梁鵬鵬 吳俊華 趙洪剛 王卿平 劉明利

（北華大學(xué)吉林省木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林省吉林市 132013）

激光能量具有高度集中、加工速度快、在加工過(guò)程中不會(huì)對(duì)材料造成機(jī)械擠壓和機(jī)械應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，因而激光加工成為加工業(yè)中最常用及最重要的生產(chǎn)加工方式之一[1-7]。然而，目前有關(guān)激光在木材加工業(yè)的應(yīng)用研究不多，涉及到技術(shù)參數(shù)方面的研究較少[8-11]。在生產(chǎn)中激光切削主要根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)試切后再加工[12-18]，而木材材性復(fù)雜，經(jīng)驗(yàn)又有一定的局限性，因此需經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)進(jìn)一步揭示其規(guī)律[19-23]。鑒于此，本研究針對(duì)激光切割樺木作為拼花地板表板的工藝[24]，分析激光機(jī)技術(shù)參數(shù)中的進(jìn)給速度、激光光強(qiáng)對(duì)樺木切削效果的影響規(guī)律，并在其中引入變化率的研究方法。

1 材料與方法

1.1 材料

樺木（Betula），采自大興安嶺，在東北室內(nèi)干燥環(huán)境下存放多年，含水率約為11%，尺寸為200（ L） mm ×200（ T） mm × 10（ R） mm，弦切面。順紋切削，激光切削長(zhǎng)度190 mm。

1.2 設(shè)備

CMA1390型CO2激光切割機(jī)，廣東大族粵銘激光科技股份有限公司；VHX-2000型超景深三維顯微系統(tǒng)，基恩士公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1） 激光機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)切削效果影響復(fù)雜，本文以樺木為試材，選取激光機(jī)光強(qiáng)、進(jìn)給速度為影響因素，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分析兩者對(duì)樺木切削效果的影響規(guī)律。切縫切削效果取切縫深度（縫深）、切縫寬度（縫寬）、單側(cè)表面切削炭化影響區(qū)寬度（切縫邊緣附近木材被炭化距離），因切縫形狀不規(guī)則，縫寬和影響區(qū)寬度均取較大值的表面處。并引入了變化率的概念，分析光強(qiáng)和進(jìn)給速度兩因素變化對(duì)切削效果的影響程度。數(shù)據(jù)根據(jù)優(yōu)先數(shù)系理論取值，光強(qiáng)近似按1.6公比，進(jìn)給速度前兩個(gè)公比近似按1.6取值，第3個(gè)公比為1.25，以體現(xiàn)不同的速度變化率。結(jié)合前期經(jīng)驗(yàn)，將激光噴嘴到試件的垂直距離固定為6 mm，在光強(qiáng)分別為35%、60%、100%時(shí)，進(jìn)給速度取30、50、80、100 mm/s，采用縱橫向比較的方法[25-26]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2） 切縫檢測(cè)因其過(guò)于窄小難以采用常規(guī)手段，因此切削后在試件不同部位橫向截?cái)啵苑墙佑|方式在VHX-2000型超景深三維顯微系統(tǒng)下放大觀察測(cè)量，精度1 μm。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同技術(shù)參數(shù)下的切削效果

以不同光強(qiáng)、進(jìn)給速度對(duì)樺木進(jìn)行激光切削，結(jié)果如表1所示。

表1 樺木在不同光強(qiáng)、進(jìn)給速度下的切削效果Tab.1 Cutting effect of birch under different light intensity and feed speed

