曾俊皓

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣州 510800）

CO2激光切割亞克力板材的應(yīng)用研究

曾俊皓

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣州 510800）

激光切割由于切口光滑、速度快、精度高、能一次成型、無(wú)需二次加工，節(jié)約了大量的時(shí)間和工序流程，CO2激光器切割非金屬板材得到了廣泛的應(yīng)用，再配合亞克力板的優(yōu)良激光切割特性，可以快速地實(shí)現(xiàn)從圖樣設(shè)計(jì)到原型機(jī)制造。文中從實(shí)踐中出發(fā)，通過(guò)介紹優(yōu)化亞克力零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高激光切割下料利用率、選擇專(zhuān)用的亞克力膠水、亞克力板的切割參數(shù)設(shè)置、切割后亞克力邊角料重用、激光切割亞克力板制造原型機(jī)在大學(xué)生競(jìng)賽和項(xiàng)目的良好效果等應(yīng)用，給廣大工程人員提供一定的參考。

CO2激光切割；亞克力板；應(yīng)用

0 引言

激光切割以其切割材料范圍廣、切割速度快、切縫窄、切割質(zhì)量好、熱影響區(qū)小、加工柔性大等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，激光切割技術(shù)也成為激光加工技術(shù)中最為成熟的技術(shù)之一。在中低型功率的切割機(jī)上，CO2激光器更是占了絕大部分的份額。

亞克力板就是聚甲基丙烯酸甲酯板材，也叫PMMA（Polymeric Methyl Methacrylate），它是一種可塑性高的分子材料，具有較好的透明性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐候性，易染色、易加工、外觀(guān)優(yōu)美，激光切割性能優(yōu)異。

筆者在指導(dǎo)本科生參加機(jī)械類(lèi)競(jìng)賽和項(xiàng)目實(shí)踐中體會(huì)到，想要快速地把圖樣中所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)制作成實(shí)物原型機(jī)，可以采用以下的方法：設(shè)計(jì)圖樣的時(shí)候全部采取板材拼接的形式，用計(jì)算機(jī)平面軟件按照不同的板材厚度排版，把排版好的圖樣輸入到CO2激光切割機(jī)中，切割不同厚度的亞克力板，然后把切割出來(lái)的亞克力板零件通過(guò)粘接或者螺栓連接的形式裝配起來(lái)，就可以制造出一個(gè)原型機(jī)了。這種方法與傳統(tǒng)的機(jī)械加工（車(chē)、銑、刨、磨、鉆等）相比，大大縮短了原型機(jī)的制造時(shí)間，而且方便易用。本文介紹了CO2激光切割亞克力板材的方法與應(yīng)用。

1 用于激光切割的亞克力零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）對(duì)于需要拼接的零件邊緣，設(shè)計(jì)成凹凸鋸齒狀，便于拼接時(shí)定位和擴(kuò)大粘貼接觸的面積，如圖1所示。

2）常用于做結(jié)構(gòu)件的亞克力板厚為3 mm、5 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm。推薦盡量使用厚度為3 mm和6 mm的亞克力板來(lái)完成設(shè)計(jì)，適當(dāng)增加肋板支撐來(lái)提高原型機(jī)的剛度（如圖2所示），而不是只通過(guò)增加亞克力板材的厚度來(lái)增加剛度，避免材料浪費(fèi)。厚度為3 mm和6 mm的亞克力板的性?xún)r(jià)比較高，而且板材越厚自重也越大，有時(shí)候選擇過(guò)厚的板材會(huì)因?yàn)樽灾剡^(guò)大，反而降低了原型機(jī)的剛度。

