激光加工樺木切削效果分析

梁鵬鵬 吳俊華 趙洪剛 王卿平 劉明利

（北華大學(xué)吉林省木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點實驗室，吉林省吉林市 132013）

激光能量具有高度集中、加工速度快、在加工過程中不會對材料造成機械擠壓和機械應(yīng)力等優(yōu)點，因而激光加工成為加工業(yè)中最常用及最重要的生產(chǎn)加工方式之一[1-7]。然而，目前有關(guān)激光在木材加工業(yè)的應(yīng)用研究不多，涉及到技術(shù)參數(shù)方面的研究較少[8-11]。在生產(chǎn)中激光切削主要根據(jù)個人經(jīng)驗試切后再加工[12-18]，而木材材性復(fù)雜，經(jīng)驗又有一定的局限性，因此需經(jīng)過大量試驗進一步揭示其規(guī)律[19-23]。鑒于此，本研究針對激光切割樺木作為拼花地板表板的工藝[24]，分析激光機技術(shù)參數(shù)中的進給速度、激光光強對樺木切削效果的影響規(guī)律，并在其中引入變化率的研究方法。

1 材料與方法

1.1 材料

樺木（Betula），采自大興安嶺，在東北室內(nèi)干燥環(huán)境下存放多年，含水率約為11%，尺寸為200（ L） mm ×200（ T） mm × 10（ R） mm，弦切面。順紋切削，激光切削長度190 mm。

1.2 設(shè)備

CMA1390型CO2激光切割機，廣東大族粵銘激光科技股份有限公司；VHX-2000型超景深三維顯微系統(tǒng)，基恩士公司。

1.3 試驗方法

1） 激光機技術(shù)參數(shù)對切削效果影響復(fù)雜，本文以樺木為試材，選取激光機光強、進給速度為影響因素，進行單因素試驗，分析兩者對樺木切削效果的影響規(guī)律。切縫切削效果取切縫深度（縫深）、切縫寬度（縫寬）、單側(cè)表面切削炭化影響區(qū)寬度（切縫邊緣附近木材被炭化距離），因切縫形狀不規(guī)則，縫寬和影響區(qū)寬度均取較大值的表面處。并引入了變化率的概念，分析光強和進給速度兩因素變化對切削效果的影響程度。數(shù)據(jù)根據(jù)優(yōu)先數(shù)系理論取值，光強近似按1.6公比，進給速度前兩個公比近似按1.6取值，第3個公比為1.25，以體現(xiàn)不同的速度變化率。結(jié)合前期經(jīng)驗，將激光噴嘴到試件的垂直距離固定為6 mm，在光強分別為35%、60%、100%時，進給速度取30、50、80、100 mm/s，采用縱橫向比較的方法[25-26]對數(shù)據(jù)進行處理和分析。

2） 切縫檢測因其過于窄小難以采用常規(guī)手段，因此切削后在試件不同部位橫向截斷，以非接觸方式在VHX-2000型超景深三維顯微系統(tǒng)下放大觀察測量，精度1 μm。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同技術(shù)參數(shù)下的切削效果

以不同光強、進給速度對樺木進行激光切削，結(jié)果如表1所示。

表1 樺木在不同光強、進給速度下的切削效果Tab.1 Cutting effect of birch under different light intensity and feed speed

（續(xù)表1）

2.2 不同光強下進給速度對切削效果的影響

根據(jù)表1，結(jié)合縱橫向比較法，提取相同光強下進給速度對切削效果的影響并繪制曲線圖，如圖1所示。

分析圖1可知，在中低光強（35%、60%）時，不同進給速度對縫深的影響規(guī)律相近，以進給速度80 mm/s為界，先增后減。在大光強（100%）時，縫深隨著進給速度增加而減小。在中低光強下，不同進給速度對縫寬的影響規(guī)律相近，隨著進給速度增加，縫寬變小。在大光強下，縫寬呈波動形式變化，但變化程度較小?？傮w來說，光強對單側(cè)表面炭化影響區(qū)寬度影響較小，進給速度越高，波動越小。當(dāng)光強為100%，速度為50 mm/s或光強為60%，速度為30 mm/s時，影響區(qū)寬度較大，其他情況下變化較小，波動也小。

在同一進給速度下，隨著光強增加，縫深增加，但在超過80 mm/s后，增加程度有限，即在高進給速度下，光強影響變?nèi)酢?/p>

用激光切削樺木，本質(zhì)上還是木材的燃燒反應(yīng)，光強體現(xiàn)的是激光能量，進給速度則體現(xiàn)的是激光作用時間。在中小光強下，進給速度越小，作用時間越長，參與燃燒的樺木越多，切縫處樺木向兩側(cè)擴散燃燒，造成縫寬大、縫深小的現(xiàn)象。但進給速度超過80 mm/s時，作用時間過短，樺木來不及燃燒，參與燃燒的樺木減少，因此縫深和縫寬均變小。而大光強下，激光能量充足，進給速度影響變?nèi)?，隨著進給速度增加，縫深一直變小，但縫寬出現(xiàn)波動，激光能量與樺木擴散燃燒速度綜合作用決定了切削效果。在生產(chǎn)中可以根據(jù)所需的切削效果選擇合適的技術(shù)參數(shù)組合，例如對含水率11%的樺木進行切削加工，要求獲得的切縫深度約為2 000 μm、切縫寬度約為300 μm及較窄的切縫單側(cè)表面炭化寬度（30～50 μm）時，為最大程度提高生產(chǎn)率，可采用較高的進給速度80 mm/s，并對應(yīng)選擇激光強度為60%。

