一種雷射切割圓孔或橢圓孔的方法
2023-08-06 12:29:46 1
專利名稱：一種雷射切割圓孔或橢圓孔的方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射切割方法，特別是涉及一種雷射切割圓孔或橢圓孔的方法。
技術背景
目前，雷射切割雖然在速度、精度等方面比傳統切割具有一定的優勢，但是孔質量方面卻一直是一個難攻破的難關，如孔尺寸不符合要求、孔壁質量不好等，特別是對於精密零件而言，孔質量的好壞直接影響整個精密零件的質量。
高精密零件的用途很廣，被廣泛應用於各種領域的高新技術產品中，特別是對於高精密檢測設備而言，高精密零件是高新技術產品中的關鍵所在，所以對於高精密金屬薄片零件的雷射加工，最重要的是切割的外形尺寸控制，由於雷射加工本身的特性，雷射在開啟和關閉時，切割速度並不是恆定不變的，雖然設備的加速度大小可以自行調整，但是如果加速過程的運行距離不夠長，則會導致在切割零件尺寸時因速度問題造成了切割尺寸出現了偏差，且直線和弧線切割時的切縫寬度是有差別的，即使是在同樣的功率、頻率、焦距高度、加工速度等參數下，這細微的幾微米的差別對高精度的零件都有很大的影響，雖然有時候只有幾微米的誤差，但是就有可能因為這幾微米造成設備的性能不好或者測試的數據不準確，這樣就造成了沒必要的損失，既浪費了時間又浪費了財力。發明內容
本發明所要解決的技術問題是彌補上述現有技術的不足，提出一種雷射切割圓孔或橢圓孔的方法，以解決現有雷射切割圓孔或橢圓孔尺寸精度不高的問題。
本發明的技術問題通過以下的技術方案予以解決 一種雷射切割圓孔或橢圓孔的方法，包括如下步驟(1)開啟雷射切割設備，以圓孔或者橢圓孔的內部一個點為雷射入刀點，沿一個圓弧切割至圓孔或橢圓孔的切入點，所述圓弧的弧長足以使得在到達所述切入點時為預定的切割速度，所述圓弧與所述圓孔或橢圓孔相內切，所述切入點為切點，所述預定的切割速度不低於 5mm/s ；(2)以預定的切割速度，從所述切入點沿所述圓孔或橢圓孔的形狀切割，切割方向與沿所述圓弧切割的方向相同，並運行回到所述切入點；(3)關閉所述雷射切割設備，從所述切入點回到所述圓孔或橢圓孔的內部，完成切割。
切割方式和切割速度是影響孔尺寸的主要因素，傳統的切割方式在切割圓孔或者橢圓孔零件時，並未精準考慮到雷射切割設備在切割啟動時的加速度大小的問題，導致在切割零件尺寸時因速度問題造成了切割尺寸出現了偏差，由於雷射設備本身的特性，在入刀口(啟動)、末刀口(關閉)的切割速度並不是勻速的，在啟動時是勻加速的過程，加速到一定的切割速度後勻速，切割完成後，關閉雷射切割設備直到雷射設備完全停止時，是減速過程，如果切割圓孔或橢圓孔時切割速度不恆定將使得切割的圖形及尺寸發生改變，而導致圓孔或橢圓孔的尺寸精度不高，採用以上技術方案進行切割，由於在啟動時，以圓孔或者橢圓孔的內部一個點為雷射入刀點，沿一個圓弧切割至圓孔或橢圓孔的切入點，所述圓弧的弧長足以使得在到達切入點時為預定的切割速度，所述圓弧與所述圓孔或橢圓孔相內切， 所述切入點為切點，這樣能保證當切割到達圓孔或橢圓孔的切入點時，雷射的運動方向正好與切割圓孔或橢圓孔的切割速度方向一致，使其在切入點時的切割損耗最小，從而巧妙的避開了初始的加速切割過程，且在不低於5mm/s的切割速度下，能保證圓孔或橢圓孔的孔尺寸的精度，從而提高了雷射在加工圓孔或橢圓孔零件，特別是加工高精密金屬零件的工藝標準。
優選地，所述圓弧的弧長由以下公式計算得到S=V2/2a，其中，S表示所述圓弧的弧長，V為所述預定的切割速度，a為所述雷射切割設備的加速度。
