CN102489884A - 一种激光切割圆孔或椭圆孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光切割圆孔或椭圆孔的方法，包括如下步骤：（1）开启激光切割设备，以圆孔或者椭圆孔的内部一个点为激光入刀点，沿一个圆弧切割至圆孔或椭圆孔的切入点，所述圆弧的弧长足以使得在到达所述切入点时为预定的切割速度，所述圆弧与所述圆孔或椭圆孔相内切，所述切入点为切点，所述预定的切割速度不低于5mm/s；（2）以预定的切割速度，从所述切入点沿所述圆孔或椭圆孔的形状切割，切割方向与沿所述圆弧切割的方向相同，并运行回到所述切入点；（3）关闭所述激光切割设备，从所述切入点回到所述圆孔或椭圆孔的内部，完成切割。采用本发明的方法，切割得到圆孔或椭圆孔尺寸精确，满足精密零件的要求。

Description

一种激光切割圆孔或椭圆孔的方法

技术领域

本发明涉及一种激光切割方法，特别是涉及一种激光切割圆孔或椭圆孔的方法。

背景技术

目前，激光切割虽然在速度、精度等方面比传统切割具有一定的优势，但是孔质量方面却一直是一个难攻破的难关，如孔尺寸不符合要求、孔壁质量不好等，特别是对于精密零件而言，孔质量的好坏直接影响整个精密零件的质量。

高精密零件的用途很广，被广泛应用于各种领域的高新技术产品中，特别是对于高精密检测设备而言，高精密零件是高新技术产品中的关键所在，所以对于高精密金属薄片零件的激光加工，最重要的是切割的外形尺寸控制，由于激光加工本身的特性，激光在开启和关闭时，切割速度并不是恒定不变的，虽然设备的加速度大小可以自行调整，但是如果加速过程的运行距离不够长，则会导致在切割零件尺寸时因速度问题造成了切割尺寸出现了偏差，且直线和弧线切割时的切缝宽度是有差别的，即使是在同样的功率、频率、焦距高度、加工速度等参数下，这细微的几微米的差别对高精度的零件都有很大的影响，虽然有时候只有几微米的误差，但是就有可能因为这几微米造成设备的性能不好或者测试的数据不准确，这样就造成了没必要的损失，既浪费了时间又浪费了财力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种激光切割圆孔或椭圆孔的方法，以解决现有激光切割圆孔或椭圆孔尺寸精度不高的问题。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种激光切割圆孔或椭圆孔的方法，包括如下步骤：

（1）开启激光切割设备，以圆孔或者椭圆孔的内部一个点为激光入刀点，沿一个圆弧切割至圆孔或椭圆孔的切入点，所述圆弧的弧长足以使得在到达所述切入点时为预定的切割速度，所述圆弧与所述圆孔或椭圆孔相内切，所述切入点为切点，所述预定的切割速度不低于5mm/s；

（2）以预定的切割速度，从所述切入点沿所述圆孔或椭圆孔的形状切割，切割方向与沿所述圆弧切割的方向相同，并运行回到所述切入点；

（3）关闭所述激光切割设备，从所述切入点回到所述圆孔或椭圆孔的内部，完成切割。

切割方式和切割速度是影响孔尺寸的主要因素，传统的切割方式在切割圆孔或者椭圆孔零件时，并未精准考虑到激光切割设备在切割启动时的加速度大小的问题，导致在切割零件尺寸时因速度问题造成了切割尺寸出现了偏差，由于激光设备本身的特性，在入刀口（启动）、末刀口（关闭）的切割速度并不是匀速的，在启动时是匀加速的过程，加速到一定的切割速度后匀速，切割完成后，关闭激光切割设备直到激光设备完全停止时，是减速过程，如果切割圆孔或椭圆孔时切割速度不恒定将使得切割的图形及尺寸发生改变，而导致圆孔或椭圆孔的尺寸精度不高，采用以上技术方案进行切割，由于在启动时，以圆孔或者椭圆孔的内部一个点为激光入刀点，沿一个圆弧切割至圆孔或椭圆孔的切入点，所述圆弧的弧长足以使得在到达切入点时为预定的切割速度，所述圆弧与所述圆孔或椭圆孔相内切，所述切入点为切点，这样能保证当切割到达圆孔或椭圆孔的切入点时，激光的运动方向正好与切割圆孔或椭圆孔的切割速度方向一致，使其在切入点时的切割损耗最小，从而巧妙的避开了初始的加速切割过程，且在不低于5mm/s的切割速度下，能保证圆孔或椭圆孔的孔尺寸的精度，从而提高了激光在加工圆孔或椭圆孔零件，特别是加工高精密金属零件的工艺标准。

