以效果為目標(biāo)的激光機(jī)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化組合

梁鵬鵬 孫耀星 趙洪剛 吳俊華 劉明利 李慶增

（北華大學(xué)吉林省木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗室，吉林省吉林市 132013）

自20世紀(jì)60年代起，激光加工技術(shù)作為一門新興技術(shù)逐漸發(fā)展起來，因其具有方向性好、能量高度集中、單色性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于加工業(yè)[1-5]。近年來，隨著我國木材加工工業(yè)和家具制造業(yè)出口方面獲得較大發(fā)展，激光加工的木制品更是受到了人們的追捧和青睞[6-11]。雖然激光加工具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但若激光切削參數(shù)選擇不合適，激光加工的優(yōu)勢效果就不能充分發(fā)揮[12-18]。本研究以柞木為例，研究進(jìn)給速度、光強(qiáng)和鏡頭高技術(shù)參數(shù)組合對激光加工柞木切削效果的影響規(guī)律，以期找到最佳的技術(shù)參數(shù)組合，為生產(chǎn)實(shí)踐提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

柞木[Xylosma congesta(Lour.) Merr.]，含水率約為6.5%，尺寸為200 （L） mm × 200 （T） mm × 10 （R） mm，順紋切削，激光切削長度180 mm。

1.2 試驗儀器

CMA1390型CO2激光機(jī)，廣東大族粵銘激光科技股份有限公司；VHX-2000型超景深三維顯微系統(tǒng)、LJ -V7080型超高速輪廓測量儀，基恩士公司。

1.3 試驗方法

根據(jù)前期經(jīng)驗[19-27]，多因素技術(shù)參數(shù)之間具有交互作用，與單因素對切削效果的影響規(guī)律完全不同。此次研究采用正交試驗法，分別針對縫寬和縫深進(jìn)行主效應(yīng)分析，著重于進(jìn)給速度和光強(qiáng)的交互作用分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗測量結(jié)果

根據(jù)L1643正交試驗法的試驗結(jié)果如表1所示（表中括號內(nèi)數(shù)值為對應(yīng)因素水平的具體值）。

表1 激光切削柞木的試驗結(jié)果Tab.1 Experimental results of laser cutting tussah

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 縫寬分析

根據(jù)表1，各因素對縫寬的影響進(jìn)行主效應(yīng)分析和進(jìn)給速度與光強(qiáng)的交互作用分析如圖1和圖2所示。

圖1 各因素水平對縫寬的影響Fig.1 The influence of each factor level on seam width

圖2 進(jìn)給速度與光強(qiáng)的交互作用對縫寬的影響Fig.2 Effect of interaction between feed speed and light intensity on seam width

由圖1可知，單因素主效應(yīng)如下：1）縫寬受鏡頭高影響最大。在鏡頭透鏡焦距附近縫寬小，小于焦距時，縫寬增加，但增加幅度較慢；大于焦距時增加，增幅較快。2）進(jìn)給速度單因素影響總體來說為近似反比例函數(shù)，速度越小，縫寬越大，但斜率較小。3）光強(qiáng)影響近似為正比例函數(shù)，光強(qiáng)越大，縫寬越大，但斜率較小。單因素影響下，進(jìn)給速度和光強(qiáng)對縫寬影響斜率近似互為相反數(shù)。

光強(qiáng)體現(xiàn)激光能量大小，進(jìn)給速度體現(xiàn)激光作用時間，鏡頭高體現(xiàn)光斑直徑，即激光能量密度。單因素影響下，切削效果近似呈單調(diào)函數(shù)形式。能量大，作用時間長，在激光作用下燃燒的柞木越多，縫寬越大；鏡頭高超過焦距后，聚焦的激光又產(chǎn)生發(fā)散作用，隨著鏡頭高增加，發(fā)散作用明顯，縫寬急劇增加，其規(guī)律與常規(guī)思維相近。

對圖2分析可知，低速（v≤63 mm/s）時，小光強(qiáng)（光強(qiáng)＜50%）下，光強(qiáng)大小對縫寬影響程度很小，大光強(qiáng)才對縫寬影響較大。高速（v≥100 mm/s）時，大光強(qiáng)對縫寬影響反而變小，小光強(qiáng)的影響變大，但不是單調(diào)的。這說明在低速時，激光能量只有積累到一定程度才能成為主效應(yīng)。高速時，作用時間超過了激光能量成為主效應(yīng)。光強(qiáng)為25%時近似單調(diào)遞增；光強(qiáng)超過25%到接近100%時，縫寬隨進(jìn)給速度變化是波動的，波動規(guī)律區(qū)別很大；光強(qiáng)為100%時是單調(diào)遞減。這說明激光機(jī)的技術(shù)參數(shù)對縫寬影響的交互作用明顯，完全打破了單因素影響規(guī)律。

