Технология изготовления деталей из толстолистовой стали методом размерной лазерной резки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технология изготовления деталей из толстолистовой стали методом размерной лазерной резки

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

лазер резка сталь

Актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью внедрения в авиационную промышленность нашей страны технологий, соответствующих современному этапу научно-технического прогресса.

Главная черта данного этапа это применение в народном хозяйстве принципиально новых технологий, основанных на последних научных достижениях. Возникновение и развитие новых отраслей техники, таких как нанотехнологии, биомедицина, информатика, а также дальнейшее развитие традиционных отраслей машиностроения часто просто невозможны без применения принципиально новых технологий обработки материалов и изготовления изделий. Основные требования к новым технологиям в настоящее время заключаются, прежде всего, в их экологической чистоте, энергетической и ресурсной экономичности, полной автоматизации при высокой производительности и максимальном экономическом эффекте.

Лазерная технология, несомненно, относится к разряду современных технологий, ведь сегодня степень насыщения лазерным оборудованием для всех передовых промышленных стран стала одним из важнейших критериев индустриального развития. При этом роль флагмана в процессах освоения новых типов лазерного оборудования и технологий в промышленном производстве играет машиностроение. Это обусловлено, во-первых, общей лидирующей ролью этой отрасли в мировом научно-техническом прогрессе, а во-вторых, высочайшей технико-экономической эффективностью внедрения здесь лазерных технологий.

Значительную долю в производстве лазерной техники составляют лазерные технологические установки для обработки различных материалов - резки, сварки, сверления, маркировки, локального модифицирования поверхностного слоя. Характерными особенностями всех видов лазерной обработки являются высокие точность и качество обработки, высокие скорости обработки. Большой экономический эффект возникает за счет экономии материалов и энергоресурсов при сварке и резке, повышения производительности труда при сварке, размерной обработке и маркировке. Немаловажное значение приобретают вторичные эффекты, которые реализуются при использовании конструкций, изначально ориентированных на лазерные технологии, например, достижение большей прочности конструкции при одновременном снижении их металлоемкости. Преимуществами этой технологии также являются экологическая чистота, возможность осуществления процессов, недоступных большинству других технологий и возможность полной автоматизации. Всё это возможно благодаря особенностям лазерного излучения.

В нашей стране в авиационном производстве технология лазерной обработки практически не применяется. В этой связи актуальна задача внедрения технологии лазерного раскроя толстолистового материала.

Объектом иследования является технология обработки листовой стали толщиной более 10 мм методом лазерной резки и оборудование для её осуществления.

Целью работы является разработка технологии и совершенствование оборудования на базе СО₂ лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором с выходной мощностью излучения более 5 кВт для резки толстолистовой стали.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи

1. Анализ исследований в области технологии и современного оборудования для лазерной обработки и резки толстолистовой стали.

2. Разработка технологии резки листовой стали толщиной более 10 мм с использованием лазерного технологического оборудования на базе СО₂ лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором и выходной мощностью более 5 кВт.

3. Совершенствование конструкции лазера с целью увеличения мощности, повышения качества генерируемого излучения и разработка устройства для подачи вспомогательного газа для обеспечения данной технологии.

Методы исследований

Основные задачи работы решались на основе сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Теоретическая часть базировалась на теориях напряжённо-деформированного состояния, газодинамики, гидродинамики и нелинейной оптики.

Достоверность и обоснованность научных выводов и рекомендаций содержащихся в работе обеспечивается их экспериментальной проверкой.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана технология резки толстолистовой стали с использованием СО₂ лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором.

2. Установлено, что оптимизация конструкции разрядно-резонаторной камеры путём изменения степени секционированности электродных элементов позволяет повысить мощность и надёжность работы лазера.

3. Установлено, что повышение степени увеличения неустойчивого резонатора СО₂ лазера с 2,2 до 2,5 приводит к увеличению производительности резки при тех же режимах питания разрядно-резонаторной камеры.

4. Установлено, что для резки толстолистового материала эффективно подавать вспомогательный газ через сверхзвуковые сопла с малой степенью нерасчётности непосредственно в зону резки.

Практическая ценность

1. Разработаны рекомендации и технология резки толстолистовых материалов с использованием излучения быстропроточного СО₂ лазера с неустойчивым резонатором.

2. Разработана методика расчёта величины термического коробления заготовок, получаемых размерной лазерной резкой, которая используется для проектирования технологического процесса резки.

