基于正交試驗的激光切割機穿孔工藝參數優化

朱鵬程，薛華軍，吳許祥，呂金鵬，凌步軍

（江蘇亞威機床股份有限公司 江蘇省金屬板材智能裝備重點實驗室，江蘇 揚州 225200）

近年來激光行業發展迅速，我國光纖激光切割成套設備已進入快速增長期，光纖激光切割機正逐漸改變著傳統的加工模式，并以其加工速度快、使用成本低、加工精度高等優勢，受到越來越多企業的青睞。隨著市場需求的變化，低功率的光纖切割機已不能滿足市場更厚的板材加工、更快的切割速度的要求，高功率的光纖激光切割機正逐漸成為國內外市場的寵兒，高功率的光纖激光在切割技術上應用也越來越多。不同于薄板穿孔，厚板穿孔更易出現爆孔、穿孔熔渣過多等情況，對工藝參數的要求更苛刻。本文在我司配置美國IPG6kW激光器及德國HIGHYAG-ZOOM切割頭（調焦變光斑）的HLF系列機床上，運用正交試驗設計方法進行切割試驗，在最少時間及成本消耗下，得到最優的穿孔工藝參數。

1 試驗材料、設備和方法

1.1 試驗材料與化學成分

選擇厚度為16mm的0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼為材料，表面粗糙度為1μm，切割60mm×60mm的方塊工件。材料化學成本如表1所示。

表1 0Cr18Ni9的化學成分表

1.2 試驗設備

采用江蘇亞威機床股份有限公司生產的HLF-2040激光切割機進行試驗，如圖1所示，該機床采用IPG公司生產的YLS-6000-CUT，BPP=3.78；切割頭采用德國HIGHYAG-ZOOM切割頭；準直鏡片焦長100mm，聚焦鏡片焦長150mm，焦距放大率M=1.2～3.2（ZOOM）。

圖1 HLF2040激光切割機

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗目的

獲得16mm不銹鋼最優的穿孔工藝參數。

1.3.2 試驗因素

根據初步研究，有4個因素需要確定最佳參數：頻率A，占空比B，ZOOM值C，焦點位置D。

第一次測試數據，設為A組，因素水平分布如表2所示。因素A頻率500HZ～700HZ；因素B占空比30%～40%；因素C ZOOM值1.2～1.5；因素D焦點位置-9～-11。

表2 因素水平分布表(A組)

1.3.3 選用合適的正交表

選用L9（34）正交表，為4因素、3水平，共做9次試驗。

1.3.4 試驗結果

按選用的正交表將表2中的因素順序上列，位極對號入座，然后進行試驗，并得出試驗結果如表3所示。

試驗結果使用評分制。如圖2所示。

表3 16mm奧氏體不銹鋼激光穿孔正交試驗表（A組）

圖2 16mm不銹鋼激光穿孔效果圖（A組）

1.3.5 試驗結果分析

（1）各因素對結果影響的重要程度。極差最大者即是對結果影響程度最大，極差最小者則影響程度最小，極差值=該因素位極均值最大值-位極均值最小值。如因素A頻率的極差=K2-K1=2-1.5=0.5。由表4的極差值可見，在選定的4個因素的數值范圍內，影響16mm不銹鋼穿孔的因素重要程度依次為B→D→A→C。

（2）觀察法。通過觀察，發現第7個穿孔點最好，其穿孔工藝條件為A3B1C3D2。

（3）計算法。分別計算各因素每種水平位極均值，均值越大，該因素在此水平的工藝條件越好。以因素A為例，因素A位極均值K1=因素A在水平評分之和／試驗次數，即K1=(S1+S2+S3)/3=(2+1.5+1)/3=1.5。同理B位極均值K2=(S2+S5+S8)/3=(1.5+2+1.3)/3=1.6