（續(xù)表1）

2.2 不同光強(qiáng)下進(jìn)給速度對(duì)切削效果的影響

根據(jù)表1，結(jié)合縱橫向比較法，提取相同光強(qiáng)下進(jìn)給速度對(duì)切削效果的影響并繪制曲線圖，如圖1所示。

分析圖1可知，在中低光強(qiáng)（35%、60%）時(shí)，不同進(jìn)給速度對(duì)縫深的影響規(guī)律相近，以進(jìn)給速度80 mm/s為界，先增后減。在大光強(qiáng)（100%）時(shí)，縫深隨著進(jìn)給速度增加而減小。在中低光強(qiáng)下，不同進(jìn)給速度對(duì)縫寬的影響規(guī)律相近，隨著進(jìn)給速度增加，縫寬變小。在大光強(qiáng)下，縫寬呈波動(dòng)形式變化，但變化程度較小。總體來(lái)說(shuō)，光強(qiáng)對(duì)單側(cè)表面炭化影響區(qū)寬度影響較小，進(jìn)給速度越高，波動(dòng)越小。當(dāng)光強(qiáng)為100%，速度為50 mm/s或光強(qiáng)為60%，速度為30 mm/s時(shí)，影響區(qū)寬度較大，其他情況下變化較小，波動(dòng)也小。

在同一進(jìn)給速度下，隨著光強(qiáng)增加，縫深增加，但在超過(guò)80 mm/s后，增加程度有限，即在高進(jìn)給速度下，光強(qiáng)影響變?nèi)酢?/p>

用激光切削樺木，本質(zhì)上還是木材的燃燒反應(yīng)，光強(qiáng)體現(xiàn)的是激光能量，進(jìn)給速度則體現(xiàn)的是激光作用時(shí)間。在中小光強(qiáng)下，進(jìn)給速度越小，作用時(shí)間越長(zhǎng)，參與燃燒的樺木越多，切縫處樺木向兩側(cè)擴(kuò)散燃燒，造成縫寬大、縫深小的現(xiàn)象。但進(jìn)給速度超過(guò)80 mm/s時(shí)，作用時(shí)間過(guò)短，樺木來(lái)不及燃燒，參與燃燒的樺木減少，因此縫深和縫寬均變小。而大光強(qiáng)下，激光能量充足，進(jìn)給速度影響變?nèi)酰S著進(jìn)給速度增加，縫深一直變小，但縫寬出現(xiàn)波動(dòng)，激光能量與樺木擴(kuò)散燃燒速度綜合作用決定了切削效果。在生產(chǎn)中可以根據(jù)所需的切削效果選擇合適的技術(shù)參數(shù)組合，例如對(duì)含水率11%的樺木進(jìn)行切削加工，要求獲得的切縫深度約為2 000 μm、切縫寬度約為300 μm及較窄的切縫單側(cè)表面炭化寬度（30～50 μm）時(shí)，為最大程度提高生產(chǎn)率，可采用較高的進(jìn)給速度80 mm/s，并對(duì)應(yīng)選擇激光強(qiáng)度為60%。

由圖1可知，各種變化規(guī)律均不成正比例函數(shù)形式。趨勢(shì)變化情況說(shuō)明，激光機(jī)技術(shù)參數(shù)之間存在交互作用，與木材的燃燒特性也存在交互作用，因此需進(jìn)一步研究激光機(jī)技術(shù)參數(shù)的選擇與切削效果之間的變化規(guī)律。

圖1 一定光強(qiáng)下進(jìn)給速度對(duì)切削效果影響Fig.1 Influence of feed speed on cutting effect under certain light intensity

2.3 變化率分析

本研究運(yùn)用變化率（變化量）的概念對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，從變化程度，即隨著激光機(jī)技術(shù)參數(shù)變化，切削效果值變化快慢角度進(jìn)行分析。為簡(jiǎn)化規(guī)律，易于觀察，不考慮交互作用，僅考慮單因素變化。

變化率在單因素變化規(guī)律分析中為切削效果變化量對(duì)原效果值的比值，公式如下：

式中：δ為變化率，無(wú)量綱；L為下一次切削效果值，mm；L0為原切削效果值，mm。

由于式中分子變化量減小時(shí)為負(fù)值，不便于分析，因此在公式（1）中加1，為絕對(duì)變化量，即

根據(jù)公式（2）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，分析在光強(qiáng)相同時(shí)各種切削效果隨進(jìn)給速度變化量的規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，圖中縱坐標(biāo)均為變化率；橫坐標(biāo)為變化次數(shù)。其中，1、2點(diǎn)進(jìn)給速度的增加速率均近似為公比1.6，變化速率相近；3點(diǎn)為1.25，增加速率下降。曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)變化量值大于1表示下一次相應(yīng)的切削效果比原值大，即為增加速率，小于1為減小速率。曲線上揚(yáng)表示速率變化程度變大，下降表示速率變化程度變小，曲線陡峭程度表示速率變化程度快慢。

