激光精密切割圆弧和直线粗糙度差异分析与消除

摘要

激光切割技术以其成本低、效率高、精度高等优点，广泛应用于仪表、电子等精密行业完成模板的加工。为了提高激光切割壁缝粗糙度，国内外学者对加工工艺参数展开了研究，并提出了多种优化方法和理论，但其研究仅以典型的直线切缝为研究对象，最终均以获得最小粗糙度为目的，未考虑激光切割圆弧模型的建立以及对加工工件整体粗糙度的优化。基于这种情况，本文对激光精密切割圆弧与直线壁缝粗糙度差异性与消除方法展开了研究。
　　本文研究主要内容如下：
　　（1）建立了激光切割圆弧壁缝粗糙度的数学模型。采用Nd:YAG激光对0.5mm厚的1060纯铝板进行圆弧精密切割。切割后经酒精擦拭去除表面挂渣等杂物，通过显微镜观察试件圆弧切割壁缝微观形貌，通过几何关系推理建立了圆弧粗糙度简化的数学模型，得到了内、外圆弧壁面粗糙度公式。
　　（2）讨论了切割尺寸对激光切割圆弧粗糙度的影响规律。内、外圆弧粗糙度公式与直线粗糙度公式进行比较，发现除了共同受到切割速度、激光脉冲频率和脉宽影响外，内、外圆弧粗糙度还受到切割圆弧尺寸的影响。在相同切割参数下，通过理论计算和实际切割实验，重点分析了切割半径对内、外圆弧和直线壁面粗糙度差异影响规律，结果表明：随切割半径增大，外圆弧壁面粗糙度增大，内圆弧壁面粗糙度减小；当切割半径≤7mm时，内、外圆弧粗糙度差异明显；切割半径≥7mm时，两者粗糙度差异忽略不计。
　　（3）应用响应曲面法进行优化，消除了粗糙度差异性。利用实验辅助设计软件Design-Expert设计了切割实验，构建了二次回归方程并对其进行方差分析，结果表明模型拟合程度较高，拟合效果较好，失拟性不显著，整体来说用导出的二次回归方程推测总体预测值是有效的。最后，利用响应曲面法（RSM）分别对内、外圆弧与直线粗糙度进行最小值优化，获得的理论最小值中最大值作为目标值进行二次优化，从而得到圆弧和直线最小无差异粗糙度对应的工艺参数。实际切割实验测量得到的粗糙度值近似一致，直线和圆弧粗糙度差异消除，此方法证明可行有效。
　　综上所述，在激光精密切割直线粗糙度模型基础上，分别建立了内、外圆弧粗糙度模型，通过理论计算和实际实验证明了切割内、外圆弧与直线壁缝粗糙度差异性。利用响应曲面法中最小值优化和目标值优化得到了相同粗糙度对应的不同工艺参数，最终通过实验验证了此方法使粗糙度差异得以消除，本研究为激光工艺参数数据库建立和变参数激光切割机床的研制提供了一定的借鉴。