基于正交试验的激光切割机穿孔工艺参数优化

2018-01-24朱鹏程薛华军吴许祥吕金鹏凌步军

锻压装备与制造技术 2017年6期

朱鹏程，薛华军，吴许祥，吕金鹏，凌步军

（江苏亚威机床股份有限公司江苏省金属板材智能装备重点实验室，江苏扬州 225200）

近年来激光行业发展迅速，我国光纤激光切割成套设备已进入快速增长期，光纤激光切割机正逐渐改变着传统的加工模式，并以其加工速度快、使用成本低、加工精度高等优势，受到越来越多企业的青睐。随着市场需求的变化，低功率的光纤切割机已不能满足市场更厚的板材加工、更快的切割速度的要求，高功率的光纤激光切割机正逐渐成为国内外市场的宠儿，高功率的光纤激光在切割技术上应用也越来越多。不同于薄板穿孔，厚板穿孔更易出现爆孔、穿孔熔渣过多等情况，对工艺参数的要求更苛刻。本文在我司配置美国IPG6kW激光器及德国HIGHYAG-ZOOM切割头（调焦变光斑）的HLF系列机床上，运用正交试验设计方法进行切割试验，在最少时间及成本消耗下，得到最优的穿孔工艺参数。

1 试验材料、设备和方法

1.1 试验材料与化学成分

选择厚度为16mm的0Cr18Ni9奥氏体不锈钢为材料，表面粗糙度为1μm，切割60mm×60mm的方块工件。材料化学成本如表1所示。

表1 0Cr18Ni9的化学成分表

1.2 试验设备

采用江苏亚威机床股份有限公司生产的HLF-2040激光切割机进行试验，如图1所示，该机床采用IPG公司生产的YLS-6000-CUT，BPP=3.78；切割头采用德国HIGHYAG-ZOOM切割头；准直镜片焦长100mm，聚焦镜片焦长150mm，焦距放大率M=1.2～3.2（ZOOM）。

图1 HLF2040激光切割机

1.3 试验方法

1.3.1 试验目的

获得16mm不锈钢最优的穿孔工艺参数。

1.3.2 试验因素

根据初步研究，有4个因素需要确定最佳参数：频率A，占空比B，ZOOM值C，焦点位置D。

第一次测试数据，设为A组，因素水平分布如表2所示。因素A频率500HZ～700HZ；因素B占空比30%～40%；因素C ZOOM值1.2～1.5；因素D焦点位置-9～-11。

表2 因素水平分布表(A组)

1.3.3 选用合适的正交表

选用L9（34）正交表，为4因素、3水平，共做9次试验。

1.3.4 试验结果

按选用的正交表将表2中的因素顺序上列，位极对号入座，然后进行试验，并得出试验结果如表3所示。

试验结果使用评分制。如图2所示。

表3 16mm奥氏体不锈钢激光穿孔正交试验表（A组）

图2 16mm不锈钢激光穿孔效果图（A组）

1.3.5 试验结果分析

（1）各因素对结果影响的重要程度。极差最大者即是对结果影响程度最大，极差最小者则影响程度最小，极差值=该因素位极均值最大值-位极均值最小值。如因素A频率的极差=K2-K1=2-1.5=0.5。由表4的极差值可见，在选定的4个因素的数值范围内，影响16mm不锈钢穿孔的因素重要程度依次为B→D→A→C。

（2）观察法。通过观察，发现第7个穿孔点最好，其穿孔工艺条件为A3B1C3D2。

（3）计算法。分别计算各因素每种水平位极均值，均值越大，该因素在此水平的工艺条件越好。以因素A为例，因素A位极均值K1=因素A在水平评分之和／试验次数，即K1=(S1+S2+S3)/3=(2+1.5+1)/3=1.5。同理B位极均值K2=(S2+S5+S8)/3=(1.5+2+1.3)/3=1.6

表4中，备注“★”为计算比较后，各因素最好的水平，综合后最好的穿孔工艺条件是A2B1C3D2。

（4）趋势分析。如图3所示。

图3 各因素随水平变化趋势分析图

由图可见，A因素和D因素的位极均值随水平先升高再降低，理论上范围已经确定，但是为进一步确定，可增大因素A和因素D的测试范围。因素B和因素C还有潜力可挖，增大范围进一步测试。

1.3.6 第二次测试

通过对第一次的测试的结果分析，改变各因素的测试范围，进行第二次正交测试。第二次测试数据，设为B组，选位极（水平），如表4所示。因素A频率500HZ～900HZ；因素B占空比20%～50%；因素C ZOOM值1.5～1.9；因素D焦点位置范围不变，依旧设为-9～-11。

表4 因素水平分布表(B组)

测试结果如表5所示。

试验结果按穿孔的质量打分量化。如图4所示。

表5 16mm奥氏体不锈钢激光穿孔正交试验表（B组）

图4 16mm不锈钢激光穿孔效果图（B组）

试验结果分析：

（1）因素对结果影响的重要程度。通过对表5极差值的比较，在选定的4个因素的数值范围内，影响16mm不锈钢穿孔的因素重要程度依次为B→A→D→C

（2）观察法。通过观察，发现第1个和第7个穿孔点最好，其穿孔工艺条件分别为A1B1C1D1、A3B1C3D2。

（3）计算法。同理，分别计算各因素每种水平位极均值。表4中，备注“★”为计算比较后，各因素最好的水平，综合后最好的穿孔工艺条件是A1B1C3D2。

（4）趋势分析。如图5所示。

图5 各因素随水平变化趋势分析图

由图可见，通过前2次测试，因素C ZOOM在进一步增大范围后，继续呈上升趋势，仍有潜力可挖，可再次进行增大范围测试。因素A频率和因素B占空比在改变范围后，呈连续递减趋势，但受机床参数限制，因此再次测试时，因素A范围不变，因素B范围可适当微调。因素D焦点通过前2次测试，发现焦点放在-10，穿孔效果较好，因此因素D固定设为-10。

1.3.7 第三次测试

通过对第一次和第二次的测试结果进行分析，改变各因素的测试范围，进行第三次正交测试。第三次测试数据，设为C组，选位极（水平），如表6所示。因素A频率500HZ～900HZ；因素B占空比20%～30%；因素C ZOOM值2～3；因素D焦点位置固定-10。

表6 因素水平分布表(C组)

测试结果如表7所示。

试验结果按穿孔的质量打分量化。如图6所示。

表7 16mm奥氏体不锈钢激光穿孔正交试验表（C组）

图6 16mm不锈钢激光穿孔效果图（C组）

试验结果分析：通过观察，经过前两次试验的总结，在进一步优化各因素的试验范围后，第三次穿孔整体效果都比较好，大部分的穿孔效果已满足后续激光切割的要求。其中又以第7个穿孔点最好，其穿孔工艺条件为A3B1C3。考虑到因素A、B和C已基本达到极限值，不能改变，综合评定，本次实验16mm不锈钢最好的工艺条件为：频率900HZ，占空比20%，ZOOM值 3.0，焦点 -10。