納秒脈沖激光在木材表面加工中的應(yīng)用研究

□ 吳 哲 □ 楊春梅 □ 馬 巖 □ 任洪娥 □ 馬洪斌

東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 哈爾濱 150040

在浮雕家具和雕刻木門的生產(chǎn)過程中，各個工序基本都可以實現(xiàn)機(jī)械化，僅砂光和打磨工序還只能以手工為主。由于浮雕家具和雕刻木門表面高低起伏變化較大，以及前期銑削加工過程中既會出現(xiàn)順紋逆銑，也會出現(xiàn)逆紋順銑，導(dǎo)致浮雕表面不同區(qū)域的毛刺形貌變化極大。這些原因會使軟砂光砂帶在對浮雕家具和雕刻木門等具有異形表面的木制品進(jìn)行砂光打磨時，出現(xiàn)過砂或漏砂以及砂光打磨不均勻的現(xiàn)象，因此，浮雕家具和雕刻木門很難實現(xiàn)機(jī)械化砂光打磨，只能采取手工砂光打磨。但手工砂光打磨效率低、耗時長 （約占浮雕家具和雕刻木門生產(chǎn)時間的30%以上）、勞動力成本大。此外，在手工砂光打磨中產(chǎn)生的粉塵污染也極為嚴(yán)重，砂光打磨作業(yè)中將產(chǎn)生大量的粉塵，而逃逸到空氣中的粉塵會造成車間空氣及大氣污染，嚴(yán)重影響員工的身體健康［1-3］。

本文研究了激光加工技術(shù)在浮雕家具和雕刻木門砂光打磨中的應(yīng)用，該實驗方案的實施，對異形表面木材的加工將具有革命性的影響，將使浮雕家具和雕刻木門實現(xiàn)機(jī)械化砂光打磨。

1 納秒脈沖激光加工木材表面的方案設(shè)計

針對用納秒脈沖激光去除木材表面毛刺的加工方式，本文進(jìn)行了設(shè)計和前期論證，最終得到了如圖1所示的實施方案，該方案針對實驗中會出現(xiàn)的問題進(jìn)行了具體論證和闡述。

▲圖1 納秒脈沖激光加工木材表面的實施方案

（1）從木材加工后表面毛刺的細(xì)胞裂解形態(tài)入手，以木材的細(xì)胞為建模的最小單元，建立銑削后能反映木浮雕表面毛刺形貌變化的凸凹細(xì)胞仿真模型；由于銑削加工時，既會出現(xiàn)順紋切削，也會出現(xiàn)逆紋切削，導(dǎo)致木浮雕表面不同區(qū)域毛刺的微觀細(xì)胞裂解形貌是不同的，需要根據(jù)得到的仿真模型，對浮雕表面不同區(qū)域毛刺的細(xì)胞裂解形貌進(jìn)行觀察和統(tǒng)計分類，并將細(xì)胞裂解形貌相同的毛刺在浮雕表面的直徑等級和位置進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而找出消除粗糙毛刺的最佳方法。

（2）研究納秒脈沖激光對木浮雕表面進(jìn)行砂光打磨的燒蝕機(jī)理，充分掌握超短脈沖作用下由于激光能量快速沉積而產(chǎn)生的材料內(nèi)部的非平衡態(tài)、材料屬性和微觀結(jié)構(gòu)改變之間的聯(lián)系，解釋燒蝕材料的破壞閾值與脈沖寬度的依賴關(guān)系和燒蝕深度、燒蝕體積與激光強(qiáng)度的依賴關(guān)系。

（3）進(jìn)行納秒脈沖激光去除木浮雕表面毛刺的熱平衡微分方程數(shù)值解的探索，具體過程是首先根據(jù)木浮雕表面毛刺的微觀細(xì)胞結(jié)構(gòu)，建立毛刺燒蝕的熱力學(xué)模型，然后利用納秒脈沖激光燒蝕試驗臺進(jìn)行單毛刺燒蝕試驗，檢測和驗證上述理論分析。以這些試驗作為微分方程的初始參數(shù)和微分方程常系數(shù)的標(biāo)定原始參數(shù)，并采用數(shù)值解求出微分方程的理論解。

