CO2激光切割亚克力板材的应用研究

曾俊皓

（华南理工大学广州学院，广州 510800）

CO2激光切割亚克力板材的应用研究

曾俊皓

（华南理工大学广州学院，广州 510800）

激光切割由于切口光滑、速度快、精度高、能一次成型、无需二次加工，节约了大量的时间和工序流程，CO2激光器切割非金属板材得到了广泛的应用，再配合亚克力板的优良激光切割特性，可以快速地实现从图样设计到原型机制造。文中从实践中出发，通过介绍优化亚克力零件的结构设计、提高激光切割下料利用率、选择专用的亚克力胶水、亚克力板的切割参数设置、切割后亚克力边角料重用、激光切割亚克力板制造原型机在大学生竞赛和项目的良好效果等应用，给广大工程人员提供一定的参考。

CO2激光切割；亚克力板；应用

0 引言

激光切割以其切割材料范围广、切割速度快、切缝窄、切割质量好、热影响区小、加工柔性大等优点在现代工业中得到了广泛的应用，激光切割技术也成为激光加工技术中最为成熟的技术之一。在中低型功率的切割机上，CO2激光器更是占了绝大部分的份额。

亚克力板就是聚甲基丙烯酸甲酯板材，也叫PMMA（Polymeric Methyl Methacrylate），它是一种可塑性高的分子材料，具有较好的透明性、化学稳定性和耐候性，易染色、易加工、外观优美，激光切割性能优异。

笔者在指导本科生参加机械类竞赛和项目实践中体会到，想要快速地把图样中所设计的机构制作成实物原型机，可以采用以下的方法：设计图样的时候全部采取板材拼接的形式，用计算机平面软件按照不同的板材厚度排版，把排版好的图样输入到CO2激光切割机中，切割不同厚度的亚克力板，然后把切割出来的亚克力板零件通过粘接或者螺栓连接的形式装配起来，就可以制造出一个原型机了。这种方法与传统的机械加工（车、铣、刨、磨、钻等）相比，大大缩短了原型机的制造时间，而且方便易用。本文介绍了CO2激光切割亚克力板材的方法与应用。

1 用于激光切割的亚克力零件结构设计

1）对于需要拼接的零件边缘，设计成凹凸锯齿状，便于拼接时定位和扩大粘贴接触的面积，如图1所示。

2）常用于做结构件的亚克力板厚为3 mm、5 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm。推荐尽量使用厚度为3 mm和6 mm的亚克力板来完成设计，适当增加肋板支撑来提高原型机的刚度（如图2所示），而不是只通过增加亚克力板材的厚度来增加刚度，避免材料浪费。厚度为3 mm和6 mm的亚克力板的性价比较高，而且板材越厚自重也越大，有时候选择过厚的板材会因为自重过大，反而降低了原型机的刚度。

3）在零件中设计圆孔的时候，圆孔直径d推荐值为

式中，D为板材厚度，D≤12 mm。

如果圆孔设计得太小，而板厚又较大时，圆孔的切割质量就会比较差。用最大输出功率为120 W的CO2激光器，在厚度为12 mm的亚克力板上切割直径为3 mm的孔，在不断调整切割速度和切割能量后，都不能取得满意的切割质量，出现了圆孔变形、圆孔底部出现熔融物等问题，把圆孔直径扩大到10 mm时就能取得较满意的切割质量。出现这种现象的原因，是因为在激光切割的过程中，激光能量是从板材的上表面传递到底部的，当板材比较薄的时候，能量的传递比较迅速，位于板材上表面和底部的材料都能够几乎同时地吸收足够的能量而瞬间汽化；当板材比较厚又要切割小孔的时候，位于板材上表面的材料有足够的能量可以直接汽化，但是位于底部板材吸收能量的时间要比上表面的长，再加上切割小孔导致热量堆积在局部小范围中，底部的亚克力没来得及汽化，而是液化了，就成为熔融物并留在底部的边缘。

图1 凹凸锯齿状排版便于拼接

图2

2 激光切割前对图样进行排版优化，提高亚克力板材下料利用率

1)零件之间的距离尽可能窄，争取在一个幅面内尽可能地多排版零件，但是零件之间又不能排得过于紧密，否则激光切割时候的热影响区会影响临近待切割的零件。零件之间的距离L推荐值为

式中:D为板材厚度，D≤12 mm；k取值范围是0.25～0.5，k值的取值随着板材增加而变小，根据具体的切割情况来调整。

一般板材为3 mm的板，零件之间的距离为1.5 mm较为合适，如图3所示。

2）小零件与大零件放在一起套料切割。在原型机的制造中，肯定有大小不一的零件。由于零件自身的特点，许多大零件的内部需要去掉材料的，如果将小零件尽可能地套在大零件要切去的地方进行切割，可大大提高亚克力板的利用率。如图3所示。

3）当切割非常规则的零件时候，如矩形、三角形等，可以采取共线排版，让零件边缘之间共享一条线，切割的时候只需要走刀一次，就能够同时切割两条边，减少走刀次数，也使得零件之间的距离减少到零，达到节省材料、节省加工时间的效果。如图4所示。但是共线排版也有自身的缺点，就是随着切割板材厚度的增加，会导致切割质量的下降，这是因为随着板厚的增加，切缝宽度会增加。这里推荐的能做共线排版的板厚≤6 mm。

