吳哲,郭強(qiáng),楊春梅，白巖,馬巖

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

輸入電流與切削進(jìn)給速度對(duì)木材激光燒蝕效果的影響*

吳哲,郭強(qiáng),楊春梅，白巖,馬巖

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

針對(duì)浮雕家具表面的毛刺無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化砂光的問題，提出了采用納秒脈沖激光燒蝕的解決方法。在本研究設(shè)計(jì)的激光加工試驗(yàn)平臺(tái)上，以山楊木材為試材，研究不同輸入電流、切削進(jìn)給速度對(duì)木材激光燒蝕效果的影響，觀察燒蝕后木材微觀組織的變化，探討納秒脈沖激光試驗(yàn)參數(shù)對(duì)燒蝕深度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著輸入電流的增加，木材表面的炭化加劇，輸入的電流為5mA時(shí)，獲得最優(yōu)的表面質(zhì)量,同時(shí)在不同的進(jìn)給速度下，燒蝕出現(xiàn)深度拐點(diǎn)。

浮雕家具；山楊；砂光；激光燒蝕；微觀組織

我國(guó)是世界上最大的浮雕家具生產(chǎn)國(guó)。由于其良好的裝飾作用和高檔價(jià)值，使浮雕家具在人們的生產(chǎn)生活中占據(jù)著重要的地位。但在浮雕家具的曲面銑削加工過程中，銑刀會(huì)破壞木纖維的連續(xù)性和完整性，使加工表面的木纖維出現(xiàn)撕裂、崩掉、劈裂、搓起，加之木材細(xì)胞的空心結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使浮雕表面出現(xiàn)大量的不規(guī)則微觀毛刺，導(dǎo)致浮雕家具的表面質(zhì)量變差。微觀毛刺直接影響著浮雕家具的美觀度，砂光打磨工序就是為了去除其表面的毛刺，提高木制品的表面光潔度[1～3]?，F(xiàn)階段，在浮雕家具的生產(chǎn)過程中，各個(gè)工序基本都可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，僅表面砂光和打磨工序還只能以手工為主。這主要是由于浮雕木制品表面高低形貌變化大，機(jī)械化打磨容易出現(xiàn)過砂或者漏砂的現(xiàn)象。基于此，本研究提出采用納秒脈沖激光的方式進(jìn)行木材表面毛刺加工，以實(shí)現(xiàn)浮雕家具毛刺的機(jī)械自動(dòng)化打磨。

納秒脈沖激光加工木材是一種特殊的方法，具有作用持續(xù)時(shí)間短，加工熱影響區(qū)小，加工表面效果好等優(yōu)點(diǎn)。其基本原理是利用高能量、短脈沖激光聚焦照射在木材表面，通過材料吸收激光能量產(chǎn)生熱燒蝕效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)木材熱分解和炭化，達(dá)到去除木材表面材料的目的[4～5]。在激光加工中，聚焦后極細(xì)的高能脈沖激光束或連續(xù)激光束如同刀具一般，可將物體表面材料逐點(diǎn)去除，屬于非接觸性加工，不產(chǎn)生機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力，激光加工實(shí)質(zhì)上是光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等學(xué)科的交叉耦合過程，是電磁場(chǎng)、光場(chǎng)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的相互作用及能量轉(zhuǎn)換的過程。激光束的照射過程中將產(chǎn)生沖擊強(qiáng)化、熱吸收、表面融化和氣化4個(gè)過程[6～7]。在激光去除材料的過程中存在著光化學(xué)機(jī)制和光熱機(jī)制[8]。木材由于其內(nèi)部是多孔組織結(jié)構(gòu)，在激光加工中不容易出現(xiàn)光化學(xué)機(jī)制，所以分析認(rèn)為采用納秒脈沖激光加工木材存在的主要是光熱機(jī)制。對(duì)于木材來講，它是一種由有機(jī)質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合體，主要由纖維素、半纖維素和木素構(gòu)成，這些物質(zhì)和水分與醣類粘液體構(gòu)成木材的整體。在受熱以后，瞬時(shí)的高溫首先引起水和粘液體醣類發(fā)生熔化，將熱量沿木材的細(xì)胞管進(jìn)行傳導(dǎo)，提高木質(zhì)部的溫度，當(dāng)溫度超過纖維素和木素的燃點(diǎn)以后，這些物質(zhì)將開始燃燒，由于激光的能量大到可以將它們氣化，因此，木材的燃燒過程是極快的[9]。本文采用自行設(shè)計(jì)的激光燒蝕設(shè)備，通過改變激光的輸入電流強(qiáng)度和切削進(jìn)給速度來研究激光對(duì)所加工木材表面質(zhì)量和切削加工深度的影響，觀察燒蝕后木材表面的微觀形貌，比較不同條件下的燒蝕深度，篩選出合適的木材激光燒蝕工藝，得到了初步的試驗(yàn)結(jié)果，為實(shí)現(xiàn)浮雕家具的機(jī)械自動(dòng)化打磨奠定了一定的理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)選取家具制造中常用的山楊(PopulusdavidianaDode)為試材，首先在木工機(jī)床上把試件加工成大約為130mm×80mm的小木塊，要求試樣表面加工平整、光滑，無裂縫、瑕疵、節(jié)疤、腐朽等缺陷。

