加工。第10页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理柔性好：无需刀具和模具，结合计算机控制技术，可切割任意形状、尺寸的板材，尤其适合多品种、小批量、形状复杂零件的切割；非常适合新产品的开发，缩短研发周期，一旦产品图纸形成后，马上可以进行激光加工，你可以在最短的时间内得到新产品的实物。范围广：激光可以对高密度板、中密度板、胶合板、有机玻璃板、钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金等进行加工；特别适合大件产品的加工，大件产品的模具制造费用很高，激光加工不需任何模具制造，而且激光加工完全避免材料冲剪时形成的塌边，可以大幅度地降低企业的生产成本提高产品的档次。第11页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理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下图所示。CO2激光加工系统组成图

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－数控系统；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第12页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理激光器激光形成原理：当一个激活物质受到外界作用产生辐射时，在光学谐振腔内其传播方向与腔体轴向方向相同的光子将引起其它激发态的激活媒质产生感应跃进（即受激辐射），并得到迅速的增强而获得增益（其它方向的光子很快的离开边界消失掉）。若这种增益能补偿由其他原因（如界面透过、吸收、散射、衍射等）造成的损失，则这种传播就会持续地进行下去，形成光谐振，并由输出端输出，形成相位一致、波长一定、方向性极强的电磁波，即形成激光。第13页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理激光器对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，在可以分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器和液体激光器。第14页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理固体激光器一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。广泛应用于电子、轴承、钟表、眼镜、通讯产品、电器产品、汽车配件、塑胶按健、五金工具、医疗器械等行业。第15页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。

第16页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理液体激光器常用的是染料激光器，采用有机染料为工作介质。利用不同染料可获得不同波长激光。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，主要应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。第17页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理几种CO2激光器的主要特性光束能量分布为复式，效率较低输出功率的稳定性取决于风机的可靠性外形尺寸大，维护保养较难功率小，实用性差缺点可获得很高的输出功率1500横流式可在体积不大的条件下获得较高的输出功率，维护保养方便3000高速轴流式可获得稳定的基模式激光1000低速轴流式结构简单100气体封闭式优点实用输出功率/W构成简图类型第18页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理

本机床所采用的激光器为德国Rofin生产的CO2激光器，其结构原理如下所示。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-电极第19页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理德国Rofin生产的CO2激光器实物照片。第20页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理CO2激光器控制系统。第21页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理导光系统导光系统导光系统是激光切割机的关键技术，它是将激光引导到热处理的工件表面的装置。该系统由功率监控、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。

第22页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理机床本体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。

第23页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验原理数控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FANUCSeries16i-L。第24页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验步骤机床准备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。由于本机床所用的电源与国内通用电源电压不一致，故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。激光器上高压，激光器准备完毕后激光器控制系统显示界面如此图所示。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。第25页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心激光器控制系统显示界面第26页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验步骤程序编制打开计算机并启动NewCAM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。第27页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验步骤实际加工将加工材料安装在机床，并通过气动装置夹紧。根据所加工的材料种类及板材厚度，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1mm厚的Q235钢板，故应选用氧气为辅助气体，压力在0.5MPa左右，具体应根据最终切割质量进行调试。第28页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心实验步骤实际加工将CF卡插入数控系统左边的接口中，具体位置如下图所示。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。第29页,共31页，2024年2月25日，星期天机械工程实验教学中心注意事项操作人员须戴防护眼镜，严禁眼睛对激光口观看，以免伤害眼睛。激光器内有高压，维护操作时须小心谨慎，勿触高压。CO2激光器控制