從圖2可見(jiàn)，隨著進(jìn)給速度增加，但增加速率下降的情況下：

圖2 一定光強(qiáng)下切削效果與進(jìn)給速度變化率對(duì)比Fig.2 Comparison of cutting effect and change rate of feed speed under certain light intensity

1）在光強(qiáng)為35%時(shí)，縫深速率曲線與進(jìn)給速度速率變化曲線近似平行，說(shuō)明兩者變化程度近似成正比例?？p深速率曲線先緩慢增加而后快速減小，縫深絕對(duì)值為先增加而后減小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在第2點(diǎn)，進(jìn)給速度80 mm/s處。同理，以第2點(diǎn)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，縫寬初期與進(jìn)給速度近似成正比變化，后期為反向比例變化?？p寬絕對(duì)值一直在減小，但到第3點(diǎn)開(kāi)始接近不變。影響區(qū)寬度與進(jìn)給速度不成比例變化，其絕對(duì)值為先增后減規(guī)律。

總體上，縫深在第二次變化后（進(jìn)給速度大于80 mm/s）小于1，表示其絕對(duì)值開(kāi)始減??；縫寬速率曲線初期平緩，后期增大較快，接近于1，隨著進(jìn)給速度的增加，縫寬先緩慢減小而后回升，最終其寬度變化接近于不變；影響區(qū)寬度變化始終減小。也就是說(shuō)進(jìn)給速度80 mm/s時(shí)是各種切削效果變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

2）在光強(qiáng)為60%時(shí)，隨著進(jìn)給速度增加，但增加速率下降情況下，縫深先增后減，減小速率大，縫寬卻是先減后增，影響區(qū)寬度增加，但速率變小，3個(gè)切削效果的波動(dòng)都較大。

3）在光強(qiáng)為100%時(shí)，隨著進(jìn)給速度變化，縫深接近于不變?？p寬和影響區(qū)寬度均為先減后增，且波動(dòng)較大。

同理，在進(jìn)給速度相同情況下，分析光強(qiáng)變化對(duì)切削效果的影響：

1）在進(jìn)給速度為30 mm/s和50 mm/s時(shí)，隨光強(qiáng)增加，縫深和縫寬緩慢增加，影響區(qū)寬度呈波動(dòng)變化。

2）在進(jìn)給速度為80 mm/s時(shí)，隨光強(qiáng)增加，縫寬緩慢增加，縫深和影響區(qū)寬度呈波動(dòng)變化?？p深先增后減，影響區(qū)寬度先減后增，其波動(dòng)較大。

3）在進(jìn)給速度為100 mm/s時(shí)，隨光強(qiáng)增加，縫寬緩慢增加，縫深和影響區(qū)寬度呈波動(dòng)變化，均為先減后增，影響區(qū)寬度波動(dòng)較大。

3 結(jié)論

1）激光機(jī)技術(shù)參數(shù)中光強(qiáng)、進(jìn)給速度兩個(gè)因素對(duì)切削效果的影響均非單調(diào)，而是存在交互作用，其規(guī)律還需大量試驗(yàn)加以細(xì)化。本文在規(guī)律分析中提出了變化率的概念，有助于分析激光機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)切削效果的影響程度，以更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

2）切削條件不同，產(chǎn)生的切削效果差別也較大。在生產(chǎn)中可以根據(jù)所需的切削效果選擇合適的技術(shù)參數(shù)組合，如需取得較大縫深、較小縫寬和影響區(qū)寬度，可以取光強(qiáng)為60%，進(jìn)給速度為80 mm/s，在此條件下生產(chǎn)效率和功率消耗較為合理。如作雕刻加工，則采取小光強(qiáng)、大進(jìn)給速度組合更為合理。

3）木材在激光作用下，產(chǎn)生極速燃燒，與普通燃燒存在較大差異，其變化規(guī)律和機(jī)理仍有待更深層次的研究。