非金屬薄膜材料激光切割工藝技術(shù)研究

陳祖豪 徐標(biāo) 郝軍

摘要：本文介紹了目前加工非金屬薄膜襯墊的方法，以及傳統(tǒng)加工方法所帶來的困難;通過對(duì)激光切割原理的分析，探討了激光切割技術(shù)用于非金屬薄 膜材料加工上的優(yōu)勢(shì)和可行性，并通過非金屬材料的激光切割試驗(yàn)，證明激光切割技術(shù)可以較好的解決襯墊加工難題，能夠滿足非金屬薄膜材料切割成形的技術(shù)要求和精度要求。

關(guān)鍵詞：非金屬材料;薄膜材料;激光切割

中圖分類號(hào)：BJ84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-9129（2017）09-048-02

Abstract：Thispaperintroducesthemethodofprocessingnon-metallicfilmlineratpresent，andthedifficultiesoftraditionalprocessingmethods.Throughthe analysisoftheprincipleoflasercutting，theadvantagesandfeasibilityoflasercuttingtechnologyusedintheprocessingofnon-metallicmaterialsarediscussed，and through the laser cutting test of non-metallic materials， it is proved that laser cutting technology can solve the problem of liner processing batter， it can meet the technicalrequirementsandprecisionrequirementsforthecuttingofnon-metallicfilmmaterials.

Keywords：nonmetalthin-filmmateriallasercutting

1 引言

隨著軍事領(lǐng)域信息化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)抗惡劣環(huán)境電子產(chǎn)品的需求也不斷增大，在這些電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的具有屏蔽密封、導(dǎo)熱、絕緣等保護(hù)功能的非金屬薄膜襯墊的產(chǎn)量也越來越大，這些襯墊的厚度范圍在 0.1mm～2mm 之間，所用的非金屬材料包括：導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)熱橡膠、硅橡膠、聚氨酯泡棉、滌綸紙等，而且不同的應(yīng)用場(chǎng)景所用的襯墊規(guī)格形狀也不同，種類繁多，有些襯墊外形復(fù)雜，采用常規(guī)工藝加工成本高，周期長(zhǎng)， 精度差，因此我們必須要尋找一種高效、精密的非金屬材料切割加工工藝來解決此類問題。通過查閱相關(guān)資料，比較多種工藝技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)激光切割工藝技術(shù)可以較好的解決上述問題。

2 目前的工藝現(xiàn)狀

目前我們針對(duì)這種異形非金屬薄膜材料襯墊的加工方式有以下兩種： 一是由操作工人參照?qǐng)D紙，用手術(shù)刀、鋼直尺等工具直接在原材料上手工劃出形狀，這種方法適用于形狀較簡(jiǎn)單，數(shù)量較少的零件，同時(shí)這種加工方法對(duì)操作工人的技術(shù)要求較高，具有耗費(fèi)時(shí)間精力大，加工精度差，廢品率高等缺點(diǎn)。二是采用模具成型，由工藝設(shè)計(jì)師根據(jù)零件圖樣中的尺寸及技術(shù)要求，設(shè)計(jì)沖壓模具，通過氣動(dòng)沖壓機(jī)沖壓出襯墊零件的形狀，這種方法加工的零件精度較高，互換性好，加工效率較高，但設(shè)計(jì)和加工模具所需周期較長(zhǎng)，成本較高，且對(duì)于一些形狀較為復(fù)雜的、一次沖壓不能成型的零件，還需要采用復(fù)合模具加工，這對(duì)于批量較小，種類繁多的產(chǎn)品時(shí)，采用模具加工無法滿足及時(shí)快速加工的要求，具有一定的局限性。

3 激光切割工藝技術(shù)

3. 1 激光切割原理

激光切割工藝技術(shù)通過激光器中發(fā)射出的激光，經(jīng)光路系統(tǒng)，聚焦成高功率密度的激光束，激光束照射到工件表面，使工件達(dá)到熔點(diǎn)或沸點(diǎn)， 同時(shí)與光束同軸的高壓氣體將熔化物或氣化物吹走。隨著光束與工件相對(duì)位置的移動(dòng)，最終在薄板材料上形成 0.1mm～0.3mm 寬的切縫，從而達(dá)到切割的目的。根據(jù)不同的激光器中產(chǎn)生的不同頻率激光，可以分別對(duì)金屬或非金屬材料進(jìn)行切割成形加工。用激光光束代替了傳統(tǒng)的機(jī)械刀具， 在切割工作中激光刀頭的機(jī)械部分與工件無接觸，不會(huì)對(duì)工件表面造成劃傷;同時(shí)激光切割速度快，切割熱影響區(qū)小，板材變形小，切縫窄

（0.1mm～0.3mm）;切口沒有機(jī)械應(yīng)力，無剪切毛刺，切口光滑平整，一般無需后續(xù)加工。激光切割工藝技術(shù)通過數(shù)控編程，可加工任意形狀的平面圖形，對(duì)復(fù)雜形狀的零件可以實(shí)現(xiàn)快速切割加工，加工的精度高，重復(fù)性好， 無需開模具，具有經(jīng)濟(jì)省時(shí)，加工成本低等特點(diǎn)。