由於雷射切割設備的初速度為0 mm/s，按以上公式計算出圓弧的弧長後，再根據弧長S= rX θ，其中r為圓弧的半徑，θ為圓弧的圓心角(以弧度表示)，當已知弧長後，可以根據實際需要設定圓弧的半徑或圓心角，算出另一個參數，即可確定圓弧，所以弧線的走向可以有很多種，根據以上確定的圓弧切割時，到達切入點時即能保證速度的方向和大小均與預定的切割速度相同。
優選地，所述預定的切割速度為5 15 mm/s。
雷射設備的光束是屬於脈衝式的，不同的切割速度對切割圓弧的尺寸會有一定的影響，切割速度的大小會影響精密孔的尺寸，實驗證明，切割速度在5 15mm/s時切割出來的圓弧軌跡最接近理想圓弧，對切割精密孔的尺寸影響最小。
優選地，所述雷射切割設備為雷射波長為1064nm 1090nm的紅外雷射器。
優選地，當採用空氣作為輔助氣體切割時，雷射的功率為85 90W，頻率為2. 2 3. OKHz。
優選地，當採用氧氣作為輔助氣體切割時，雷射的功率為80 85W，頻率為2. 0 2. 6KHz。
在保證孔尺寸符合要求外，孔壁質量也是評判高精密孔的一個重要的指標，孔壁質量主要體現在孔壁粗糙度及毛刺方面，如孔壁粗糙度大、毛刺多等等問題的發生主要是由於切割的參數(功率、頻率、聚焦高度、切割速度)導致的。孔壁質量對高精密孔的性能和外觀均有直接的影響，在聚焦範圍內，經過大量實驗、分析和對比選出在不同輔助氣體下的最優參數，按上述的參數切割出來的孔壁粗糙度最低約為0. 3Mffl，波動範圍在士洲以內，穩定性良好。
優選地，所述步驟(3)中，關閉所述雷射切割設備後，從所述切入點沿另一圓弧回到所述圓孔或橢圓孔的內部，完成切割，所述另一圓弧以所述切入點為切點與所述圓孔或橢圓孔內切。由於該圓弧與圓孔或橢圓孔內切，且切入點為切點，就能保證圓弧和圓孔或橢圓孔在切點處的速度方向一致，最大可能的保證圓孔或橢圓孔切割的精確度，減小誤差。
圖1為本發明實施例的雷射切割不鏽鋼片的示意圖；圖2a 2d分別為以切割速度5 mm/sUO mm/s、15 mm/s,20 mm/s切割半徑為25Mm的 180度圓弧的示意圖；圖3a 3d為以5 mm/s的切割速度分別切割半徑為15Mm、20Mm、30Mm、35Mm的180度圓弧的示意圖；圖如 4(1為以10 mm/s的切割速度分別切割半徑為15Mm、20Mm、30Mm、35Mm的180度圓弧的示意圖；圖5為現有的切割方法切割出的圓孔的示意圖； 圖6為對圖5進行區域分析的示意圖；圖7為本發明實施例一中切割圓孔時從雷射入刀點到切割回到切入點時的雷射走向的示意圖；圖8為對圖7的切割方式進行比較分析的示意圖； 圖9為圖8中以圓弧c'為切割導向線切割得到的孔形狀示意圖； 圖10為本發明實施例一中關閉雷射切割設備後，從切入點回到圓孔內部的雷射走向的示意圖；圖11為本發明實施例二中切割橢圓孔時從雷射入刀點到切割回到切入點時的雷射走向的示意圖；圖12為本發明實施例二中關閉雷射切割設備後，從切入點回到橢圓孔內部的雷射走向的示意圖；圖13為在3D顯微鏡下本發明實施例切割的圓孔或橢圓孔的孔壁的示意圖。
具體實施方式
下面對照附圖和結合優選具體實施方式
對本發明進行詳細的闡述。
在一個實施例中，雷射切割圓孔或橢圓孔的方法，包括如下步驟(1)開啟雷射切割設備，以圓孔或者橢圓孔的內部某點為雷射入刀點，沿一個圓弧切割至圓孔或橢圓孔的切入點，所述圓弧的弧長足以使得在到達切入點時為預定的切割速度，所述圓弧與所述圓孔或橢圓孔相內切，所述切入點為切點，所述預定的切割速度不低於 5mm/s ；(2)以預定的切割速度，從所述切入點沿所述圓孔或橢圓孔的形狀切割，切割方向與沿所述圓弧切割的方向相同，並運行回到所述切入點；(3)關閉所述雷射切割設備，從所述切入點回到所述圓孔或橢圓孔的內部，完成切割。