3. Повышена производительность резки толстолистового металла в результате расчётной оптимизации оптической системы лазерного технологического комплекса на отсутствие аберраций и астигматизма, а также за счёт модернизации конструкции разрядно-резонаторной камеры лазера.

4. Выполнено устройство для подачи вспомогательного газа в зону лазерной резки со сверхзвуковыми соплами, направленными непосредственно в зону резки, которое позволило осуществлять лазерную резку более эффективно по сравнению с другими устройствами данного типа.

Апробация работы

Результаты исследований доложены на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-07», опубликованы в трёх статьях в журнале «Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева» и отражены в трёх патентах и одной заявке, получившей положительное решение.

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных работах: трёх статьях в журнале, рекомендованном ВАК, и трёх патентах.

Реализация результатов работы

Материалы работы использованы для создания оборудования технологических комплексов ООО “Гиперболоид” и ОАО “КМПО” и переданы для использования в ОАО “КФ КБ Туполев”.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Технология резки толстолистовой стали с использованием СО₂ лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором.

2. Устройство для подачи вспомогательных газов при лазерной резке.

3. Результаты экспериментов по изменению степени увеличения неустойчивого резонатора СО₂ лазера.

4. Результаты экспериментов по увеличению степени секционированности катодной платы СО₂ лазера.

5. Методика расчёта величины термического коробления заготовок, получаемых размерной лазерной резкой.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объём работы 131 страница. Основной текст диссертации содержит 113 страниц машинописного текста, 38 формул, 73 рисунка и 22 таблицы. Список литературы содержит 52 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе приводится анализ состояния технологических процессов резки листового материала. Далее представлен обзор лазерного технологического оборудования, конструкции различных типов лазеров, их возможности в применении для резки толстолистовой стали.

Анализ показал, что в отечественной авиационной промышленности процесс внедрения лазерных технологий идёт медленнее, чем в других странах. Это притом, что в производстве авиационных двигателей в США, Японии и Германии - лазерная сварка и перфорация, резка и маркировка успешно применяются многие годы.

Предлагаемые на рынок зарубежными производителями лазерные технологические комплексы не обладают характеристиками, необходимыми для использования в авиационной промышленности. Они не обладают высокой мощностью, необходимой для выполнения широкого круга технологических задач. При их обслуживании, ремонте и переоборудовании необходимо привлекать зарубежных специалистов. Это увеличивает сроки ремонта, расходы на содержание и ограничивает возможности использования оборудования.

Применение лазера для технологии размерной резки толстых материалов накладывает повышенные требование к мощности и качеству генерируемого излучения. Существует два типа лазера, способных генерировать излучение высокого качества и повышенной мощности. Это волоконные лазеры с диодной накачкой и СО₂ лазеры.

Разработками волоконных лазеров занимается американская фирма IPG, все разработки по оборудованию данного лазера защищены законом об авторских правах. К моменту написания работы не решён вопрос с коллимированием излучения нескольких секций генератора волоконного лазера, что необходимо для обеспечения повышенной мощности. А также не решён вопрос с фокусировкой излучения данного лазера для резки.

В нашей стране до 90-х годов прошлого века успешно велись разработки СО₂ лазеров, в том числе в области их технологического применения. Существуют очевидные перспективы развития конструкций лазерных технологических комплексов на базе СО₂ лазеров типа ЛИ для резки сталей толщиной более 10мм. Существуют перспективы развития систем накачки, средств слежения за качеством излучения, систем фокусировки излучения и систем подачи вспомогательных газов.

Сформулирована цель работы.

Во второй главе решаются вопросы увеличения выводной мощности СО₂ лазера, повышения оптического качества оптической системы технологического комплекса и повышения эффективности подачи вспомогательных газов в зону резки.

Для осуществления технологии резки толстолистовых сталей необходима высокая плотность мощности лазерного излучения. Плотность мощности зависит от мощности источника лазерного излучения и качества системы фокусировки и транспортировки излучения. Рассматривая быстропроточный СО₂ лазер с поперечной прокачкой рабочей смеси газов и неустойчивым резонатором имеется 2 направления повышения выводимой мощности лазерного излучения: совершенствование системы “накачки” лазерной смеси и совершенствование резонатора.

