激光加工金工實(shí)訓(xùn)中提高加工精度探究＊

董建明，郝興安，周俊波，鐘柳花，王勇

（1.成都理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610059；2.成都航利航空科技有限責(zé)任公司，四川成都 610059）

現(xiàn)代制造技術(shù)里面，采用非機(jī)械能的特種加工技術(shù)占有比較重要的地位，而激光加工是不可或缺的制造方法[1]。激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性，對材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)[2]。激光加工對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。

基于激光加工技術(shù)的優(yōu)勢，其在金工實(shí)訓(xùn)具有重要的意義，通過激光加工的實(shí)訓(xùn)，不僅使學(xué)生理解激光的特性基本定律，而且培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那髮W(xué)態(tài)度[3-4]。目前，大部分高校在激光實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容僅講解設(shè)備原理和簡單的操作演示，而對于如何提高激光加工精度的講解內(nèi)容相對較少。

本研究首先介紹了激光加工中工件的定位以及刀具的對定問題，隨后基于金工實(shí)訓(xùn)，學(xué)生實(shí)訓(xùn)時設(shè)置不同刀具（即能量和光路）的參數(shù)設(shè)置，從而對照實(shí)訓(xùn)作品，不僅提升學(xué)生的操作能力和思考能力，而且加深理解相關(guān)措施可以有效地提升激光加工的加工精度，也為激光加工實(shí)訓(xùn)的教學(xué)拓展空間。

1 定位和對定分析

零件的安裝、定位以及刀具的對定問題對加工精度具有明顯影響。

1.1 激光加工定位分析

定位是指確定工件在機(jī)床工作臺上或者夾具中占有正確位置的過程，以保證加工尺寸、形狀和位置的要求。零件的定位重點(diǎn)是限制其自由度的問題，零件的找正為找水平和找垂直的問題。找水平是找出工件的水平基準(zhǔn)面與工作臺（或者夾具）的安裝定位面的平行程度的過程；找垂直是找出工件的側(cè)向基準(zhǔn)面與夾具的定位面的垂直程度的過程。

盡管找正的方法和找正的儀器多種多樣，不過從原理上可以分為以下三種：①直接找正法。由操作工人直接在機(jī)床上利用百分表、劃線盤等工具直接對工件進(jìn)行定位然后夾緊的找正方法。這種方法的弊端是定位和找正的時間長、效率低，特別是批量加工時候，尤為明顯。在激光加工中，由于激光和零件是非接觸加工，采用光能達(dá)到去除材料的目的，切削力小，可以忽略不計，因而不需要夾緊機(jī)構(gòu)。由于沒有施加夾緊力，找正過程中，工件會實(shí)時移動，故直接找正法不適用于激光加工。②基面靠定法。對裝夾工件工裝進(jìn)行定位找正，實(shí)現(xiàn)對工件的間接定位。這樣對于批量零件來說，解決了重復(fù)定位問題，提高了效率，保證了尺寸的穩(wěn)定性和統(tǒng)一性。但是對于激光切割機(jī)而言，其主軸是激光光源裝置，主軸上不適于夾持百分表等用來找正的儀表儀器等工具，故基面靠定法不適用于激光加工。③試切找正法。在激光切割機(jī)上可采用基面靠定方法的原理進(jìn)行零件的定位，先目測固定其定位工裝，然后用激光沿著X向和Y向的定位面，編制程序切割加工一次，因?yàn)闄C(jī)床的X軸和Y軸本身確定是相互垂直的，而且精度較高，從而解決了不用百分表就能完成零件的找正定位問題。故試切找正法適用于激光加工。

1.2 激光加工工件對定分析

通過上述方法完成了零件的安裝定位問題，要想提高零件的加工精度，還需解決刀具和工件的對定問題，即確定零件的工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的偏置關(guān)系。