图3 密集的排版和小零件嵌套在大零件中切割

图4 共线排版

3 亚克力板的切割参数设置

对于切割参数的设置，主要就是两个：切割速度，切割能量。这两者需要配合好才能够产生好的切割质量。激光切割能够把亚克力板切割穿透，就是在单位时间内板材吸收了足够的能量从而汽化，所有这两个参数的配合大体有以下两种思路：1）低切割功率，慢切割速度；2）高切割功率，高切割速度。如果采取第一种切割思路，板材是可以切割穿的，但是采取这种切割参数的时候，会导致热量在局部聚集时间过长，导致热影响区增大，切割质量不好，亚克力板上容易产生熔融物。所以这里推荐第二种切割思路，在切割机的功率允许下，尽可能地把切割功率调到最高（由于各个厂家生产的激光发生器的最可允许值都不一样，参照厂家提供的建议值为准），再调节切割速度，从高速度开始尝试切割，过快的速度不能切穿板材，调节到能切割穿板材的为好。

4 用于亚克力板材粘接的胶水选择

切割出来的亚克力板零件，一般是通过胶水来粘接在一起从而形成装配体。市面上可以选择的胶水非常多，这里推荐使用亚克力专用胶水，而不是使用万能型的502胶或AB胶等。亚克力专用胶水所用的是溶剂型黏合剂，其粘接原理是依靠腐蚀亚克力表面使二表面熔接在一起，所以此种胶水粘接后的粘接面是非常牢固的。选择好合适的亚克力板粘接胶水很重要，因为切割出来的零件大部分都是依靠胶水粘接在一起的，如果粘接强度差就会影响整个构件的强度。

5 切割后亚克力板边角料的回收与重用

每次激光切割加工完后，剩下的边角料要及时回收和整理，以便下次加工时候能够重用。亚克力板材除了有透明之外，还有其他不同的颜色，所以边角料可以按照板材厚度和颜色来做不同的归类摆放。摆放的时候要注意板材的平放，不要倚靠墙边斜放，否则会因为板材自身重力而导致板材弯曲，影响切割加工质量。而且边角料必须和完整的板材摆放在同一个区域，下次加工的时候要求优先考虑领取边角料，以增加边角料的重用率。

6 激光切割亚克力板制造原型机在大学生竞赛和项目中取得良好效果

笔者指导大学生参加机械类竞赛时，发现使用激光切割亚克力板制造原型机是个很好的方法，学生能较好较快地掌握激光切割的方法和技巧，加工难度比传统的机械加工要低，加工速度快，大大缩短了原型机的制造时间，方便易用。特别对于大一的机械类专业的学生，许多积极踊跃的学生都会参加各种校内外的竞赛和项目，他们自己有许多好的想法和点子，计算机三维建模设计之后希望能够物化，使设计成为实物，那就需要加工，要他们在短时间内掌握各种传统机械加工机床是不太可能的，但是掌握使用激光切割机就比较适合了。最主要的是学生快速做出实物之后，能有很大的自我满足感，给予了他们很大的鼓励，也促进了他们在竞赛中走得更远，走得更好。而且操作激光切割机床的危险性也较低，也很适合在大专院校推广使用。

激光切割亚克力板所制造原型机在大部分情况下强度是足够的，可以满足竞赛的要求，经过若干次设计优化迭代之后，亚克力板拼接起来的机构可以直接作为竞赛的正式作品来参赛。如果亚克力板的强度不足够，可以在快速制造原型机验证功能之后，重新用金属或其他材料去制造最终的参赛作品，可以达到更好的效果。激光切割亚克力板制造的原型机，无论是否最终以这种结构形式作为参赛的正式作品，在设计加速过程中都起了很大的作用。

7 结语

激光切割由于切口光滑、速度快，精度高，能一次成型，无需二次加工，节约了大量的时间和工序流程，再配合亚克力板的优良激光切割特性，可以快速地从图样设计到制造原型机。本文通过介绍优化亚克力零件的结构设计、提高激光切割下料利用率、选择专用的亚克力胶水、切割后亚克力边角料重用、激光切割亚克力板制造原型机在大学生竞赛和项目的良好效果等应用，给广大工程人员提供一定的参考。

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Study on the Application of CO2Laser in Cutting Acrylic Sheet

ZENG Junhao
(Guangzhou College ofSouth China UniversityofTechnology,Guangzhou 510800,China)

Laser cutting has a wide range of applications because of its smooth notch,high speed and high precision process.It can realize one-step forming which can save a lot of time and process flow.So CO2laser is widely used to cut non-metallic sheet.Excellent laser cutting characteristics of acrylic sheet can shorten the processing time from design to prototype manufacturing.This paper introduces the optimal design of the acrylic parts structure to improve the utilization rate of laser cutting.The special acrylic glue and acrylic plate cutting parameters are selected.After cutting,the acrylic scrap is reused.Laser cutting acrylic board manufacturing prototypes are used in college students competitions,and the project works well.This provides a certain reference for engineers.

CO2laser cutting;acrylic sheet;application

TG 665

A

1002－2333（2018）01－0112－03

（编辑立 明）

曾俊皓（1990—），男，工程硕士，助理实验师，主要从事机械工程及自动化技术的实践教学。

2017-04-25