В первой части второй главы рассматривается совершенствование системы накачки генератора лазерного излучения ЛИ20-030 путём модернизации конструкции катодной платы разрядной камеры лазера. Модернизация заключается в увеличении степени секционированности платы путём увеличения количества электродов предионизационного ряда.

Для этого в диэлектрической плите выполняются отверстия для диэлектрических втулок. В диэлектрические втулки вставляются электродные элементы, выполненные в виде полых металлических стержней. (рис.1.)

Рис.1 Разрез катодной платы в месте расположения электродного элемента: 1 - диэлектрическая плита; 2 - втулка из фторопласта; 3 - полый стержень; 4 - пластина для разделения потока хладагента; 5 - гайка с эмиттерной частью; 6 - уплотнительный элемент, 7 - трубка для подачи хладагента.

На рабочей части стержней выполняется резьба для глухой гайки с эмиттерным участком. Внутренняя полость стержня содержит пластину, разделяющую полость на две части для втекающего и вытекающего потоков хладагента. Во второй части проводилась экспериментальная проверка модернизированной разрядной камеры. Данные, полученные путём снятия вольт-амперной характеристики разрядной камеры показали, что катодная плата с увеличенным в 2 раза количеством электродов на предионизационном ряде позволяет осуществить вложение на 18% большей мощности в рабочее тело - газ. Замер лучевой мощности показал, что данная модернизация позволила увеличить мощность выводимого лазерного излучения с 8,3 до 9,63 кВт (на 14 %) на двойной цепи и с 12,43 до 14,2 кВт (на 13%) на тройной цепи. Вывод: имеется очевидная возможность увеличения мощности быстропроточного СО2 лазера с самостоятельным тлеющим разрядом с поперечной прокачкой рабочей смеси газов путём увеличения степени секционированности электродных элементов. Однако при увеличении мощности возникает ряд проблем, которые необходимо решать совместно для достижения положительного результата.

В третьей части главы приводится оптимизация параметров оптической системы лазерного технологического комплекса.

Применение лазера для резки толстолистовых сталей накладывает ряд условий к силовой оптике технологической системы. Самое главное из условий - использование зеркального объектива для фокусировки излучения. Причины применения зеркального объектива - повышенная мощность и большая апертура. Для обеспечения одномодового излучения большой мощности используется неустойчивый резонатор. Наличие неплоских поверхностей отражения в объективе и резонаторе лазера приводит к необходимости аберрационного расчёта при проектировании всей оптической системы. Проводился расчёт с оптимизацией и экспериментальной проверкой оптической системы технологического комплекса на базе излучателя ЛИ20-030 с целью обеспечения минимальных сферических аберраций и наибольшей плотности мощности в фокусе объектива. Расчёт проводился в три этапа. На первом этапе проводился расчёт резонаторов (рис.2).

Рис.2. Оптическая схема резонатора генератора ЛИ20-030

В качестве геометрических параметров системы задавались диаметры зеркал 1, 2 и 3, радиуса кривизны их отражающих поверхностей и расстояния между ними. После задания геометрических параметров проводилась оптимизация путём варьирования расстояний и радиусов кривизны оптических элементов для достижения наименьших значений аберраций.

Проводился расчёт резонаторов с увеличением М=2,2 и М=2,5.

На втором этапе проводился расчёт системы коллимирования излучения.(рис.3).

Рис.3. Оптическая схема системы вывода и коллимирования установки ЛИ20-030

Расчёт проводился из условия компенсации зеркалом 3 астигматизма, вносимого в лазерный пучок зеркалами 1 и 2 (так как последние установлены под углом к лазерному пучку). Компенсация астигматизма достигалась одновременным заданием определённого радиуса кривизны зеркала 3 и ориентацией его под заданным углом к лазерному пучку.

После этого рассчитывались и оптимизировались параметры фокусирующих объективов. Целью данного расчёта было определение геометрических параметров отражателей объектива, при которых возможно получить наименьшее пятно фокусировки.

Расчёт и оптимизация параметров оптических элементов проводились в компьютерной программе ZEMAX.

На основе выполненных расчётов были изготовлены отражатели лазерного технологического комплекса. Модернизация позволила увеличить производительность технологического комплекса на 10 %.

В четвёртой части описана экспериментальная проверка влияния изменения степени увеличения резонатора на производительность резки и экспериментальная проверка резонатора со сплошным пучком.

Экспериментальным путём было установлено, что повышение степени увеличения неустойчивого резонатора СО₂ лазера с 2,2 до степени увеличения 2,5 позволило повысить производительность резки на 10%.

