激光加工金工实训中提高加工精度探究＊

董建明，郝兴安，周俊波，钟柳花，王勇

（1.成都理工大学机电工程学院，四川成都 610059；2.成都航利航空科技有限责任公司，四川成都 610059）

现代制造技术里面，采用非机械能的特种加工技术占有比较重要的地位，而激光加工是不可或缺的制造方法[1]。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术[2]。激光加工对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

基于激光加工技术的优势，其在金工实训具有重要的意义，通过激光加工的实训，不仅使学生理解激光的特性基本定律，而且培养学生的思维能力和严谨的求学态度[3-4]。目前，大部分高校在激光实训教学内容仅讲解设备原理和简单的操作演示，而对于如何提高激光加工精度的讲解内容相对较少。

本研究首先介绍了激光加工中工件的定位以及刀具的对定问题，随后基于金工实训，学生实训时设置不同刀具（即能量和光路）的参数设置，从而对照实训作品，不仅提升学生的操作能力和思考能力，而且加深理解相关措施可以有效地提升激光加工的加工精度，也为激光加工实训的教学拓展空间。

1 定位和对定分析

零件的安装、定位以及刀具的对定问题对加工精度具有明显影响。

1.1 激光加工定位分析

定位是指确定工件在机床工作台上或者夹具中占有正确位置的过程，以保证加工尺寸、形状和位置的要求。零件的定位重点是限制其自由度的问题，零件的找正为找水平和找垂直的问题。找水平是找出工件的水平基准面与工作台（或者夹具）的安装定位面的平行程度的过程；找垂直是找出工件的侧向基准面与夹具的定位面的垂直程度的过程。

尽管找正的方法和找正的仪器多种多样，不过从原理上可以分为以下三种：①直接找正法。由操作工人直接在机床上利用百分表、划线盘等工具直接对工件进行定位然后夹紧的找正方法。这种方法的弊端是定位和找正的时间长、效率低，特别是批量加工时候，尤为明显。在激光加工中，由于激光和零件是非接触加工，采用光能达到去除材料的目的，切削力小，可以忽略不计，因而不需要夹紧机构。由于没有施加夹紧力，找正过程中，工件会实时移动，故直接找正法不适用于激光加工。②基面靠定法。对装夹工件工装进行定位找正，实现对工件的间接定位。这样对于批量零件来说，解决了重复定位问题，提高了效率，保证了尺寸的稳定性和统一性。但是对于激光切割机而言，其主轴是激光光源装置，主轴上不适于夹持百分表等用来找正的仪表仪器等工具，故基面靠定法不适用于激光加工。③试切找正法。在激光切割机上可采用基面靠定方法的原理进行零件的定位，先目测固定其定位工装，然后用激光沿着X向和Y向的定位面，编制程序切割加工一次，因为机床的X轴和Y轴本身确定是相互垂直的，而且精度较高，从而解决了不用百分表就能完成零件的找正定位问题。故试切找正法适用于激光加工。

1.2 激光加工工件对定分析

通过上述方法完成了零件的安装定位问题，要想提高零件的加工精度，还需解决刀具和工件的对定问题，即确定零件的工件坐标系与机床坐标系的偏置关系。

针对机械专业的学生，实训内容需要加工该齿轮的键槽，如图1（a）所示，其编程原点和工件原点必须重合，即WCS 与MCS 必须同心。由于激光是一束光，不能直接确保光斑的中心点和工件的圆心点完全重合。因此，需要试切找正法，编制试切程序，设置编程坐标原点WCS1，重复试切找正法步骤，完成后激光的光斑中心准确的停止在设定的编程坐标原点WCS1上。此时，齿轮的直径D是已知的，仅需移动激光头，X、Y轴的移动距离为D/2，即是WCS2，从而获得加工零件的编程原点。但是由于激光机床上，用来XYZ轴移动的按钮没有步进方式，也没有手持脉冲发生器，很难将XYZ轴移动到一个准确的位置。因此在激光加工配置的软件的调试菜单里面进行精确的偏移，如图1（b）所示，从而完成了工具和刀具的对定，即对刀的过程。

图1 工件对定示意图

2 激光的参数和补偿分析

工艺系统由机床、夹具、工件以及刀具组成，零件精度质量包含加工精度和表面质量两部分，提高零件的加工精度意味着工艺系统精度的问题[2]。而激光加工的能量是光能，充当为刀具和零件是非接触面加工，切削力微乎其微，从而零件不用装夹，因此可以忽略机床、夹具和零件的加工受力变形的问题。从而需要关注刀具（即激光）影响，弄清设置参数的内涵以及参数间相互关系，从而提高零件精度和表面质量。

2.1 激光功率分析

假定其他参数不变的情况下，激光的功率与激光的能量成正比，功率越大，能量越强，切割越深，反之亦然。激光加工实训中让不同组别的学生设置不同的功率参数，对比分析，如图2（a）所示。可见，设置的功率参数为10%的深度明显加深，将理论教学改变为实训操作，从而提升学生的操作能力和思考能力。

2.2 切割速度分析

恒定激光功率不变的情况下，激光的切割速度的快慢直接影响切割质量。即激光切割时，速度越快，切割越浅，效率越高；速度越慢，切割越深，效率越低。激光加工实训中让不同组别的学生设置不同的切割速度，对比分析，如图2（b）所示，可见，在20 mm/s 的速度下，切割效果较5 mm/s的切缝变窄，切痕变浅。故在保证零件切深切透的情况下，尽量提高速度，加快效率。

2.3 透镜焦距分析

激光的焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，也指平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离，不同的焦距影响零件的切割质量和效果。

对于激光切割来说，随焦距变大，作用在单位材料上的能量减小，切割深度变浅，光斑变大，切缝变宽，这样就多蚀除材料，严重影响了零件的轮廓尺寸精度。激光加工实训中让不同组别的学生设置不同的激光切割焦距，对比分析，如图2（c）所示，可见，18 mm 的焦距下，切割效果差。

图2 不同参数下的实训作品

3 结论

激光加工在现代工业制造里面运用越来越广泛，笔者在长期的激光加工技术的教学、指导大学生竞赛、参赛作品的制造实践、装配和调试中发现的问题并运用于激光加工教学实践中，合理的设置教学内容，学生在实训中设置不同的刀具（即能量和光路）的参数，获得不同的实训作品，试验对比研究了提升激光加工的加工精度的措施，从而提升学生的操作能力和思考能力。