其中，圓弧的弧長可以由以下公式計算得到S=V2/2a，其中，S表示所述圓弧的弧長，V為所述預定的切割速度，a為所述雷射切割設備的加速度。
在另一個實施例中，預定的切割速度為5 15 mm/s時較佳。
以下以厚度為0. 02 0. 5 mm的不鏽鋼為材料，以雷射波長為1064nm 1090nm的紅外雷射器切割圓孔或橢圓孔為例詳細闡述本發明的技術方案，其中，當採用空氣作為輔助氣體切割時，雷射的功率為85 90W，頻率為2. 2 3. OKHz較佳，當採用氧氣作為輔助氣體切割時，雷射的功率為80 85W，頻率為2. 0 2. 6KHz較佳。
圖1為雷射切割不鏽鋼片的示意圖，其中1為雷射切割頭，2為雷射光束，3為不鏽鋼材質，4為聚焦焦點。
在相同功率、頻率、聚焦高度下，用不同的切割速度切割半徑為25ΜΠ1的180°圓弧並觀察切割效果，將切割速度分為5 mm/sUO mm/s、15 mm/s,20 mm/s，切割出來的圖形如圖 2εΓ2(1所示，多次實驗證明，速度為5mm/s、10 mm/s、15 mm/s時切割出來的圓弧效果最接近5理想圓弧，而切割速度低於5 mm/s以及高於15 mm/s時切割出來的圓弧呈扁圓形，所以在加速度一定的情況下，切割速度的大小會影響精密孔的尺寸。
在功率、頻率、聚焦高度不變的情況下，用5 mm/s的切割速度分別切割半徑為 15Mm、20Mm、30Mm、35Mm的180°圓弧，如圖3a 3d所示，用10mm/s的切割速度分別切割半徑為15Mm、20Mm、30Mm、35Mm的180°圓弧，如圖^ 4d所示，從圖3a 3d、圖^ 4d中可以看出， 在設備加速度一定的情況下，相同切割速度切割不同大小的圓弧時，切割出來的效果一樣， 尺寸完全可以滿足要求。
通過對上述圓弧的切割分析，可以得出在切割圓孔時，在加速度一定的情況下，造成精密孔尺寸的偏差的原因與切割速度大小有關，而與孔直徑大小無關，在其他條件不變的情況下，切割速度越大，孔尺寸邊緣變形越嚴重，切割速度越小越接近所需的尺寸。
如圖5所示，為現有的切割方法切割出的圓孔的示意圖，在相同的功率、頻率、聚焦高度、切割速度(5 15 mm/s)下，用傳統工藝切割圓孔，a點為雷射入刀點，b點為圓孔的切入點，d為切割軌跡，箭頭方向為切割運行方向，切割出來的孔如圖5所示。
將圖5分為12等分進行區域分析，如圖6所示，實線表示實際切割孔邊緣，虛線表示理想孔邊緣，點劃線表示對孔的劃分，切割到1點、2點、3點、4點、5點、6點時的速度分別為V」V2、V3、V4、V5、V6，在切割到1點位置時，實線切割圓弧Sl大於虛線切割圓弧Sl』， 在時間相等的情況下，實線切割圓弧的1點速度Vl大於虛線表示的圓弧的切割速度VI』，而圓弧 S2 > S1，，S3 > Si，，故同理可以推出 V2 > Vl', V3 > Vl \ V4=V3=V5=V1 \ V6 < V5, 從以上數據可以得知，在6點一3點段時雷射光束做勻加速運動，在3點一5點段時做勻速運動，在5點一6點段時做勻減速運動。
結合圖7的分析及綜合圓弧的分析結論可知造成精密孔尺寸的偏差的原因與切割的運動軌跡和切割速度有關，在考慮到雷射光束入刀鑽孔的熱影響及切割加工的效率， 在經過大量的實驗後得出了本發明的加工工藝方式，以下通過一個較佳實施例進行說明。