由圖1可知，各種變化規(guī)律均不成正比例函數(shù)形式。趨勢變化情況說明，激光機技術(shù)參數(shù)之間存在交互作用，與木材的燃燒特性也存在交互作用，因此需進一步研究激光機技術(shù)參數(shù)的選擇與切削效果之間的變化規(guī)律。

圖1 一定光強下進給速度對切削效果影響Fig.1 Influence of feed speed on cutting effect under certain light intensity

2.3 變化率分析

本研究運用變化率（變化量）的概念對數(shù)據(jù)進行進一步處理，從變化程度，即隨著激光機技術(shù)參數(shù)變化，切削效果值變化快慢角度進行分析。為簡化規(guī)律，易于觀察，不考慮交互作用，僅考慮單因素變化。

變化率在單因素變化規(guī)律分析中為切削效果變化量對原效果值的比值，公式如下：

式中：δ為變化率，無量綱；L為下一次切削效果值，mm；L0為原切削效果值，mm。

由于式中分子變化量減小時為負(fù)值，不便于分析，因此在公式（1）中加1，為絕對變化量，即

根據(jù)公式（2）對數(shù)據(jù)進行進一步處理，分析在光強相同時各種切削效果隨進給速度變化量的規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，圖中縱坐標(biāo)均為變化率；橫坐標(biāo)為變化次數(shù)。其中，1、2點進給速度的增加速率均近似為公比1.6，變化速率相近；3點為1.25，增加速率下降。曲線轉(zhuǎn)折點對應(yīng)變化量值大于1表示下一次相應(yīng)的切削效果比原值大，即為增加速率，小于1為減小速率。曲線上揚表示速率變化程度變大，下降表示速率變化程度變小，曲線陡峭程度表示速率變化程度快慢。

從圖2可見，隨著進給速度增加，但增加速率下降的情況下：

圖2 一定光強下切削效果與進給速度變化率對比Fig.2 Comparison of cutting effect and change rate of feed speed under certain light intensity

1）在光強為35%時，縫深速率曲線與進給速度速率變化曲線近似平行，說明兩者變化程度近似成正比例?？p深速率曲線先緩慢增加而后快速減小，縫深絕對值為先增加而后減小，轉(zhuǎn)折點在第2點，進給速度80 mm/s處。同理，以第2點為轉(zhuǎn)折點，縫寬初期與進給速度近似成正比變化，后期為反向比例變化?？p寬絕對值一直在減小，但到第3點開始接近不變。影響區(qū)寬度與進給速度不成比例變化，其絕對值為先增后減規(guī)律。

總體上，縫深在第二次變化后（進給速度大于80 mm/s）小于1，表示其絕對值開始減??；縫寬速率曲線初期平緩，后期增大較快，接近于1，隨著進給速度的增加，縫寬先緩慢減小而后回升，最終其寬度變化接近于不變；影響區(qū)寬度變化始終減小。也就是說進給速度80 mm/s時是各種切削效果變化的轉(zhuǎn)折點。

2）在光強為60%時，隨著進給速度增加，但增加速率下降情況下，縫深先增后減，減小速率大，縫寬卻是先減后增，影響區(qū)寬度增加，但速率變小，3個切削效果的波動都較大。

3）在光強為100%時，隨著進給速度變化，縫深接近于不變?？p寬和影響區(qū)寬度均為先減后增，且波動較大。

同理，在進給速度相同情況下，分析光強變化對切削效果的影響：

1）在進給速度為30 mm/s和50 mm/s時，隨光強增加，縫深和縫寬緩慢增加，影響區(qū)寬度呈波動變化。

2）在進給速度為80 mm/s時，隨光強增加，縫寬緩慢增加，縫深和影響區(qū)寬度呈波動變化。縫深先增后減，影響區(qū)寬度先減后增，其波動較大。

3）在進給速度為100 mm/s時，隨光強增加，縫寬緩慢增加，縫深和影響區(qū)寬度呈波動變化，均為先減后增，影響區(qū)寬度波動較大。

3 結(jié)論

1）激光機技術(shù)參數(shù)中光強、進給速度兩個因素對切削效果的影響均非單調(diào)，而是存在交互作用，其規(guī)律還需大量試驗加以細(xì)化。本文在規(guī)律分析中提出了變化率的概念，有助于分析激光機技術(shù)參數(shù)對切削效果的影響程度，以更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。

2）切削條件不同，產(chǎn)生的切削效果差別也較大。在生產(chǎn)中可以根據(jù)所需的切削效果選擇合適的技術(shù)參數(shù)組合，如需取得較大縫深、較小縫寬和影響區(qū)寬度，可以取光強為60%，進給速度為80 mm/s，在此條件下生產(chǎn)效率和功率消耗較為合理。如作雕刻加工，則采取小光強、大進給速度組合更為合理。

3）木材在激光作用下，產(chǎn)生極速燃燒，與普通燃燒存在較大差異，其變化規(guī)律和機理仍有待更深層次的研究。