В пятой части второй главы рассматривается проектирование устройства подачи вспомогательного газа при газолазерной резке.

При осуществлении технологии лазерной резки толстолистовой стали для обеспечения оптимальных режимов процесса необходимо обеспечить эффективную подачу вспомогательного газа с учётом специфики задачи.

Для этого было необходимо разработать устройство, обеспечивающее эффективную резку в составе рассматриваемого в работе комплекса на базе лазера ЛИ20-030. . Основные требования, предъявляемые к устройству: обеспечение эффективной резки толстолистовой стали, возможность работать с зеркальным фокусирующим объективом в режиме, безопасном для отражающей поверхности фокусирующего зеркала объектива и возможность комбинировать состав режущего газа.

Рассмотрены устройства для подачи газов, содержащие сужающиеся и комбинированные сопла.

Выявлено, что при использовании сверхзвукового сопла, при обеспечении торможения сверхзвукового потока не в прямом скачке, а в системе косых скачков, возможно существенно снизить потери полного давления по сравнению с сужающимися соплами, где происходит торможение струи в прямом скачке уплотнения. Благодаря этому возможно получить положительный эффект от повышения давления вспомогательного газа перед соплом более 0,45 МПа, а также обеспечить эффективную работу сопла на расстоянии от обрабатываемой поверхности, обезопасив тем самым его от повреждений.

Разработано устройство (Рис.4) содержащее корпус, конический патрубок для прохода лазерного излучения с заданным апертурным углом. Вокруг конического патрубка расположены сопла, оси которых образуют угол с осью объектива, для формирования сверхзвуковых струй с малой степенью нерасчётности. В патрубке выполнены кольцевые канавки с образованием полостей для распределения газа между соплами. Оси сопел пересечены с осью объектива в точке, являющейся точкой пересечения обрабатываемой поверхности с осью фокусирующего объектива, с возможностью воздействия всей кинетической энергии сверхзвуковых струй на обрабатываемую поверхность.

Рис.4. Устройство для формирования струи смеси вспомогательных газов при лазерной резке: 1 - фокусирующий объектив; 2 - корпус; 3 - конический патрубок с отверстиями-соплами; 4 - полости для распределения газа между соплами; 5 - сопла для формирования сверхзвуковых струй; 6- зона реза.

В патрубке может быть две или несколько кольцевых канавок, образующих изолированные полости, для каждого газа отдельно, для подачи и смешения в зоне реза различных газов. Например, воздуха и кислорода.

Данное устройство работает следующим образом. Газы подаются в кольцевые полости 4, каждый газ, например воздух и кислород, в отдельную полость. В полости происходит распределение газов по сверхзвуковым соплам 5, в соплах газы ускоряются, направляются в зону реза и воздействуют на материал. Смешение газов происходит в зоне реза 6.

К преимуществам такой схемы подачи газов относятся низкий расход газа, хорошая энергетика струи на безопасном расстоянии от среза сопла и возможность осуществлять резку на инертном газе с добавлением кислорода. Больший по сравнению с прототипом кпд рабочей смеси газов обеспечивается за счёт исключения потерь, возникающих при развороте струи, и при торможении в прямом скачке уплотнения.

Также предложена схема подачи газа, использующая свойства вихревого потока (рис.5).

Рис.5. Устройство для формирования струи газов при лазерной резке, использующая свойства вихревого потока: 1 - фокусирующий объектив; 2 - корпус; 3 - конический патрубок; 4 - втулка; 5 - отверстия; 6-полость; 7- зона реза.

Данное устройство придаёт потоку газа центробежную составляющую, обеспечивая высокую плотность потока. Высокая плотность обусловлена вихревой структурой потока. Элемент газа, находящийся на внешней стороне вихря, стремится под действием внутреннего давления и центробежной силы оторваться, этому препятствует внешнее давление. Если внутренние силы превышают внешние, элемент газа отрывается от вихря, так как для газа никаких препятствий к тому нет. Сумма внутренних сил оставшегося в стенках газа меньше внешних или равна им. Последнее состояние является неустойчивым. Сжатие тела вихря давлением окружающей среды вызывает увеличение скорости вращения, причем внутреннее давление при этом падает, так что равновесие остается неустойчивым и вихрь продолжает сжиматься. Таким образом, газовый вихрь концентрирует в себе энергию окружающей среды, увеличивая проникающую способность газового потока, повышая эффективность устройства.