优选地，所述圆弧的弧长由以下公式计算得到：S=V²/2a，其中，S表示所述圆弧的弧长，V为所述预定的切割速度，a为所述激光切割设备的加速度。

由于激光切割设备的初速度为0 mm/s，按以上公式计算出圆弧的弧长后，再根据弧长S= r×θ，其中r为圆弧的半径，θ为圆弧的圆心角（以弧度表示），当已知弧长后，可以根据实际需要设定圆弧的半径或圆心角，算出另一个参数，即可确定圆弧，所以弧线的走向可以有很多种，根据以上确定的圆弧切割时，到达切入点时即能保证速度的方向和大小均与预定的切割速度相同。

优选地，所述预定的切割速度为5 ~15 mm/s。

激光设备的光束是属于脉冲式的，不同的切割速度对切割圆弧的尺寸会有一定的影响，切割速度的大小会影响精密孔的尺寸，实验证明，切割速度在5～15mm/s时切割出来的圆弧轨迹最接近理想圆弧，对切割精密孔的尺寸影响最小。

优选地，所述激光切割设备为激光波长为1064nm～1090nm的红外激光器。

优选地，当采用空气作为辅助气体切割时，激光的功率为85～90W，频率为2.2～3.0KHz。

优选地，当采用氧气作为辅助气体切割时，激光的功率为80～85W，频率为2.0～2.6KHz。

在保证孔尺寸符合要求外，孔壁质量也是评判高精密孔的一个重要的指标，孔壁质量主要体现在孔壁粗糙度及毛刺方面，如孔壁粗糙度大、毛刺多等等问题的发生主要是由于切割的参数（功率、频率、聚焦高度、切割速度）导致的。孔壁质量对高精密孔的性能和外观均有直接的影响，在聚焦范围内，经过大量实验、分析和对比选出在不同辅助气体下的最优参数，按上述的参数切割出来的孔壁粗糙度最低约为0.3μm，波动范围在±2%以内，稳定性良好。

优选地，所述步骤（3）中，关闭所述激光切割设备后，从所述切入点沿另一圆弧回到所述圆孔或椭圆孔的内部，完成切割，所述另一圆弧以所述切入点为切点与所述圆孔或椭圆孔内切。由于该圆弧与圆孔或椭圆孔内切，且切入点为切点，就能保证圆弧和圆孔或椭圆孔在切点处的速度方向一致，最大可能的保证圆孔或椭圆孔切割的精确度，减小误差。