實施例一本實施例為採用厚度為0. IOmm的不鏽鋼為原料，雷射波長為1064nm的紅外YAG雷射器切割直徑為3mm的圓孔，切割速度為15mm/s，以空氣作為輔助氣體，雷射器自動將鋼片調整到聚焦高度範圍內，功率為90W，頻率為3. OKHz，雷射器的加速度為50mm/s2。
(1)開啟雷射器，以圓孔或者橢圓孔的內部一點為雷射入刀點，沿一個圓弧切割至圓孔或橢圓孔的切入點，圓弧的弧長足以使得在到達切入點時為預定的切割速度，圓弧與圓孔或橢圓孔相內切，切入點為切點，預定的切割速度不低於5mm/s (本例中為15mm/s)。
圖7為切割圓孔時從雷射入刀點到切割回到切入點時的雷射走向的示意圖；其中，a為雷射入刀點，b點圓孔的切入點，圓弧c為到達b點前雷射的運行軌跡，可以稱為切割導向線，箭頭方向為切割方向。雷射光束在沿圓弧c切割時，雖然具有一定的加速度，但由於圓弧c滿足一定的條件，當運行到b點時，切割速度已經趨於勻速，這樣就解決了雷射在入刀口附近切割尺寸不圓的問題，將切割線設置成從圓內部某一點到切割點的圓弧，這樣有利於避免入刀時鑽孔的大能量對零件尺寸的影響。本例中，圓弧c滿足的條件為圓弧 c與圓孔相內切，b點為切點，V=15mm/s, a=50mm/s2，所以圓弧c的弧長S=V2/2a=2. 25mm，取圓弧的圓心角為180度(π弧度)，則圓弧的半徑為0. 71mm。
圖8為對圖7的切割方式進行比較分析的示意圖；圓弧c'、c分別為兩條不同弧度的引導線，其中圓弧c'所在的圓與圓孔相交，b點為交點，圓弧c為圖7中的圓弧，它們分別從a點運行到b點，運行到b點的速度分別用Vc'、Vc來表示，箭頭方向表示b點時的切割速度的方向，從圖中可以明顯的看出，Vc的方向恰好與切割速度V的方向一致，這樣就保證了其在b點時因切割速度的損耗所引起的誤差，d為圓孔尺寸的軌跡，以圓弧c為切割導向線所得的圓孔基本為圓形，以圓弧c'為切割導向線所得的圓孔如圖9所示。綜上，當沿圓弧c切割到達b點時的速度大小和方向均與V相同時，才能更好的滿足尺寸的精確度。
由於弧長是由半徑及圓心角決定的，半徑越大，圓心角越小；半徑越小，圓心角就越大，根據以上的分析，弧線走向有很多種，雷射入刀點a點在圓弧c的圓周上，可在圓內任意一處(根據實際情況定論)，只要保證圓弧c在b點時的線速度方向與實際切割的線速度方向一致，且弧線長度可滿足加速度加速的距離即可，圓弧c的最大半徑不能超過實際切割孔的半徑，同時考慮到實際切割的效率，圓心角一般不超過360°，當然，如果取的圓弧半徑比較小，根據弧長公式算出的圓心角超過360°也是可以的，這時就需要在到達b點時沿作為切割導向線的圓弧重複運行。
(2)以預定的切割速度，從切入點b點沿圓孔的形狀切割，切割方向與沿圓弧切割的方向相同(本實施例中，均為順時針方向)，並運行回到H
(3)關閉雷射器，從b點回到圓孔的內部，完成切割。為最大可能的保證圓孔或橢圓孔切割的精確度，減小誤差，從b點回到圓孔的內部時，如圖10所示，可以沿一圓弧g運動，箭頭方向為切割方向，圓弧g與圓孔內切，且b點為切點，使得圓弧g和圓孔在b點處的速度方向和大小均一致，這樣就保證了在切割結束前因機器本身的特性造成的誤差。
實施例二 本發明的方法也可以成功運用到精密橢圓孔的切割上，原理和上述切割圓孔的原理相同，只要滿足切割速度大小及切入點的速度方向即可，因橢圓的特殊性(半徑不一樣)，在做切割引導線時，只要作為切割導向線的圓弧不超出實際橢圓孔邊緣尺寸範圍即可，圖11、12 所示。