（4）應(yīng)用微觀熱力學(xué)求出納秒脈沖激光燒蝕功耗的數(shù)值解以后，用高功率密度的納秒脈沖激光燒蝕系統(tǒng)的狀態(tài)變量和響應(yīng)變量構(gòu)建該系統(tǒng)的狀態(tài)方程，提取狀態(tài)趨向因子，最后建立系統(tǒng)的響應(yīng)方程。建立高功率密度納秒脈沖激光束引起木浮雕表面溫升分布圖，在此基礎(chǔ)上，得到浮雕表面熱應(yīng)力分布區(qū)域圖，從中找出激光砂光打磨合理凸起的燒蝕區(qū)域，并將此結(jié)果與銑削后浮雕表面毛刺的微觀細(xì)胞裂解的統(tǒng)計分類圖像相結(jié)合，完成納秒脈沖激光對整個木浮雕表面的砂光打磨。

2 激光與木材的作用機(jī)理

激光具有強(qiáng)度高、易于導(dǎo)向、光束聚焦光斑小等特點(diǎn)，同時易與數(shù)控系統(tǒng)配合，可以很容易地實現(xiàn)材料的數(shù)控精細(xì)加工。激光加工屬于非接觸加工，無機(jī)械加工變形，因此納秒脈沖激光去除銑削后木浮雕表面產(chǎn)生的不規(guī)則毛刺是完全可行的，可以在一定方向和微小面積上集中極大的能量，將木材表面的毛刺燒蝕干凈［4］。

設(shè)激光發(fā)光源的直徑為D，光束半發(fā)散角為θ，透鏡的焦距為f，聚焦面上的光點(diǎn)半徑為r，則r、f和θ之間有下列的近似關(guān)系［5］：

式中：dA為聚焦面的單元面積；dN為輻射通量。

激光器的激發(fā)點(diǎn)是圓孔，但由于材質(zhì)和分布等原因，激光的聚集點(diǎn)呈現(xiàn)的并不是圓的，但為了近似地說明激光功率的聚焦性，本文以紅寶石激光器產(chǎn)生的脈沖振蕩為例，取其平均峰值輸出功率N=107W、θ=10-2rad、f=100 mm，則功率密度的平均值可以達(dá)到1010kW/m2，即 104kW/mm2，也就是在 1 mm2的面積共有上1萬kW的能量，這將使木材瞬間完全氣化。

光點(diǎn)的直徑d為：

由于受激光輸出功率或光束模式的影響，在材料的照射部位總有部分區(qū)域的光束功率密度低于蒸發(fā)所需要的。此外，在蒸發(fā)過程中形成了易燃和不燃的氣體，產(chǎn)生了水蒸氣，還殘留了一些沒有蒸發(fā)掉的焦炭，這些物質(zhì)進(jìn)一步燃燒，產(chǎn)生的熱量加速燒蝕過程的進(jìn)行。對于各類激光光源來講，光束的傳送形式不同，d值的計算方法也略有不同，最小的焦斑直徑為：

式中：λ為激光的波長。

實際木材的燒蝕過程差不多在蒸發(fā)機(jī)制的同時都伴有燃燒過程的發(fā)生，這是因為蒸發(fā)機(jī)制雖然具有高效率，但需要高的激光功率密度，在直徑為d的聚焦面上的功率密度為：