В шестой части представлен газодинамический расчёт устройства со сверхзвуковыми соплами, целью которого было определение параметров сопел, при которых получаются перерасширенные струи с небольшой степенью нерасчётности. Расчёт основывался на теории одномерного течения газа и осуществлялся с использованием газодинамических функций.

Схема расчёта показана на рис.6.

Рис.6. Схема расчёта геометрии сверхзвукового сопла:

P_к - давление в коллекторе резака. P_c - давление на срезе сопла, P_а - атмосферное давление, d_кр - критический диаметр сопла, d_cp - диаметр среза сопла.

Выведена формула для определения d_cp:

 (1)

Из условия малой степени нерасчётности было принято . Решено поддерживать давление в коллекторе резака равным = 6 кг/см². Рассчитан расход газа для сопел с критическими диаметрами 0,8 мм, 1мм, 1,2 мм, 1,4 мм и рассчитано количество сопел каждого номинала.

Из условия равномерного распределения сопел по окружности и технологичности изготовления детали, содержащей сопла, решено принять =1 мм. Вычислено d_ср= 1,9 мм.

В последней части главы проведены эксперименты по резке толстолистовой стали с использованием разработанного устройства. Устройство позволило повысить производительность резки толстолистовой стали примерно на 35%.

Третья глава посвящена разработке технологического процесса лазерной резки толстолистовых сталей. В главе рассматриваются зависимости технологических параметров лазерной резки, предлагается модель коробления материала при лазерной резке и приводятся рекомендации по составлению технологического процесса лазерной резки.

В первой части производится анализ моделей возникновения грата на кромках обрабатываемого материала.

Во второй части производится экспериментальная оценка соответствия данных моделей процессу возникновения грата при резке толстолистовых сталей с использованием исследуемого оборудования. Выведена экспериментальная зависимость величины грата от скорости резки на исследуемом технологическом оборудовании (рис.7)



Рис.7 Зависимость величины грата от скорости резания для двух толщин (крестиками показаны экспериментальные точки)

В третьей части рассматривается влияние параметров процесса резки на чистоту поверхности кромки реза и на производительность процесса.

На рис.8 приведена экспериментальная зависимость шероховатости поверхности кромки от скорости резки СО₂ лазером с неустойчивым резонатором мощностью 15 кВт углеродистой стали Ст3, с использованием в качестве вспомогательного газа воздуха.

Выявлено, что резка с кислородом даёт значительное увеличение производительности. Поэтому целесообразно использовать при резке углеродистых сталей кислород или воздух с повышенным содержанием кислорода. Соотношение необходимо определить под конкретный технологический процесс с учётом производительности и затрат на производство.

Рис.8. Зависимость шероховатости кромки от скорости резания

При резке нержавеющих сталей большой толщины предпочтительнее использовать в качестве вспомогательного газа воздух, или воздух с добавлением некоторого количества кислорода.

При резке с использованием кислорода в качестве вспомогательного газа, необходимо определить для различных металлов и толщин металлов нижний предел по скорости, ниже которого резка нежелательна.

В четвёртой части рассматривается модель процесса коробления листового материала при резке лазерным лучом. Предложенная математическая модель коробления учитывает характеристики материала, толщину металла и габариты вырезаемых заготовок. К характеристикам материала относятся коэффициент линейного расширения, напряжения предела пропорциональности и модуль упругости.

На основе анализа процессов, происходящих при резке, сделан вывод, что температурное поле по толщине заготовки в процессе резки неравномерное.(рис.9)

Рис.9. Распределение зоны нагрева по толщине заготовки

Н - толщина разрезаемого материала Т - температура нагрева материала

Далее рассматривается деформация линейного элемента, которая представлена в виде нормальных напряжений.

Эти напряжения создают усилие P, которое, в свою очередь, создаёт момент относительно нейтрального слоя заготовки (рис.10):

 (2)

Рис.10. Зона воздействия нормальных напряжений

Так как усилие Р прилагается только вдоль одной из граней вырезаемой заготовки, то изгиб происходит в двух плоскостях и (рис.11). Однако для упрощения расчётной схемы решено считать, что изгиб происходит в одной плоскости.

Рис.11. Изгиб заготовки. (пунктиром показаны проекции заготовки на плоскости и)

В общем случае распределение напряжений после изгиба носит характер, показанный на рис.12.