實施例三由於雷射束能量超過不鏽鋼的破壞值，不鏽鋼吸收雷射束能量產生高溫被融化，通過雷射設備運動系統形成切割面，就高精密金屬零件而言，在保證孔尺寸符合要求外，孔壁質量也是評判高精密孔的一個重要的指標，圖13為在3D顯微鏡下本發明實施例切割的圓孔或橢圓孔的孔壁的示意圖；孔壁質量是由功率、頻率、切割速度及輔助氣體共同影響，功率越大，孔壁質量不一定最好，頻率反之亦然，在對大量的實驗結果進行分析後得出在空氣輔助氣體切割時，功率在85 90W，頻率2. 2 3. OKHz，切割速度不低於5 mm/s時，切割出來的孔壁粗糙度最低(Ra約為0. 33um)，在氧氣為輔助氣體切割時，功率在80 85W，頻率 2. 0 2. 6KHz，切割速度不低於5 mm/s時切割孔壁粗糙度最低(Ra約為0. 30um)，用該最低孔壁粗糙度的技術參數重新進行試切並檢測其孔壁粗糙度，孔壁粗糙度波動範圍在士洲以內，穩定性良好。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種雷射切割圓孔或橢圓孔的方法，其特徵是包括如下步驟(1)開啟雷射切割設備，以圓孔或者橢圓孔的內部一個點為雷射入刀點，沿一個圓弧切割至圓孔或橢圓孔的切入點，所述圓弧的弧長足以使得在到達所述切入點時為預定的切割速度，所述圓弧與所述圓孔或橢圓孔相內切，所述切入點為切點，所述預定的切割速度不低於 5mm/s ；(2)以預定的切割速度，從所述切入點沿所述圓孔或橢圓孔的形狀切割，切割方向與沿所述圓弧切割的方向相同，並運行回到所述切入點；(3)關閉所述雷射切割設備，從所述切入點回到所述圓孔或橢圓孔的內部，完成切割。
2.如權利要求1所述的雷射切割圓孔或橢圓孔的方法，其特徵在於所述圓弧的弧長由以下公式計算得到S=V2/2a，其中，S表示所述圓弧的弧長，V為所述預定的切割速度，a 為所述雷射切割設備的加速度。
3.如權利要求1所述的雷射切割圓孔或橢圓孔的方法，其特徵在於所述預定的切割速度為5 15 mm/so
4.如權利要求1-3任意一項所述的雷射切割圓孔或橢圓孔的方法，其特徵在於所述雷射切割設備為雷射波長為1064nm 1090nm的紅外雷射器。
5.如權利要求4所述的雷射切割圓孔或橢圓孔的方法，其特徵在於當採用空氣作為輔助氣體切割時，雷射的功率為85 90W，頻率為2. 2 3. OKHz0
6.如權利要求4所述的雷射切割圓孔或橢圓孔的方法，其特徵在於當採用氧氣作為輔助氣體切割時，雷射的功率為80 85W，頻率為2. 0 2. 6KHz。
7.如權利要求1-3任意一項所述的雷射切割圓孔或橢圓孔的方法，其特徵在於所述步驟(3)中，關閉所述雷射切割設備後，從所述切入點沿另一圓弧回到所述圓孔或橢圓孔的內部，完成切割，所述另一圓弧以所述切入點為切點與所述圓孔或橢圓孔內切。
全文摘要
本發明公開了一種雷射切割圓孔或橢圓孔的方法，包括如下步驟(1)開啟雷射切割設備，以圓孔或者橢圓孔的內部一個點為雷射入刀點，沿一個圓弧切割至圓孔或橢圓孔的切入點，所述圓弧的弧長足以使得在到達所述切入點時為預定的切割速度，所述圓弧與所述圓孔或橢圓孔相內切，所述切入點為切點，所述預定的切割速度不低於5mm/s；(2)以預定的切割速度，從所述切入點沿所述圓孔或橢圓孔的形狀切割，切割方向與沿所述圓弧切割的方向相同，並運行回到所述切入點；(3)關閉所述雷射切割設備，從所述切入點回到所述圓孔或橢圓孔的內部，完成切割。採用本發明的方法，切割得到圓孔或橢圓孔尺寸精確，滿足精密零件的要求。
文檔編號B23K26/38GK102489884SQ201110395278
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月2日 優先權日2011年12月2日
發明者侯若洪, 楊昀, 陳金華 申請人:深圳光韻達光電科技股份有限公司