3 激光設(shè)備的設(shè)計

▲圖2 實驗采用的激光加工實驗平臺

雖然目前國內(nèi)外還沒有研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)將激光加工技術(shù)應(yīng)用到浮雕家具和雕刻木門的拋光打磨中，但其在木制品的雕刻上已經(jīng)應(yīng)用多時，現(xiàn)在生產(chǎn)的激光雕刻機(jī)已經(jīng)將激光雕刻和數(shù)控技術(shù)完美地結(jié)合在一起了，實現(xiàn)了木制品雕刻的自動化。因此完全可以將激光加工技術(shù)拓展開來，應(yīng)用到浮雕家具和雕刻木門的拋光打磨中。考慮到本文方案的要求，并基于激光加工的特點(diǎn)、板材工件固定的需要以及成本要求，本研究中的激光設(shè)備要求有如下性能特點(diǎn)。

（1）縮短人工輔助測量時間、提高效率；（2）各零部件運(yùn)動平穩(wěn)，安全可靠；（3）激光頭轉(zhuǎn)動方向、距離及高度可數(shù)控調(diào)整以滿足工藝要求；（4）加工工序相對集中，自動化程度高，適用于不同規(guī)格板材的加工。

針對上述要求本研究設(shè)計了納秒脈沖激光加工試驗平臺，該平臺采用10 mm厚的高強(qiáng)度鋼板為基礎(chǔ)平臺，在平臺上通過螺紋連接的形式集成了相關(guān)附件。其中激光設(shè)備電源采用JDW3-250型激光電源，并應(yīng)用PWF-200型國產(chǎn)聚光腔，冷卻系統(tǒng)采用PH-LW06-BLP型激光冷水機(jī)，激光器采用YAG激光器，聚焦系統(tǒng)采用一系列光學(xué)鏡片組合而成，激光的激發(fā)是以納秒級為單位，這種激光可以避免木材表面局部過熱，并減小熱影響區(qū)。該平臺的具體組成如圖2所示。

4 實驗參數(shù)對木材加工的影響

為了驗證激光加工實驗平臺對木材加工的效果，本文采用了不同的加工速度進(jìn)行加工實驗，并測試改變激光器的輸入電流對加工深度的影響。實驗選取家具制造中常用的樺木科中的榿木為試材，首先在木工機(jī)床上把試件加工成大約為100 mm×80 mm的小木塊，然后分別在3 cm/s和5 cm/s的加工進(jìn)給速度下進(jìn)行木材加工實驗，觀察輸入電流對加工深度的影響，并且加工的時候順著木材紋理的方向進(jìn)行加工，實驗結(jié)果如圖3和圖4所示。從兩個圖中的曲線可以觀察到在3 cm/s和5 cm/s的加工速度下，加工深度并不是隨著輸入電流的增大而一味呈現(xiàn)線性變化，而是當(dāng)輸入電流達(dá)到20 mA時出現(xiàn)深度拐點(diǎn)，說明輸入電流對木材的加工深度會有很大的影響。

5 結(jié)束語

▲圖4 榿木在切削速度為5 cm/s時，切削電流與切削深度的關(guān)系

▲圖3 榿木在切削速度為3 cm/s時，切削電流與切削深度的關(guān)系

本文提出了用納秒脈沖激光加工木材表面的設(shè)計方案，闡述了激光與木材作用的機(jī)理，提出了一種納秒脈沖激光加工試驗平臺，并進(jìn)行了激光燒蝕木材的初步試驗，取得了一定的研究成果，為納秒脈沖激光在木浮雕表面拋光中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 李賜生.木家具的砂磨技術(shù)和設(shè)備 ［J］.家具，2000（5）:14-15.

［2］ 付齊江.實木門加工工藝研究及重點(diǎn)［J］.國際木業(yè)，2006（6）:19-22.

［3］ 沈文榮.關(guān)于影響砂光成本若干因素的分析［J］.中國人造板， 2007（12）:16-20.

［4］ 金岡優(yōu),付長德.最新的激光加工技術(shù) ［J］.電氣制造，2007（3）:40-44.

［5］ 樸永守.木材特種切削加工［M］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，1990.