試驗(yàn)所用納秒脈沖激光燒蝕設(shè)備的光源采用JDW3-250型激光電源，激光器采用YAG激光器，冷卻系統(tǒng)采用PH-LW06-BLP型激光冷水機(jī)，聚焦系統(tǒng)由多片光學(xué)鏡片組合而成。

1.2 方法

2 結(jié)果與分析

2.1 輸入電流對(duì)木材激光燒蝕效果的影響

試驗(yàn)首先在1cm/s的切削進(jìn)給速度下進(jìn)行，圖1為納秒脈沖激光加工后木材表面的微觀組織。圖中黑色部分為木材炭化后留下的痕跡，說明在激光加工的過程中木材表面發(fā)生過高溫燃燒。從圖1-a中可以觀察到，輸入電流為5mA時(shí)，激光加工后的木材表面很少有炭化痕跡存在；輸入電流為10mA時(shí)，木材表面能觀察到明顯的炭化痕跡，如圖1-b中箭頭所示，但炭化區(qū)域不是很大；隨著輸入電流的加大，當(dāng)輸入電流達(dá)到15mA時(shí)，木材表面的炭化明顯加劇，如圖1-c中箭頭所示；當(dāng)輸入電流達(dá)到20mA時(shí)，木材表面的炭化進(jìn)一步加劇，如圖1-d中箭頭所示。圖1表明輸入電流是影響木材表面加工質(zhì)量的重要因素，輸入電流越大，木材炭化越嚴(yán)重，加工后木材的表面質(zhì)量越差。在圖1中還可以明顯觀察到木材的表面存在很多亮白色的區(qū)域(如圖1-c和1-d中的箭頭所示)，這是激光燒蝕后把木材的管胞擊穿而留下的痕跡。由于不同種木材的材性存在很大的差異(木材材性包括含水率、容積重、纖維方向和木材強(qiáng)度等)，因此在加工不同種木材的時(shí)候要選擇不同的輸入電流才能得到理想的表面加工質(zhì)量。在1cm/s的切削進(jìn)給速度下，木材激光加工山楊的最佳電流為5mA，此種電流下燒蝕后的木材表面狀態(tài)最好。

圖1 不同輸入電流木材燒蝕后表面的微觀組織

2.2 加工速度對(duì)木材激光燒蝕的影響

分別在1cm/s、3cm/s、5cm/s和10cm/s的加工進(jìn)給速度下進(jìn)行木材燒蝕試驗(yàn)，比較不同輸入電流(輸入電流分別選取5mA、10mA、15mA、20mA和25mA)對(duì)木材燒蝕深度的影響。根據(jù)燒蝕結(jié)果繪制不同切削進(jìn)給速度下的電流(X)——切削深度(Y)曲線圖，如圖2-a、圖2-b、圖2-c和圖2-d所示，從4個(gè)圖中的曲線可以觀察到在相同的輸入電流下，切削進(jìn)給速度對(duì)切削深度有著明顯的影響。例如：當(dāng)輸入電流都為10mA時(shí)，切削深度會(huì)隨著切削進(jìn)給速度的增加而明顯減小，當(dāng)進(jìn)給速度為1cm/s時(shí)，切削深度為0.92mm；當(dāng)進(jìn)給速度為3cm/s時(shí)，切削深度為0.45mm；當(dāng)進(jìn)給速度為5cm/s時(shí)，切削深度為0.32mm；當(dāng)進(jìn)給速度為10cm/s時(shí)，切削深度為0.28mm。分析其原因，隨著切削進(jìn)給速度加快，激光束在加工表面停留的時(shí)間會(huì)變短，而加工表面積聚的熱量就會(huì)減少，從而最終導(dǎo)致切削深度的降低。通過對(duì)圖2的對(duì)比觀察可以確定：當(dāng)輸入電流為15mA，進(jìn)給速度為1cm/s時(shí)，切削深度最大。