針對機(jī)械專業(yè)的學(xué)生，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容需要加工該齒輪的鍵槽，如圖1（a）所示，其編程原點(diǎn)和工件原點(diǎn)必須重合，即WCS 與MCS 必須同心。由于激光是一束光，不能直接確保光斑的中心點(diǎn)和工件的圓心點(diǎn)完全重合。因此，需要試切找正法，編制試切程序，設(shè)置編程坐標(biāo)原點(diǎn)WCS1，重復(fù)試切找正法步驟，完成后激光的光斑中心準(zhǔn)確的停止在設(shè)定的編程坐標(biāo)原點(diǎn)WCS1上。此時，齒輪的直徑D是已知的，僅需移動激光頭，X、Y軸的移動距離為D/2，即是WCS2，從而獲得加工零件的編程原點(diǎn)。但是由于激光機(jī)床上，用來XYZ軸移動的按鈕沒有步進(jìn)方式，也沒有手持脈沖發(fā)生器，很難將XYZ軸移動到一個準(zhǔn)確的位置。因此在激光加工配置的軟件的調(diào)試菜單里面進(jìn)行精確的偏移，如圖1（b）所示，從而完成了工具和刀具的對定，即對刀的過程。

圖1 工件對定示意圖

2 激光的參數(shù)和補(bǔ)償分析

工藝系統(tǒng)由機(jī)床、夾具、工件以及刀具組成，零件精度質(zhì)量包含加工精度和表面質(zhì)量兩部分，提高零件的加工精度意味著工藝系統(tǒng)精度的問題[2]。而激光加工的能量是光能，充當(dāng)為刀具和零件是非接觸面加工，切削力微乎其微，從而零件不用裝夾，因此可以忽略機(jī)床、夾具和零件的加工受力變形的問題。從而需要關(guān)注刀具（即激光）影響，弄清設(shè)置參數(shù)的內(nèi)涵以及參數(shù)間相互關(guān)系，從而提高零件精度和表面質(zhì)量。

2.1 激光功率分析

假定其他參數(shù)不變的情況下，激光的功率與激光的能量成正比，功率越大，能量越強(qiáng)，切割越深，反之亦然。激光加工實(shí)訓(xùn)中讓不同組別的學(xué)生設(shè)置不同的功率參數(shù)，對比分析，如圖2（a）所示?？梢姡O(shè)置的功率參數(shù)為10%的深度明顯加深，將理論教學(xué)改變?yōu)閷?shí)訓(xùn)操作，從而提升學(xué)生的操作能力和思考能力。

2.2 切割速度分析

恒定激光功率不變的情況下，激光的切割速度的快慢直接影響切割質(zhì)量。即激光切割時，速度越快，切割越淺，效率越高；速度越慢，切割越深，效率越低。激光加工實(shí)訓(xùn)中讓不同組別的學(xué)生設(shè)置不同的切割速度，對比分析，如圖2（b）所示，可見，在20 mm/s 的速度下，切割效果較5 mm/s的切縫變窄，切痕變淺。故在保證零件切深切透的情況下，盡量提高速度，加快效率。

2.3 透鏡焦距分析

激光的焦距是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式，也指平行光入射時從透鏡光心到光聚集之焦點(diǎn)的距離，不同的焦距影響零件的切割質(zhì)量和效果。

對于激光切割來說，隨焦距變大，作用在單位材料上的能量減小，切割深度變淺，光斑變大，切縫變寬，這樣就多蝕除材料，嚴(yán)重影響了零件的輪廓尺寸精度。激光加工實(shí)訓(xùn)中讓不同組別的學(xué)生設(shè)置不同的激光切割焦距，對比分析，如圖2（c）所示，可見，18 mm 的焦距下，切割效果差。

圖2 不同參數(shù)下的實(shí)訓(xùn)作品

3 結(jié)論

激光加工在現(xiàn)代工業(yè)制造里面運(yùn)用越來越廣泛，筆者在長期的激光加工技術(shù)的教學(xué)、指導(dǎo)大學(xué)生競賽、參賽作品的制造實(shí)踐、裝配和調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題并運(yùn)用于激光加工教學(xué)實(shí)踐中，合理的設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中設(shè)置不同的刀具（即能量和光路）的參數(shù)，獲得不同的實(shí)訓(xùn)作品，試驗(yàn)對比研究了提升激光加工的加工精度的措施，從而提升學(xué)生的操作能力和思考能力。