附图说明

图1为本发明实施例的激光切割不锈钢片的示意图；

图2a~2d分别为以切割速度5 mm/s、10 mm/s、15 mm/s、20 mm/s切割半径为25μm的180度圆弧的示意图；

图3a~3d为以5 mm/s的切割速度分别切割半径为15μm、20μm、30μm、35μm的180度圆弧的示意图；

图4a~4d为以10 mm/s的切割速度分别切割半径为15μm、20μm、30μm、35μm的180度圆弧的示意图；

图5为现有的切割方法切割出的圆孔的示意图；

图6为对图5进行区域分析的示意图；

图7为本发明实施例一中切割圆孔时从激光入刀点到切割回到切入点时的激光走向的示意图；

图8为对图7的切割方式进行比较分析的示意图；

图9为图8中以圆弧c′为切割导向线切割得到的孔形状示意图；

图10为本发明实施例一中关闭激光切割设备后，从切入点回到圆孔内部的激光走向的示意图；

图11为本发明实施例二中切割椭圆孔时从激光入刀点到切割回到切入点时的激光走向的示意图；

图12为本发明实施例二中关闭激光切割设备后，从切入点回到椭圆孔内部的激光走向的示意图；

图13为在3D显微镜下本发明实施例切割的圆孔或椭圆孔的孔壁的示意图。

具体实施方式

下面对照附图和结合优选具体实施方式对本发明进行详细的阐述。

在一个实施例中，激光切割圆孔或椭圆孔的方法，包括如下步骤：

（1）开启激光切割设备，以圆孔或者椭圆孔的内部某点为激光入刀点，沿一个圆弧切割至圆孔或椭圆孔的切入点，所述圆弧的弧长足以使得在到达切入点时为预定的切割速度，所述圆弧与所述圆孔或椭圆孔相内切，所述切入点为切点，所述预定的切割速度不低于5mm/s；

（2）以预定的切割速度，从所述切入点沿所述圆孔或椭圆孔的形状切割，切割方向与沿所述圆弧切割的方向相同，并运行回到所述切入点；

（3）关闭所述激光切割设备，从所述切入点回到所述圆孔或椭圆孔的内部，完成切割。

其中，圆弧的弧长可以由以下公式计算得到：S=V²/2a，其中，S表示所述圆弧的弧长，V为所述预定的切割速度，a为所述激光切割设备的加速度。

在另一个实施例中，预定的切割速度为5 ~15 mm/s时较佳。

以下以厚度为0.02~0.5 mm的不锈钢为材料，以激光波长为1064nm～1090nm的红外激光器切割圆孔或椭圆孔为例详细阐述本发明的技术方案，其中，当采用空气作为辅助气体切割时，激光的功率为85～90W，频率为2.2～3.0KHz较佳，当采用氧气作为辅助气体切割时，激光的功率为80～85W，频率为2.0～2.6KHz较佳。

图1为激光切割不锈钢片的示意图，其中1为激光切割头，2为激光光束，3为不锈钢材质，4为聚焦焦点。

在相同功率、频率、聚焦高度下，用不同的切割速度切割半径为25μm的180°圆弧并观察切割效果，将切割速度分为5 mm/s、10 mm/s、15 mm/s、20 mm/s，切割出来的图形如图2a~2d所示，多次实验证明，速度为5mm/s、10 mm/s、15 mm/s时切割出来的圆弧效果最接近理想圆弧，而切割速度低于5 mm/s 以及高于15 mm/s时切割出来的圆弧呈扁圆形，所以在加速度一定的情况下，切割速度的大小会影响精密孔的尺寸。

在功率、频率、聚焦高度不变的情况下，用5 mm/s的切割速度分别切割半径为15μm、20μm、30μm、35μm的180°圆弧，如图3a~3d所示，用10mm/s的切割速度分别切割半径为15μm、20μm、30μm、35μm的180°圆弧，如图4a~4d所示，从图3a~3d、图4a~4d中可以看出，在设备加速度一定的情况下，相同切割速度切割不同大小的圆弧时，切割出来的效果一样，尺寸完全可以满足要求。

通过对上述圆弧的切割分析，可以得出在切割圆孔时，在加速度一定的情况下，造成精密孔尺寸的偏差的原因与切割速度大小有关，而与孔直径大小无关，在其他条件不变的情况下，切割速度越大，孔尺寸边缘变形越严重，切割速度越小越接近所需的尺寸。

如图5所示，为现有的切割方法切割出的圆孔的示意图，在相同的功率、频率、聚焦高度、切割速度（5～15 mm/s）下，用传统工艺切割圆孔，a点为激光入刀点，b点为圆孔的切入点，d为切割轨迹，箭头方向为切割运行方向，切割出来的孔如图5所示。