多因素作用下產(chǎn)生交互作用，在不同的取值范圍，各因素的影響主次不同，造成切削效果變化規(guī)律非常復(fù)雜。這也是激光機(jī)技術(shù)參數(shù)合理組合確定的難點(diǎn)所在。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，在低速小光強(qiáng)和高速大光強(qiáng)下，影響縫寬的主次因素為：鏡頭高＞進(jìn)給速度＞光強(qiáng)；在低速大光強(qiáng)和高速小光強(qiáng)下，影響縫寬的主次因素為：鏡頭高＞光強(qiáng)＞進(jìn)給速度。因此，在激光加工柞木時需要大縫寬時，可以采用A4B1C4或A4B2C3的技術(shù)參數(shù)組合。在需要小縫寬時，可采用A2B2C1的技術(shù)參數(shù)組合。

2.2.2 縫深分析

根據(jù)表1，各因素對縫深的影響進(jìn)行主效應(yīng)分析和進(jìn)給速度與光強(qiáng)的交互作用分析，如圖3和圖4所示。

圖3 各因素水平對縫深的影響Fig.3 The influence of each factor level on seam depth

圖4 進(jìn)給速度與光強(qiáng)的交互作用對縫深的影響Fig.4 Effect of interaction between feed speed and light intensity on seam depth

由圖3可知，單因素主效應(yīng)如下：1）縫深受鏡頭高影響最大。在鏡頭透鏡焦距附近縫深較大，小于焦距時，縫深變化很??；大于焦距時減小，減小速度逐漸變慢。2）進(jìn)給速度單因素影響總體來說為近似反比例函數(shù)，速度越小，縫深越大。3）光強(qiáng)對縫深影響不大，中小光強(qiáng)下，縫深較大，而大光強(qiáng)下，縫深反而較小。

從圖4可知，隨進(jìn)給速度增加，小光強(qiáng)下縫深曲線近似呈單調(diào)遞減，遞減速度很快；大光強(qiáng)下呈波動形狀，速度超過100 mm/s后，波動幅度較小。低速時，小光強(qiáng)下的縫深反而比大光強(qiáng)下的縫深大，這與常規(guī)認(rèn)識完全相反。高速時，大光強(qiáng)下的縫深才比小光強(qiáng)下的縫深大。這說明激光能量對縫深效應(yīng)在低速時比高速大，即低速時為主效應(yīng)。

通過以上分析可知，在低速大光強(qiáng)和高速小光強(qiáng)下，影響縫深的主次因素為：鏡頭高＞進(jìn)給速度＞光強(qiáng)；在低速小光強(qiáng)和高速大光強(qiáng)下，影響縫深的主次因素為：鏡頭高＞光強(qiáng)＞進(jìn)給速度。

因此，在激光加工柞木時需要較大縫深時，可以采用A1B1C1或A2B1C2的技術(shù)參數(shù)組合。在需要較小縫深時，可采用A4B3C2或A4B4C1的技術(shù)參數(shù)組合。

3 結(jié)論

本文探究了CO2激光切削柞木時，激光切削工藝參數(shù)對其切削質(zhì)量的影響，主要得出以下結(jié)論：

1）影響縫深、縫寬的主要因素為鏡頭高。技術(shù)參數(shù)調(diào)整應(yīng)首先確定合理的鏡頭高，其次根據(jù)縫寬的大小或切縫的深淺來確定進(jìn)給速度和光強(qiáng)。

2）進(jìn)給速度與光強(qiáng)之間的交互作用較為明顯，與單因素影響規(guī)律完全不同，給激光機(jī)技術(shù)參數(shù)合理組合的確定帶來了復(fù)雜性。低速大光強(qiáng)和高速小光強(qiáng)下，縫寬主要受光強(qiáng)影響，縫深主要受進(jìn)給速度影響。在低速小光強(qiáng)和高速大光強(qiáng)下，縫寬主要受進(jìn)給速度影響，縫深主要受光強(qiáng)影響。低速時，需要大縫深時無需一味地采取增加光強(qiáng)的措施。

3）在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)所需的不同切削效果來確定最佳組合技術(shù)參數(shù)，如激光切削含水率約為6.5 %的柞木，為得到縫深約3 000 μm，縫寬約200 μm，可采用鏡頭高5 mm，進(jìn)給速度40 mm/s和激光強(qiáng)度40%。

4）激光機(jī)技術(shù)參數(shù)單因素對切削效果的影響規(guī)律都近似呈單調(diào)形式，但交互作用下其規(guī)律很不規(guī)則，這說明各因素之間存在著很大的交互作用。現(xiàn)有研究中對單因素變化規(guī)律和多因素組合研究較多，但多因素之間的交互作用研究非常少，因此各因素之間的交互作用將作為以后研究的重點(diǎn)。