Рис.12. Распределение напряжений после изгиба заготовки:- расстояние от нейтрального слоя до слоя, находящегося в пластическом состоянии.

Выражение изгибающего момента через нормальные напряжения:

. (3)

где - напряжения, не превышающие предел упругости,

- напряжения, превосходящие предел упругости.

С использованием (2) и (3) получено уравнение:

. (4)

Используя это уравнение, зная размеры получаемых заготовок и параметры материала, можно вычислить кривизну изгиба.

С учётом дополнительных преобразований и с использованием экспериментальных данных получено уравнение:

. (5)

Построены графики для двух марок сталей.(рис.13)

Рис.13 Графики зависимости радиуса кривизны отрезаемых лазером полос от их ширины В для двух материалов: 1 - 30ХГСА; 2 - Ст3

Данная модель позволяет предварительно рассчитать предполагаемую величину термической деформации и на основе полученных данных проектировать технологический процесс резки.

Пятая часть главы посвящена определению оптимальных параметров технологического процесса лазерной резки.

Для исследования были выбраны следующие параметры процесса лазерной резки: плотность мощности лазерного излучения, давление вспомогательного газа и скорость резания.

В технологии лазерной резки лазерное излучение служит для нагрева материала до определённой температуры. Степень концентрированности излучения определяется плотностью. Для исследуемого в работе технологического оборудования плотность мощности при выходной мощности лазера 10кВт составила 10⁸ Вт/см². Данной плотности мощности достаточно для нагрева стали до температуры плавления. (теплота плавления стали 205 кДж/кг)

В качестве вспомогательного газа использовался воздух. Скорость резания связана с расходом вспомогательного газа через канал реза. Практически расход газа через канал реза сложно оценить, так как он является комбинированным параметром и зависит от давления торможения газа на поверхности разрезаемого материала, ширины канала реза, формы канала, газодинамических особенностей процесса продувки. Параметром, который поддаётся регулировке, является давление Р_к вспомогательного газа в коллекторе газолазерного резака. Пользуясь зависимостями данного параметра от параметров технологического процесса необходимо учитывать, что данные зависимости справедливы лишь при использовании конкретной конструкции газолазерного резака. Такие конструктивные элементы резака, как диаметры сечений сопел, подающих газ в зону реза, их форма и количество, объём внутренней камеры резака, давление газа на входе в резак, а также расстояние от среза сопла резака до обрабатываемого материала могут оказывать значительное влияние на параметры технологического процесса.

Получена экспериментальная зависимость скорости резания от давления вспомогательного газа при использовании оборудования лазерного технологического комплекса ЛИ20-030. (рис.14.)

Рис.14. Зависимость скорости от давления вспомогательного газа Р_к при резке углеродистой стали Ст3: 1 - толщина 1 мм; 2 - толщина 10мм (крестиками показаны экспериментальные точки)

Из приведённого графика видно, что скорость резки в значительной мере зависит от давления вспомогательного газа. Для тонких металлов в данном случае ограничениями по скорости резки являются возможности приводов в обеспечении точного позиционирования инструмента в процессе резки на большой скорости.

Скорость лазерной резки является важнейшим параметром и в значительной степени зависит от плотности мощности и давления вспомогательного газа. Скорость резания связана с объемом металла, удаляемого в единицу времени следующим соотношением:

(6)

где

d - ширина реза,

H - толщина заготовки.

Объём удаляемого в единицу времени металла и ширина реза d величины постоянные для выбранного оборудования.

При этих условиях зависимость (6) при резке углеродистой стали Ст3 представлена на рис.15.

Рис.15. Зависимость скорости резки от толщины металла.

При разрезании более толстого материала максимальная скорость резки была меньше. Уменьшение скорости объясняется тем, что при увеличении толщины обрабатываемого материала расход газа через канал реза при том же давлении в коллекторе резака резко падает за счёт увеличения газодинамического сопротивления канала и выдув расплава из зоны резания значительно ухудшается. В этом случае для поддержания расхода необходимо увеличение давления газа или ширины канала реза. Обычно увеличение ширины канала реза происходит само собой при снижении скорости реза.

Это объясняется тем, что при длительном воздействии источника тепла и кислорода происходит интенсивное оксидирование стенок канала, а за счёт этого снижается теплоотвод и увеличивается поглощательная способность. В результате резко возрастает температура оксидированных слоёв и в определённый момент возможен переход к бесконтрольному горению - автогенному режиму. Это приводит к изменению коэффициента в функции .