3）在零件中設(shè)計(jì)圓孔的時(shí)候，圓孔直徑d推薦值為

式中，D為板材厚度，D≤12 mm。

如果圓孔設(shè)計(jì)得太小，而板厚又較大時(shí)，圓孔的切割質(zhì)量就會(huì)比較差。用最大輸出功率為120 W的CO2激光器，在厚度為12 mm的亞克力板上切割直徑為3 mm的孔，在不斷調(diào)整切割速度和切割能量后，都不能取得滿(mǎn)意的切割質(zhì)量，出現(xiàn)了圓孔變形、圓孔底部出現(xiàn)熔融物等問(wèn)題，把圓孔直徑擴(kuò)大到10 mm時(shí)就能取得較滿(mǎn)意的切割質(zhì)量。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，是因?yàn)樵诩す馇懈畹倪^(guò)程中，激光能量是從板材的上表面?zhèn)鬟f到底部的，當(dāng)板材比較薄的時(shí)候，能量的傳遞比較迅速，位于板材上表面和底部的材料都能夠幾乎同時(shí)地吸收足夠的能量而瞬間汽化；當(dāng)板材比較厚又要切割小孔的時(shí)候，位于板材上表面的材料有足夠的能量可以直接汽化，但是位于底部板材吸收能量的時(shí)間要比上表面的長(zhǎng)，再加上切割小孔導(dǎo)致熱量堆積在局部小范圍中，底部的亞克力沒(méi)來(lái)得及汽化，而是液化了，就成為熔融物并留在底部的邊緣。

圖1 凹凸鋸齒狀排版便于拼接

圖2

2 激光切割前對(duì)圖樣進(jìn)行排版優(yōu)化，提高亞克力板材下料利用率

1)零件之間的距離盡可能窄，爭(zhēng)取在一個(gè)幅面內(nèi)盡可能地多排版零件，但是零件之間又不能排得過(guò)于緊密，否則激光切割時(shí)候的熱影響區(qū)會(huì)影響臨近待切割的零件。零件之間的距離L推薦值為

式中:D為板材厚度，D≤12 mm；k取值范圍是0.25～0.5，k值的取值隨著板材增加而變小，根據(jù)具體的切割情況來(lái)調(diào)整。

一般板材為3 mm的板，零件之間的距離為1.5 mm較為合適，如圖3所示。

2）小零件與大零件放在一起套料切割。在原型機(jī)的制造中，肯定有大小不一的零件。由于零件自身的特點(diǎn)，許多大零件的內(nèi)部需要去掉材料的，如果將小零件盡可能地套在大零件要切去的地方進(jìn)行切割，可大大提高亞克力板的利用率。如圖3所示。

3）當(dāng)切割非常規(guī)則的零件時(shí)候，如矩形、三角形等，可以采取共線(xiàn)排版，讓零件邊緣之間共享一條線(xiàn)，切割的時(shí)候只需要走刀一次，就能夠同時(shí)切割兩條邊，減少走刀次數(shù)，也使得零件之間的距離減少到零，達(dá)到節(jié)省材料、節(jié)省加工時(shí)間的效果。如圖4所示。但是共線(xiàn)排版也有自身的缺點(diǎn)，就是隨著切割板材厚度的增加，會(huì)導(dǎo)致切割質(zhì)量的下降，這是因?yàn)殡S著板厚的增加，切縫寬度會(huì)增加。這里推薦的能做共線(xiàn)排版的板厚≤6 mm。

圖3 密集的排版和小零件嵌套在大零件中切割

圖4 共線(xiàn)排版

3 亞克力板的切割參數(shù)設(shè)置

對(duì)于切割參數(shù)的設(shè)置，主要就是兩個(gè)：切割速度，切割能量。這兩者需要配合好才能夠產(chǎn)生好的切割質(zhì)量。激光切割能夠把亞克力板切割穿透，就是在單位時(shí)間內(nèi)板材吸收了足夠的能量從而汽化，所有這兩個(gè)參數(shù)的配合大體有以下兩種思路：1）低切割功率，慢切割速度；2）高切割功率，高切割速度。如果采取第一種切割思路，板材是可以切割穿的，但是采取這種切割參數(shù)的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致熱量在局部聚集時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致熱影響區(qū)增大，切割質(zhì)量不好，亞克力板上容易產(chǎn)生熔融物。所以這里推薦第二種切割思路，在切割機(jī)的功率允許下，盡可能地把切割功率調(diào)到最高（由于各個(gè)廠(chǎng)家生產(chǎn)的激光發(fā)生器的最可允許值都不一樣，參照廠(chǎng)家提供的建議值為準(zhǔn)），再調(diào)節(jié)切割速度，從高速度開(kāi)始嘗試切割，過(guò)快的速度不能切穿板材，調(diào)節(jié)到能切割穿板材的為好。

