整流罩Nd:YAG激光加工工艺研究

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本文结合yag固体激光切割机设备的特点，设计了激光夹具。在加工过程中对激光加工参数的选择进行了正交试验，通过切割试片比较及理化检测的方式制定了合理的激光加工工艺参数，并对加工中易出现的问题给出了相应的解决办法，最终完成零件的加工。

一、引言

激光切割加工是通过激光束聚焦成很小的光点，使焦点处获得高密度的光束能量，当照射到工件表面的时候，使工件材料在瞬间熔化甚至气化，随着光束与材料间的相对移动，形成宽度很窄的切缝，并通过辅助气体将残渣吹走的一种加工方法。激光加工具有精度高、切缝窄、切割面光滑、速度快、切割表面质量好、切割变形极小甚至可以达到无变形的优点。

与普通零件相比，钣金件属于一种比较特别的零件，它的主要工艺流程包括成型、冲压和机械加工等，而机械加工又是影响钣金件生产效率的重要工艺过程，采用传统的生产方法不仅生产周期长、效率低，而且由于在加工过程中工件极易变形，因此产品质量也无法保证。根本无法适应市场竞争。因此，必须为钣金件的加工引入一些先进的生产技术，如等离子弧切割加工、线切割加工、高压水切割以及激光切割等。

二、零件简介

1.整流罩材料及机械加工性能分析

整流罩零件的材料为NC22Fe，相当于国内的材料牌号GH536，属于镍基高温合金。其主要化学成分如表1所示。

镍基高温合金由于在加工过程中，工件表面变硬，加工过程会产生很大的应力，使零件极易产生变形。因此在车削过程中，车刀必须具有正前角，避免发生挤压过程，刀具材料推荐选择硬质合金刀具。在普通切割状态下一般选择硫化油作为切削液来提高、防止粘刀；而在高速车削、铣削状态下则选用水基切削液来提高冷却效率。在铣削过程中，刀具材料推荐选择高速钢刀具，选择刚性较好的夹具、机床。在开始铣削时应避免采用顺铣的铣削方式。在钻削过程中，刀具材料推荐选择高速钢钻头，并选择短钻头，尽可能使用钻模进行加工，装夹要保证具有一定的刚性，加工时使用固定的速率。

总之，镍基高温合金属于较难加工的材料，采用传统的车削、铣削和钻削都会使零件产生变形，为保证加工精度通常采用先进行粗加工，在进行去应力热处理后再进行精加工。而对于本文研究的大型薄壁钣金件来说，这些传统的加工方法均会给加工带来很大的难度。

2.整流罩结构特点分析

整流罩属于大直径薄壁钣金零件，零件壁厚为1.5mm，最大外径达654mm，零件精度高，零件侧壁16处空间槽口面轮廓度要求严格，端面分布有97个大小不一的孔，且孔的大小与位置度的要求也很严格。

其零件图，如图1所示。

由图1可以看出，该零件加工后的刚性极差，零件仅靠底部连接筋进行连接，使得零件在加工后强度很低，极易产生变形，在不受限制的状态下根本不能保证零件的自身形状。

三、整流罩加工夹具的确定

进行激光加工时，激光束切割完零件后剩余能量还很大，夹具应考虑到在加工时对其的避让。由于本机床的工作台为圆形，因此找正带可在夹具上制造一光滑圆周壁，找正时只需打表检查该圆周壁与转台同轴即可，为了减轻夹具的自重和节约制造成本，选用较为便宜的铝作为夹具的制造材料。现已可使用一套夹具进行切割高度、切割槽口和切割孔。

夹具设计，如图2所示。

四、整流罩激光加工参数实验及优化选择

激光切割参数主要包括频率、脉宽、电压和平均功率等，而平均功率的大小直接影响切割质量，同时平均功率的大小又受频率、脉宽和电压的影响，因此如何找到切割质量较好的功率值及相应的参数设置成为了切割加工中的难点问题。通过试验的方法，得出以下结论。

（1）在频率、脉宽不变的前提下，平均功率随电压的增大而增大，但是增大到540V以上时，平均功率就随着电压的增大出现了下降趋势。为了保护泵浦灯，一般不选择极限状态进行切割，因此确定平均功率的变化范围为0.1～180W，取中间值90W进行试验，相应电压值初步选择为440V。