将图5分为12等分进行区域分析，如图6所示，实线表示实际切割孔边缘，虚线表示理想孔边缘，点划线表示对孔的划分，切割到1点、2点、3点、4点、5点、6点时的速度分别为V₁、V₂、V₃ 、V₄ 、V₅ 、V₆，在切割到1点位置时，实线切割圆弧S1大于虚线切割圆弧S1’，在时间相等的情况下，实线切割圆弧的1点速度V1大于虚线表示的圆弧的切割速度V1’，而圆弧S2＞S1’，S3＞S1’，故同理可以推出V2＞V1’，V3＞V1’、V4=V3=V5=V1’、V6＜V5，从以上数据可以得知，在6点—3点段时激光光束做匀加速运动，在3点—5点段时做匀速运动，在5点—6点段时做匀减速运动。

结合图7的分析及综合圆弧的分析结论可知造成精密孔尺寸的偏差的原因与切割的运动轨迹和切割速度有关，在考虑到激光光束入刀钻孔的热影响及切割加工的效率，在经过大量的实验后得出了本发明的加工工艺方式，以下通过一个较佳实施例进行说明。

实施例一

本实施例为采用厚度为0.10mm 的不锈钢为原料，激光波长为1064nm的红外YAG激光器切割直径为3mm的圆孔 ，切割速度为15mm/s，以空气作为辅助气体，激光器自动将钢片调整到聚焦高度范围内，功率为90W，频率为3.0KHz，激光器的加速度为50mm/s²。

（1）开启激光器，以圆孔或者椭圆孔的内部一点为激光入刀点，沿一个圆弧切割至圆孔或椭圆孔的切入点，圆弧的弧长足以使得在到达切入点时为预定的切割速度，圆弧与圆孔或椭圆孔相内切，切入点为切点，预定的切割速度不低于5mm/s（本例中为15mm/s）。

图7为切割圆孔时从激光入刀点到切割回到切入点时的激光走向的示意图；其中， a为激光入刀点，b点圆孔的切入点，圆弧c为到达b点前激光的运行轨迹，可以称为切割导向线，箭头方向为切割方向。激光光束在沿圆弧c切割时，虽然具有一定的加速度，但由于圆弧c满足一定的条件，当运行到b点时，切割速度已经趋于匀速，这样就解决了激光在入刀口附近切割尺寸不圆的问题，将切割线设置成从圆内部某一点到切割点的圆弧，这样有利于避免入刀时钻孔的大能量对零件尺寸的影响。本例中，圆弧c满足的条件为：圆弧c与圆孔相内切，b点为切点，V=15mm/s，a=50mm/s²，所以圆弧c的弧长S=V²/2a=2.25mm，取圆弧的圆心角为180度（π弧度），则圆弧的半径为0.71mm。

图8为对图7的切割方式进行比较分析的示意图；圆弧c′、c分别为两条不同弧度的引导线，其中圆弧c′所在的圆与圆孔相交，b点为交点，圆弧c为图7中的圆弧，它们分别从a点运行到b点，运行到b点的速度分别用Vc′、Vc来表示，箭头方向表示b点时的切割速度的方向，从图中可以明显的看出，Vc的方向恰好与切割速度V的方向一致，这样就保证了其在b点时因切割速度的损耗所引起的误差，d为圆孔尺寸的轨迹，以圆弧c为切割导向线所得的圆孔基本为圆形，以圆弧c′为切割导向线所得的圆孔如图9所示。综上，当沿圆弧c切割到达b点时的速度大小和方向均与V相同时，才能更好的满足尺寸的精确度。

由于弧长是由半径及圆心角决定的，半径越大，圆心角越小；半径越小，圆心角就越大，根据以上的分析，弧线走向有很多种，激光入刀点a点在圆弧c的圆周上，可在圆内任意一处（根据实际情况定论），只要保证圆弧c在b点时的线速度方向与实际切割的线速度方向一致，且弧线长度可满足加速度加速的距离即可，圆弧c的最大半径不能超过实际切割孔的半径，同时考虑到实际切割的效率，圆心角一般不超过360°，当然，如果取的圆弧半径比较小，根据弧长公式算出的圆心角超过360°也是可以的，这时就需要在到达b点时沿作为切割导向线的圆弧重复运行。 