表4中，備注“★”為計算比較后，各因素最好的水平，綜合后最好的穿孔工藝條件是A2B1C3D2。

（4）趨勢分析。如圖3所示。

圖3 各因素隨水平變化趨勢分析圖

由圖可見，A因素和D因素的位極均值隨水平先升高再降低，理論上范圍已經確定，但是為進一步確定，可增大因素A和因素D的測試范圍。因素B和因素C還有潛力可挖，增大范圍進一步測試。

1.3.6 第二次測試

通過對第一次的測試的結果分析，改變各因素的測試范圍，進行第二次正交測試。第二次測試數據，設為B組，選位極（水平），如表4所示。因素A頻率500HZ～900HZ；因素B占空比20%～50%；因素C ZOOM值1.5～1.9；因素D焦點位置范圍不變，依舊設為-9～-11。

表4 因素水平分布表(B組)

測試結果如表5所示。

試驗結果按穿孔的質量打分量化。如圖4所示。

表5 16mm奧氏體不銹鋼激光穿孔正交試驗表（B組）

圖4 16mm不銹鋼激光穿孔效果圖（B組）

試驗結果分析：

（1）因素對結果影響的重要程度。通過對表5極差值的比較，在選定的4個因素的數值范圍內，影響16mm不銹鋼穿孔的因素重要程度依次為B→A→D→C

（2）觀察法。通過觀察，發現第1個和第7個穿孔點最好，其穿孔工藝條件分別為A1B1C1D1、A3B1C3D2。

（3）計算法。同理，分別計算各因素每種水平位極均值。表4中，備注“★”為計算比較后，各因素最好的水平，綜合后最好的穿孔工藝條件是A1B1C3D2。

（4）趨勢分析。如圖5所示。

圖5 各因素隨水平變化趨勢分析圖

由圖可見，通過前2次測試，因素C ZOOM在進一步增大范圍后，繼續呈上升趨勢，仍有潛力可挖，可再次進行增大范圍測試 。因素A頻率和因素B占空比在改變范圍后，呈連續遞減趨勢，但受機床參數限制，因此再次測試時，因素A范圍不變，因素B范圍可適當微調。因素D焦點通過前2次測試，發現焦點放在-10，穿孔效果較好，因此因素D固定設為-10。

1.3.7 第三次測試

通過對第一次和第二次的測試結果進行分析，改變各因素的測試范圍，進行第三次正交測試。第三次測試數據，設為C組，選位極（水平），如表6所示。因素A頻率500HZ～900HZ；因素B占空比20%～30%；因素C ZOOM值2～3；因素D焦點位置固定-10。

表6 因素水平分布表(C組)

測試結果如表7所示。

試驗結果按穿孔的質量打分量化。如圖6所示。

表7 16mm奧氏體不銹鋼激光穿孔正交試驗表（C組）

圖6 16mm不銹鋼激光穿孔效果圖（C組）

試驗結果分析：通過觀察，經過前兩次試驗的總結，在進一步優化各因素的試驗范圍后，第三次穿孔整體效果都比較好，大部分的穿孔效果已滿足后續激光切割的要求。其中又以第7個穿孔點最好，其穿孔工藝條件為A3B1C3。考慮到因素A、B和C已基本達到極限值，不能改變，綜合評定，本次實驗16mm不銹鋼最好的工藝條件為：頻率900HZ，占空比20%，ZOOM值 3.0，焦點 -10。

2 試驗結果的穩定性驗證

為保證試驗得出的結果的可靠性，對最終的數據結果進行重復性測試。以16mm不銹鋼穿孔為例，用最終的工藝條件進行連續穿孔，如圖7所示。

圖7 16mm不銹鋼最終工藝穿孔效果圖

由圖可見，用最終的工藝條件進行連續重復穿孔，穿孔效果基本一致，穩定性可靠，可推廣使用。

3 總結

采用正交試驗法在6kW光纖激光切割機上對16mm奧氏體不銹鋼進行穿孔工藝試驗，以最少的人力和物力消耗，在最短的時間內獲得最優的工藝參數。采用正交試驗法可提高產品質量水準，縮短新產品的試驗周期，降低成本，大大提升產品的市場競爭力。

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