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金屬鈑金新聞

激光切割工藝詳細解析

星之球科技 來源:鴻鐳激光2014-06-10 我要評論(0 )   

一、概況 由於(yu) 複合材料對激光束產(chan) 生的紅外射線的吸收率高,在低功率密度(102~103)W/cm2下可進行深透加工,因此激光束適合切割複合材料。與(yu) 其它方法相比,激光切割具...

       由於(yu) 複合材料對激光束產(chan) 生的紅外射線的吸收率高,在低功率密度(102~103)W/cm2下可進行深透加工,因此激光束適合切割複合材料。與(yu) 其它方法相比,激光切割具有以下突出優(you) 點。

       1)切縫窄,通常為(wei) 0.1mm~0.4mm,材料利用率高。

       2)激光作用時間短,約為(wei) (10-1~10-4)s,所以激光切割的熱影響區小,約為(wei) 0.06mm~0.1mm.

       3)激光切割的深寬比大,對於(yu) 複合材料可達100以上。

       4)激光切割速度快,切割硼/環氧複合材料的速度可達12m/min;而切割丙烯板材為(wei) 機械切割法的7倍。

       5)激光既能切割平麵工件,又能切割、加工立體(ti) 工件,激光能量是無接觸傳(chuan) 送的,所以切割硬脆材料能防止碎裂。用激光束可較好地切割小於(yu) 0.5mm厚的薄材。

       6)由於(yu) 激光切割屬於(yu) 點切割,其加工靈活性好。可根據需要,從(cong) 板材的任一點開始切割形狀複雜和有尖角的零件。

       7)對環境無汙染,切割時無振動、無噪聲、無塵、煙霧少。

       激光切割與(yu) 數控技術結合,可實現自動化。數控切割的優(you) 點是:不用劃線;零件形狀變化時,隻需改變程序,無需更換工具就能切割各種形狀零件,效率提高8~20倍;可套切,且加工精度和重複精度高,可節省材料20~30.如600WCW-CO2激光器可切割各種複合材料,切縫寬為(wei) 0.13mm,實際加工公差為(wei) ±0.001;不需要剛性夾緊,工件不受力,可切割易變形的薄板零件。

       由於(yu) 航空航天工業(ye) 對複合材料產(chan) 品需求量的增加,用激光切割複合材料變得越來越重要。用機械切割2.45mm厚的環氧基複合材料,需要手工修整和熱封,加工一個(ge) 零件需要12h~14h,而數控激光切割僅(jin) 需5min,效率提高150倍。

       在356mm厚的凱芙拉/環氧預浸料板上切割16個(ge) 直徑為(wei) 232mm的圓盤,用激光切割可取代兩(liang) 台帶鋸、1台車床和兩(liang) 台鑽床,所需時間為(wei) 5min.

       激光切割和機械加工兩(liang) 者所用的試件均由3.5mm厚的凱芙拉49/環氧預浸料製成。抗拉強度試驗表明,激光切割的試件平均模量為(wei) 34GPa,平均抗拉強度為(wei) 580GPa,而機械加工的分別為(wei) 31.9GPa和550GPa.

       由上可知,激光切割經濟效益顯著,盡管激光切割機價(jia) 格比普通切割機高,但激光切割機的折舊時間很短,在生產(chan) 中充分利用設備的情況下,一年之內(nei) 即可收回設備投資。

       激光切割複合材料通常不產(chan) 生熔化反應,熔化的材料周圍不像金屬那樣形成蒸汽柱。材料成分(樹脂和纖維)的性質大大地影響產(chan) 生熱的機理,一般蒸發纖維所需能量比蒸發樹脂的高,因此切割複合材料所需的功率主要取決(jue) 於(yu) 纖維的種類及其含量。