4 用于亞克力板材粘接的膠水選擇

切割出來(lái)的亞克力板零件，一般是通過(guò)膠水來(lái)粘接在一起從而形成裝配體。市面上可以選擇的膠水非常多，這里推薦使用亞克力專(zhuān)用膠水，而不是使用萬(wàn)能型的502膠或AB膠等。亞克力專(zhuān)用膠水所用的是溶劑型黏合劑，其粘接原理是依靠腐蝕亞克力表面使二表面熔接在一起，所以此種膠水粘接后的粘接面是非常牢固的。選擇好合適的亞克力板粘接膠水很重要，因?yàn)榍懈畛鰜?lái)的零件大部分都是依靠膠水粘接在一起的，如果粘接強(qiáng)度差就會(huì)影響整個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度。

5 切割后亞克力板邊角料的回收與重用

每次激光切割加工完后，剩下的邊角料要及時(shí)回收和整理，以便下次加工時(shí)候能夠重用。亞克力板材除了有透明之外，還有其他不同的顏色，所以邊角料可以按照板材厚度和顏色來(lái)做不同的歸類(lèi)擺放。擺放的時(shí)候要注意板材的平放，不要倚靠墻邊斜放，否則會(huì)因?yàn)榘宀淖陨碇亓Χ鴮?dǎo)致板材彎曲，影響切割加工質(zhì)量。而且邊角料必須和完整的板材擺放在同一個(gè)區(qū)域，下次加工的時(shí)候要求優(yōu)先考慮領(lǐng)取邊角料，以增加邊角料的重用率。

6 激光切割亞克力板制造原型機(jī)在大學(xué)生競(jìng)賽和項(xiàng)目中取得良好效果

筆者指導(dǎo)大學(xué)生參加機(jī)械類(lèi)競(jìng)賽時(shí)，發(fā)現(xiàn)使用激光切割亞克力板制造原型機(jī)是個(gè)很好的方法，學(xué)生能較好較快地掌握激光切割的方法和技巧，加工難度比傳統(tǒng)的機(jī)械加工要低，加工速度快，大大縮短了原型機(jī)的制造時(shí)間，方便易用。特別對(duì)于大一的機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，許多積極踴躍的學(xué)生都會(huì)參加各種校內(nèi)外的競(jìng)賽和項(xiàng)目，他們自己有許多好的想法和點(diǎn)子，計(jì)算機(jī)三維建模設(shè)計(jì)之后希望能夠物化，使設(shè)計(jì)成為實(shí)物，那就需要加工，要他們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)掌握各種傳統(tǒng)機(jī)械加工機(jī)床是不太可能的，但是掌握使用激光切割機(jī)就比較適合了。最主要的是學(xué)生快速做出實(shí)物之后，能有很大的自我滿(mǎn)足感，給予了他們很大的鼓勵(lì)，也促進(jìn)了他們?cè)诟?jìng)賽中走得更遠(yuǎn)，走得更好。而且操作激光切割機(jī)床的危險(xiǎn)性也較低，也很適合在大專(zhuān)院校推廣使用。

激光切割亞克力板所制造原型機(jī)在大部分情況下強(qiáng)度是足夠的，可以滿(mǎn)足競(jìng)賽的要求，經(jīng)過(guò)若干次設(shè)計(jì)優(yōu)化迭代之后，亞克力板拼接起來(lái)的機(jī)構(gòu)可以直接作為競(jìng)賽的正式作品來(lái)參賽。如果亞克力板的強(qiáng)度不足夠，可以在快速制造原型機(jī)驗(yàn)證功能之后，重新用金屬或其他材料去制造最終的參賽作品，可以達(dá)到更好的效果。激光切割亞克力板制造的原型機(jī)，無(wú)論是否最終以這種結(jié)構(gòu)形式作為參賽的正式作品，在設(shè)計(jì)加速過(guò)程中都起了很大的作用。

7 結(jié)語(yǔ)

激光切割由于切口光滑、速度快，精度高，能一次成型，無(wú)需二次加工，節(jié)約了大量的時(shí)間和工序流程，再配合亞克力板的優(yōu)良激光切割特性，可以快速地從圖樣設(shè)計(jì)到制造原型機(jī)。本文通過(guò)介紹優(yōu)化亞克力零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高激光切割下料利用率、選擇專(zhuān)用的亞克力膠水、切割后亞克力邊角料重用、激光切割亞克力板制造原型機(jī)在大學(xué)生競(jìng)賽和項(xiàng)目的良好效果等應(yīng)用，給廣大工程人員提供一定的參考。

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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

（編輯立 明）

曾俊皓（1990—），男，工程碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事機(jī)械工程及自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)。

2017-04-25