（2）在电压、脉宽不变的前提下，平均功率随频率的增大而增大，但是增大到135Hz以上时，平均功率就随着频率的增大出现了下降趋势。为了保护泵浦灯，一般不选择极限状态进行切割，因此确定平均功率的变化范围为0～158W，取中间值80W进行试验，相应频率值初步选择为70Hz。

（3）在电压、频率不变的前提下，平均功率随脉宽的增大而增大，但是增大到0.45ms以上时，平均功率就随着脉宽的增大出现了下降趋势。为了保护泵浦灯，一般不选择极限状态进行切割，因此确定平均功率的变化范围为0～180W，取中间值90W进行试验，相应脉宽值初步选择为0.3ms。

综上所述，激光切割参数初始值暂定为：电压440V，频率70Hz，脉宽0.3ms。

根据以上选定的初始值，并选择临近数值共3组数据，进行三因素三位级的正交实验，通过切割试片检测表面质量确定切割的平均功率值。

选择L9（3 4）正交实验表进行实验，绘制表格如表2所示。

将以上数据在机床上进行试片切割实验，其中实验号为1的数据输出功率只有63.6W，无法切透工件；而实验号为3的数据输出功率处在下降的不稳定区域，不能进行切割（为了保护泵浦灯，一般不选择极限状态进行切割）。将剩余实验数据分为4组（取平均功率值相近的数据作为一组），实验号2与实验号6为一组，实验号4与实验号8为一组，实验号7与实验号9为一组，实验号5单独成组。在气体压力为4bar、切割速度为210mm/min的基础上进行切割。

切割试片，如图3所示。

其中，试片a为实验号5切割的试片；试片b为实验号9切割的试片；试片c为实验号2切割的试片；试片d为实验号4切割的试片。

将以上4个试片送理化实验室检查，4个试片均无显著裂纹、重铸、氧化层，重熔层和热影响区的厚度之和未超过0.2mm，其大小顺序为d>c>b>a。

由此可见，试片a所对应的实验号为5的切割效果最好，因此确定相应的电压值为440V，功率值为90W，脉宽值为0.3ms。

对此正交实验的结果进行分析，见表3得出以下结论：因素脉宽的极差 R值最大，其次是电压，因素频率的极差 R值最小，因此可知脉宽在此实验条件下对平均功率的影响最大。

由于平均功率值在机床上显示的数值是个动态变化的数值，因此在工艺中给出的是一个范围值，具体各项参数通过试验选择确定，如表4所示。

五、整流罩激光加工过程中常见问题及解决方法

首件加工合格后，根据订单数量，又投产了3批零件，并对激光切割过程进行了跟踪，发现在激光加工过程中有以下常见问题。

（1）零件产生切不透现象的解决方法：检查喷嘴是否有异物或激光飞溅物并进行清理；在工艺规定参数范围内适当增大辅助气体的压力或降低切割速度；检查、找正喷嘴中心，使其位于摄像头十字线交叉位置；检查泵浦灯是否老化需要更换。

（2）切割时产生反喷现象正面有挂渣现象。

产生原因：喷嘴锥体中心与光束中心不同轴，气体在喷嘴中流动不均匀。

解决方法：调整喷嘴中心与光束中心重合。

（3）零件与夹具贴合不紧，产生晃动。

产生原因：零件成型后大小不一致，部分零件直径较大。

解决方法：在夹具内表面均匀的贴上纸胶布或布胶布。

（4）零件切割后超差。

产生原因：设备精度降低。

解决方法：校轴调整设备精度，在无法提高设备精度的前提下，可更改程序进行补偿。

（5）零件切割后表面产生裂纹。

产生原因：在规定的切割参数下，主要原因是气体纯度不够，气体含水或含油。

解决方法：更换纯度大的气体。

六、结语

（1）镍基高温合金薄壁板金件结构复杂，极易变形，易于采用固体激光进行加工，并设计了可通过一次装夹完成所有加工的夹具。

（2）对切割参数包括电压、频率、脉宽、辅助气体、气体压力、切割速度以及平均功率等进行试验，选择合理的加工参数，保证了零件切割表面要求。

（3）总结了激光切割过程中常见问题及提出了相应的解决方案。