       這些材料具有不同的熱特性,通常所采用的典型值,因此,在切割複合材料時,當某一部分可進行高速切割,而其它部分隻能用低速切割時,如果用低速切割這部分材料,則對另一部分材料有熔融、塌邊及炭化等惡劣影響,並在加工具有空腔那樣不均勻的材料時,這些影響則會(hui) 使加速氣流產(chan) 生紊流,其結果形成不規則的切割麵。這是由於(yu) 激光所產(chan) 生的熱量足以引起樹脂蒸發,從(cong) 而引起樹脂富集區內(nei) 的纖維蒸發所致。對於(yu) 這種情況,需要高速切割,而且要功率極大的激光器,采用這種工藝可切割傳(chuan) 統方法難以切割的複合材料。

       凱芙拉纖維是隨航空航天工業(ye) 發展而普及的一種材料,也是非常堅硬的材料,以前用金剛石/硬質合金刀具切割,刀刃極易變鈍,一般隻能保持幾分鍾。使用目前的技術,用250WCO2激光器,以12m/min的速度能夠切割1.2mm厚的凱芙拉/環氧複合材料,用1kWCO2激光器能夠切割的最大厚度為(wei) 9.5mm.為(wei) 了避免切割麵產(chan) 生炭化,必須采用峰值功率極高的脈衝(chong) 激光束。同樣,切割玻璃纖維,特別是碳纖維時,切割麵也容易炭化,這是由於(yu) 碳纖維的導熱性很好,切割時產(chan) 生的熱很快分散到周圍的基體(ti) 上,結果樹脂受熱而蒸發或燃燒所致。

       影響切割質量的基本參數是:激光功率、工件材料、厚度、層數、焦距、輔助氣體(ti) 和噴嘴設計。功率越大,可切割的厚度越大;切割速度越高,以保證有足夠的功率密度。厚的板材要求采用的焦距比薄板的長,以避免蒸發材料時消耗功率。切割時通過噴嘴將輔助氣體(ti) (如惰性氣體(ti) N2,A)與(yu) 激光束同軸向同時噴射到工件上,可吹去熔化物,防止破碎或燃燒。

       二、激光切割的發展動向

       1.數控化和綜合化

       現在先進的生產(chan) 方式是采用計算機控製,這種生產(chan) 方式適用於(yu) 多品種、小批量、生產(chan) 周期短的零件加工,因此激光切割機采用了數控技術、高精度自動化的裝卸定位係統。例如,美國格魯曼飛機公司研究的41型750WCO2激光切割機和750型二座標數控激光切割機用於(yu) 切割硼/鋁金屬基複合材料。

       2.小型化和組合化

       美國數控激光公司研製了LL係列數控高速軸流激光加工中心,輸出功率為(wei) 500W~600W.LL-500五座標數控激光加工中心專(zhuan) 為(wei) 切割大型飛機零件而設計的。該加工中心的占地麵積減少到原來切割機的1/10.

       美國休斯公司研製出功率為(wei) 500W的數控CO2激光切割機,該機與(yu) CAD/CAM相連,可實現設計製造一體(ti) 化,對產(chan) 品試製特別有利,如果使用智能接口和專(zhuan) 家係統,切割精度和質量可提高1000倍。

       三、結束語

       隨著科學技術的迅速發展,各行各業(ye) 都很重視複合材料的應用,尤其在航空航天工業(ye) 中的應用,所占比例將逐漸上升,因此對複合材料加工技術發展極為(wei) 關(guan) 心。

       激光切割和高壓水射流切割作為(wei) 熱、冷加工技術,尤其適合於(yu) 常規方法不經濟和不適用的許多應用中。也已證明,這兩(liang) 種技術能夠最有效地切割複合材料,國外已在生產(chan) 線上應用。目前,我國正處於(yu) 研究開發階段。為(wei) 滿足航空航天產(chan) 品的需要,應著重引進、研究和應用這兩(liang) 種技術,並開展相應的工藝試驗。這兩(liang) 種技術與(yu) NC、CNC、CAD/CAM及“工件不動,切割頭動”的結構相結合,既不損壞工件表麵,也不需要夾持工件。

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