В случае использования в качестве вспомогательного газа кислорода переход к бесконтрольному горению происходит значительно раньше. Именно поэтому при резке нержавеющих сталей большой толщины предпочтительнее использовать в качестве вспомогательного газа воздух.

В связи с этим необходимо отметить, что лазерные комплексы на базе маломощных (до 1 кВт) лазеров с устойчивым резонатором наиболее предпочтительны при резке тонколистовых (толщиной до 2..4 мм) металлов. Это объясняется тем, что излучение таких лазеров хорошо фокусируется и при использовании в качестве вспомогательного газа кислорода можно получить качественную и производительную резку. А, как уже было сказано, с увеличением толщины материала для нормального удаления расплава необходимо увеличивать ширину реза. Применяя для резки маломощный лазер, при увеличении пятна фокусировки плотность мощности снизится ниже минимального, необходимого для резки. Поэтому при резке толстого металла наиболее предпочтительными являются СО₂ лазеры с неустойчивым типом резонатора. При использовании данного типа лазера реально получить высокую мощность излучения (5кВт и выше). Излучение таких лазеров сложно сфокусировать, однако экспериментально установлено, что для резки 10 миллиметровой стали необходимо, чтобы канал реза был не менее 0,6 мм.

Далее даны ряд рекомендаций, которых следует придерживаться для снижения деформаций при лазерной резке, а также рекомендации для определения скорости и траектории резки при составлении технологического процесса.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана модель коробления металла при резке лазерным лучом большой мощности. Определена кривизна полосы в зависимости от толщины разрезаемого металла, механических свойств металла и коэффициента линейного расширения.

2. На основании экспериментальных исследований, связанных с увеличением степени секционированности электродной платы СО₂ лазера, удалось повысить мощность генерируемого излучения на 13 %. Получен патент на изобретение конструкции электродной платы.

3. Выполнены более совершенные расчёты оптической системы лазерного технологического комплекса, что позволило увеличить его производительность на 10 %. Экспериментальным путём установлено, что повышение степени увеличения неустойчивого резонатора СО₂ лазера с 2,2 до степени увеличения 2,5 позволяет повысить производительность резки на 10%.

4. На основании экспериментального исследования двух схем подачи газа в зону резки при газолазерной резке с использованием СО₂ лазера спроектировано новое устройство подачи газа, которое позволяет повысить производительность резки примерно на 35%. Получен патент на полезную модель устройства подачи вспомогательного газа в зону резки.

5. Разработаны рекомендации по составлению технологического процесса лазерной резки толстолистовых сталей на исследуемом лазерном технологическом комплексе.

6. Отработан технологический процесс резки сталей толщиной свыше 10 мм с использованием лазерного технологического оборудования на базе быстропроточного СО₂ лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1. Ананин В.Н., Катаев Ю.П. Модернизация лазерного технологического комплекса для резки листового металла толщиной более 10мм. Вестник КГТУ им Туполева - Казань, Изд. КГТУ №4 2007г., с. 11-13.

2. Ананин В.Н. Коробление листового металла при резке лазерным лучом. Вестник КГТУ им Туполева - Казань, Изд. КГТУ №1, 2008г, с.25-27.

3. Ананин В.Н., Катаев Ю.П. Зависимость качества и производительности лазерной резки от технологических параметров процесса. Вестник КГТУ им Туполева - Казань, Изд. КГТУ №2 2008 г. с.19-21.

4. Ананин В.Н. Особенности резки легированных сталей. Материалы докладов Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-07»

5. Патент №2344527 от 20.01.2009 изобретение №2007132434 «Электродная плата быстропроточного лазера с поперечной прокачкой газа», автор Ананин В.Н.

6. Патент №79825 от 20.01.2009 полезную модель №2008106806 «Устройство для газолазерной резки материалов», авторы Ананин В.Н., Катаев Ю.П.

7. Патент №75343 от 10.08.2008 на полезную модель №2008106809 «Устройство для газолазерной резки материалов», авторы Ананин В.Н., Катаев Ю.П.

8. Положительное решение от 28.01.2009 о выдаче патента по заявке на изобретение № 2007132433 «Неустойчивый кольцевой резонатор», автор Ананин В.Н.

Размещено на Allbest.ru