圖2 不同切削進(jìn)給速度下，輸入電流(橫坐標(biāo))與切削深度(縱坐標(biāo))的關(guān)系

注：a為切削進(jìn)給速度為1cm/s，b為切削進(jìn)給速度為3cm/s，c為切削進(jìn)給速度為5cm/s，d為切削進(jìn)給速度為10cm/s

Fig.2 The relationship between input current and cutting depth at different cutting speed

通過對(duì)圖2-a、圖2-b、圖2-c和圖2-d的觀察還可以發(fā)現(xiàn)，切削深度并不是隨著輸入電流的增大而一直呈現(xiàn)線性變化，而是當(dāng)輸入電流達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)出現(xiàn)深度拐點(diǎn)。在1cm/s、3cm/s和5cm/s的切削進(jìn)給速度下，深度拐點(diǎn)出現(xiàn)在輸入電流為15mA時(shí)；在10cm/s的切削進(jìn)給速度下，深度拐點(diǎn)出現(xiàn)在輸入電流為10mA時(shí)。當(dāng)輸入電流達(dá)到深度拐點(diǎn)時(shí)，繼續(xù)增大輸入電流時(shí)，切削深度沒有得到提高，反而出現(xiàn)降低趨勢(shì)。結(jié)合圖2中激光燒蝕后的微觀組織對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，在1cm/s的進(jìn)給速度下，隨著輸入電流的增加，木材的炭化區(qū)域明顯增大；而在輸入電流為15mA切削深度出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)，木材表面的炭化較輸入電流為10mA時(shí)明顯加劇，如圖2-b和圖2-c所示。因此可以據(jù)此分析，出現(xiàn)切削拐點(diǎn)主要是由于輸入電流的增加使木材炭化區(qū)域增大以及炭化層的厚度變深所導(dǎo)致。因?yàn)槟静奶炕募觿?huì)改變木材的材性，進(jìn)而降低原有木材的傳熱能力[12]，使脈沖激光產(chǎn)生的熱量向木材內(nèi)部的滲透減弱，從而引起切削深度的降低。

3 結(jié)論

(1)采用納秒脈沖激光燒蝕木材的過程中，輸入電流的變化會(huì)對(duì)加工后木材表面的質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。輸入電流的增加會(huì)使木材表面的炭化加劇，因此選擇合適的輸入電流是獲得良好表面質(zhì)量的關(guān)鍵。對(duì)山楊而言，最佳輸入電流為5mA。

(2)木材在相同輸入電流的情況下，隨著切削進(jìn)給速度的提高，切削深度會(huì)逐漸減小。

(3)木材在相同的切削進(jìn)給速度下，隨著輸入電流的逐漸增加，切削深度存在拐點(diǎn)。在拐點(diǎn)之前，隨著輸入電流的增加，切削深度增加；在拐點(diǎn)之后，隨著輸入電流的增加，切削深度減小。

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The Effect of Input Current and Cutting Feed Speed on Laser Ablation Wood

WU Zhe,GUO Qiang,YANG Chun-mei,BAI Yan,MA Yan

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang 150040，P.R.China)

Mechanized sanding of the burrs existed in the surface of anaglyph furniture cannot be conducted,and an approach of laser ablation with nanosecond pulse was proposed in this study.On the platform of laser processing,by usingPopulusdavidianaDode as tested material,the effect of input current and cutting feed speed on laser ablation wood was analyzed,and the change of wood microstructure after laser ablation was observed.The results showed that the wood carbonization was intensified with the increase of input current,and the best quality of wood surface was produced when the input current was 5 mA.In the meantime,the ablation depth inflection point occurred at different feed velocity.

embossed furniture;PopulusdavidianaDode; sanding; laser ablation; microstructure

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.06.006

2015-12-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31200434)，高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金新教師類資助課題(20120062120009)，中國(guó)博

吳哲(1980-)，男，副教授，博士，主要從事木材激光加工等方面研究。E-mail:wuzhepersonal@126.com

簡(jiǎn)介：楊春梅(1977-)，女，副教授，博士，主要從事木材加工等方面研究。E-mail:53996102@qq.com

TS 65;TH 145.9

A

1672-8246(2016)06-0033-04

士后基金(2013M531007)。