激光切割是熔化與汽化相結(jié)合的過程，影響其切割質(zhì)量的因素主要包 括硬件因素和軟件因素。硬件因素主要指機(jī)床、加工材料等，而軟件因素主 要是計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，具體包括：切割初始位置或打孔點(diǎn)的選擇;主要切割路徑的設(shè)置;輔助切割路徑的設(shè)置;激光束半徑補(bǔ)償和空 行程處理;加工工件的優(yōu)化排樣;考慮實(shí)際加工因素后的路徑優(yōu)化。

3.2 激光切割非金屬薄膜材料的原理

本文所涉及的非金屬薄膜材料主要包括導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)熱橡膠、硅橡膠、聚氨酯泡棉、滌綸紙等，裁切過程中采用激光進(jìn)行切割屬于激光切割

非金屬材料，切割機(jī)理為汽化切割。非金屬材料是波長(zhǎng)為10.6μm的

CO2激光束的良好吸收體，由于材料的導(dǎo)熱率小，熱量的傳導(dǎo)損失很小，能吸收絕大部分入射光束能量，并很快使材料蒸發(fā)，由光斑照射處形成起始孔洞，進(jìn)入切割過程。汽化切割是指當(dāng)高功率密度的激光照射到工件表面，材料在極短的時(shí)間內(nèi)被加熱到汽化點(diǎn)，部分材料化作蒸汽逸去，形成 割縫。對(duì)于低熔點(diǎn)非金屬材料，控制好激光切割工藝參數(shù)，可以獲得無毛刺的底邊，切縫光滑、平整;對(duì)非金屬材料進(jìn)行切割時(shí)需注意防護(hù)切割過 程中生成的有害氣體。

4激光切割非金屬薄膜材料的優(yōu)勢(shì)

激光切割作為工業(yè)切割加工中較為先進(jìn)的切割方法，同時(shí)也是激光加工技術(shù)中最為成熟的技術(shù)之一，將其應(yīng)用在非金屬薄膜材料的裁切工藝中，替代落后的手工裁切方式，能夠體現(xiàn)出如下的眾多優(yōu)勢(shì)：

1） 激光切割作為一種無接觸切割，切割過程中無機(jī)械擠壓和沖切，不會(huì)對(duì)非金屬薄膜材料造成擠壓和彎折，非金屬薄膜材料無機(jī)械變形，邊緣無褶皺。

2） 激光切割的功率密度高，切縫寬度小，切割邊界整齊，無毛刺;由于激光作用時(shí)間短，工件周邊的熱影響區(qū)小;同時(shí)針對(duì)不同的材料，均可進(jìn) 行切割，適應(yīng)性強(qiáng)。

3） 激光切割非金屬薄膜材料時(shí)，不存在傳統(tǒng)裁切中的刀具磨損問題， 故可以省去刀具維護(hù)和換刀的成本。

4） 激光切割時(shí)只需定位，不需要夾緊、劃線等工序，因而非金屬薄膜 材料無機(jī)械應(yīng)力及表面損傷。

5） 采用激光切割對(duì)非金屬薄膜材料進(jìn)行裁切，無需定制模具。既可以 進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)切割，也可以進(jìn)行單個(gè)體、小數(shù)量非金屬薄膜材料的成形切割。

6） 采用激光切割對(duì)非金屬薄膜材料進(jìn)行裁切，可使裁切脫離模具的限制，將切割系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)和 CAD 軟件相結(jié)合，能夠完全自主地控制切割路徑，可以裁切任意復(fù)雜形狀的襯墊邊界，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方式無法切割的邊界或形狀，具有無限的仿形切割能力。尤其針對(duì)異形襯墊外形的不規(guī)則、多變化與復(fù)雜性，同時(shí)可能存在單件、小批量的試制，傳統(tǒng)的手工裁切方式難以實(shí)現(xiàn)裁切的精確性與復(fù)雜適應(yīng)性，這使得激光切割的優(yōu)勢(shì)在非金屬薄膜材料襯墊的裁切中體現(xiàn)得更加淋漓盡致。

5 激光切割非金屬薄膜材料的實(shí)例

我們用激光切割機(jī)對(duì)導(dǎo)電橡膠板、導(dǎo)熱橡膠板、硅橡膠板、滌綸薄膜、聚酰亞胺薄膜、聚氨酯泡棉等 6 種材料進(jìn)行了切割試驗(yàn)，襯墊零件加工后的照片見圖 1。從加工后的實(shí)樣上能夠看出，對(duì)于矩形、圓弧、圓孔等形狀的切割，無論是 0.1mm 厚度的聚酰亞胺薄膜，還是 2.1mm 厚度的聚氨酯泡棉，都有良好的切割效果。特別是聚氨酯泡棉的切割邊緣光滑平整，避免了毛邊，切屑?xì)埩舻葐栴}，能有效減少多余物的產(chǎn)生。

材料院導(dǎo)電橡膠板 材料院硅橡膠板 材料院聚氨酯泡棉板

厚度院0.8mm 厚度院1.2mm 厚度院2.1mm

6 結(jié)束語

本文通過對(duì)激光切割原理的分析，探討了激光切割技術(shù)用于非金屬薄膜材料加工上的可行性和優(yōu)勢(shì)，并通過非金屬材料的激光切割試驗(yàn)，證明激

圖 1 激光切割加工的襯墊零件

光切割工藝技術(shù)可以較好的解決異形非金屬薄膜襯墊在成形加工中面臨的 一些難題，能夠滿足非金屬薄膜材料切割成形的技術(shù)要求和精度要求。

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