（2）以预定的切割速度，从切入点b点沿圆孔的形状切割，切割方向与沿圆弧切割的方向相同（本实施例中，均为顺时针方向），并运行回到b点。

（3）关闭激光器，从b点回到圆孔的内部，完成切割。为最大可能的保证圆孔或椭圆孔切割的精确度，减小误差，从b点回到圆孔的内部时，如图10所示，可以沿一圆弧g运动，箭头方向为切割方向，圆弧g与圆孔内切，且b点为切点，使得圆弧g和圆孔在b点处的速度方向和大小均一致，这样就保证了在切割结束前因机器本身的特性造成的误差。

实施例二：

本发明的方法也可以成功运用到精密椭圆孔的切割上，原理和上述切割圆孔的原理相同，只要满足切割速度大小及切入点的速度方向即可，因椭圆的特殊性（半径不一样），在做切割引导线时，只要作为切割导向线的圆弧不超出实际椭圆孔边缘尺寸范围即可，图11、12所示。

实施例三

由于激光束能量超过不锈钢的破坏值，不锈钢吸收激光束能量产生高温被融化，通过激光设备运动系统形成切割面，就高精密金属零件而言，在保证孔尺寸符合要求外，孔壁质量也是评判高精密孔的一个重要的指标，图13为在3D显微镜下本发明实施例切割的圆孔或椭圆孔的孔壁的示意图；孔壁质量是由功率、频率、切割速度及辅助气体共同影响，功率越大，孔壁质量不一定最好，频率反之亦然，在对大量的实验结果进行分析后得出：在空气辅助气体切割时，功率在85～90W，频率2.2～3.0KHz，切割速度不低于5 mm/s时，切割出来的孔壁粗糙度最低(Ra约为0.33um)，在氧气为辅助气体切割时，功率在80～85W，频率2.0～2.6KHz，切割速度不低于5 mm/s时切割孔壁粗糙度最低(Ra约为0.30um)，用该最低孔壁粗糙度的技术参数重新进行试切并检测其孔壁粗糙度，孔壁粗糙度波动范围在±2%以内，稳定性良好。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光切割圆孔或椭圆孔的方法，其特征是包括如下步骤：

（1）开启激光切割设备，以圆孔或者椭圆孔的内部一个点为激光入刀点，沿一个圆弧切割至圆孔或椭圆孔的切入点，所述圆弧的弧长足以使得在到达所述切入点时为预定的切割速度，所述圆弧与所述圆孔或椭圆孔相内切，所述切入点为切点，所述预定的切割速度不低于5mm/s；

（2）以预定的切割速度，从所述切入点沿所述圆孔或椭圆孔的形状切割，切割方向与沿所述圆弧切割的方向相同，并运行回到所述切入点；

（3）关闭所述激光切割设备，从所述切入点回到所述圆孔或椭圆孔的内部，完成切割。

2.如权利要求1所述的激光切割圆孔或椭圆孔的方法，其特征在于：所述圆弧的弧长由以下公式计算得到：S=V²/2a，其中，S表示所述圆弧的弧长，V为所述预定的切割速度，a为所述激光切割设备的加速度。

3.如权利要求1所述的激光切割圆孔或椭圆孔的方法，其特征在于：所述预定的切割速度为5 ~15 mm/s。

4.如权利要求1-3任意一项所述的激光切割圆孔或椭圆孔的方法，其特征在于：所述激光切割设备为激光波长为1064nm～1090nm的红外激光器。

5.如权利要求4所述的激光切割圆孔或椭圆孔的方法，其特征在于：当采用空气作为辅助气体切割时，激光的功率为85～90W，频率为2.2～3.0KHz。

6.如权利要求4所述的激光切割圆孔或椭圆孔的方法，其特征在于：当采用氧气作为辅助气体切割时，激光的功率为80～85W，频率为2.0～2.6KHz。

7.如权利要求1-3任意一项所述的激光切割圆孔或椭圆孔的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，关闭所述激光切割设备后，从所述切入点沿另一圆弧回到所述圆孔或椭圆孔的内部，完成切割，所述另一圆弧以所述切入点为切点与所述圆孔或椭圆孔内切。

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