Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса. Постановка цели и задач исследования 10
1.1. Системагизация хрупких неметаллических материалов и виды применяемых технологических воздействий 10
1.2. Сравнительный анализ методов формообразования хрупких неметаллических материалов 13
1.3. Анализ механизмов процесса оптического пробоя в объеме материала и оценка их вклада в форму образуемых разрушений 22
1.4. Анализ механизмов процесса оптического пробоя поверхности хрупких неметаллических материалов 38
Выводы по главе. Цель работы и задачи исследования 40
Глава 2. Теоретические исследования лазерного дискретного формообразования поверхности хрупких неметаллических материалов 43
2.1. Анализ способов лазерного дискретного формообразования поверхности 43
2.2. Лазерное дискретное формирование разделяющей поверхности в объеме материала 46
2.2.1. Разработка технологических схем формообразования 46
2.2.2. Определение условий образования непрерывной поверхности 48
2.3. Лазерное дискретное формообразование поверхности в результате съема материала 50
2.3.1. Разработка технологических схем формообразования 50
2.3.2. Определение условий образования непрерывной поверхности 59
2.4. Влияние нагрева материала на порог оптического пробоя при воздействии наносекундного лазерного излучения 67
Глава 3. Экспериментальные исследования лазерного дискретного формообразования поверхности хрупких неметаллических материалов 74
3.1. Исследования лазерного дискретного формирования разделяющей поверхности в объеме материала 76
3.1.1. Исследование структуры разрушений в объеме обрабатываемого материала 76
3.1.2. Исследование влияния поляризации лазерного излучения на формирование разрушений в объеме обрабатываемого материала 82
3.1.3. Исследование формообразования материалов с применением рациональных схем относительного расположения разрушений 84
3.2. Исследования лазерного дискретного формообразования поверхности в результате съема обрабатываемого материала 89
3.2.1. Исследование формообразования от «входной» поверхности обрабатываемых материалов 89
3.2.2. Исследование формообразования от «выходной» поверхности прозрачных обрабатываемых материалов 98
3.2.3. Исследование формообразования поверхности материалов в различных технологических средах 101
3.2.4. Исследование процессов эвакуации продуктов обработки 105
Глава 4. Технологические исследования лазерного дискретного формообразования поверхности. Примеры реализации способа 111
4.1. Прогнозируемые технологические показатели лазерного дискретного формообразования 111
4.2. Примеры реализации лазерного дискретного формообразования 120
4.2.1. Получение глубоких отверстий 121
4.2.2. Получение фасонных отверстий 121
4.2.3. Получение объемных элементов с комбинацией поверхностей... 122
4.2.4. Получение комплексов поверхностей 124
4.2.5. Получение внутренних незамкнутых полостей 127
4.3. Разработка системы автоматизированного проектирования технологических операций 128
Выводы по главе 132
Заключение 134
Список литературы 137
Приложение 147
- Сравнительный анализ методов формообразования хрупких неметаллических материалов
- Лазерное дискретное формирование разделяющей поверхности в объеме материала
- Исследования лазерного дискретного формообразования поверхности в результате съема обрабатываемого материала
- Примеры реализации лазерного дискретного формообразования
Введение к работе
На сегодняшний день лазерная импульсная обработка нашла широкое применение в технологиях последовательного дискретного формообразования поверхности твердых неметаллических материалов, обладающих повышенной хрупкостью таких, как стекло, керамика, стеклокристаллические и полупроводниковые материалы. Широкое распространение определяется гибкими возможностями формообразования поверхностей обрабатываемых материалов, отсутствием как такового износа инструмента, высокой локализацией воздействия на материал и возможностью использования свойства оптической прозрачности обрабатываемого материала для осуществления технологических воздействий.
Основными способами лазерного импульсного формообразования поверхности, которые используются при обработке указанных материалов, являются абляция и объемное скрайбирование.
Лазерная абляция обеспечивает высокую точность и качество обработки, минимальные термические воздействия и возможность обработки большого числа хрупких неметаллических материалов. Тем не менее, высокая пространственная (2-3 мкм) и временная локализация (до 10 фс) энергии определяют низкую производительность способа и возможность его эффективного применения только для микрообработки.
Объемное скрайбирование прозрачных хрупких материалов импульсным лазерным излучением позволяет осуществлять последовательное формообразование, основанное на формировании поверхности разделения в объеме прозрачного материала, состоящей из локальных разрушений, формируемых с некоторым шагом. К недостаткам способа можно отнести необходимость приложения механических изгибающих усилий для достижения полного разделения и возможность осуществлять разделение только по плоским поверхностям.
Таким образом, указанные способы последовательного дискретного
формообразования хрупких неметаллических материалов имеют различные ограничения, связанные с низкой производительностью или малыми возможностями формообразования поверхностей.
На основании вышеизложенного, исследование и совершенствование лазерного импульсного формообразования поверхности хрупких неметаллических материалов является актуальной задачей.
Актуальность исследований подтверждается заключением договора JN« 7673Р/11201 на выполнение НИОКР с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе УМНИК.
Целью настоящей работы является расширение технологических возможностей процесса лазерной импульсной обработки хрупких неметаллических материалов.
Достижение поставленной цели требует решения ряда основных задач:
Теоретические исследования по определению условий образования непрерывных поверхностей при условии переменных коэффициентов перекрытия лунок на поверхности и по глубине и использовании рациональных схем относительного расположения локальных разрушений в объеме обрабатываемого материала.
Разработка технологических схем лазерного импульсного формообразования хрупких неметаллических материалов.
Теоретическое исследование влияния нагрева материала на формирование качественных показателей поверхности.
Разработка методики и проведение экспериментальных исследований лазерного импульсного формообразования с целью определения оптимальных технологических режимов.
Разработка специального программного обеспечения для автоматизации проектирования технологических операций лазерного импульсного формообразования и создания управляющих программ для лазерной технологической установки с ЧПУ.
Методы исследования.
Анализ теоретических и практических работ по теме диссертации; теоретические исследования выполнены с применением математической модели процесса оптического пробоя идеального газа с последующей адаптацией этой модели к прозрачным диэлектрическим твердым материалам; обработка результатов экспериментальных исследований производилась с использованием методов математической статистики в программных пакетах MathCAD и MS Excel.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты теоретических исследований по определению условий образования непрерывных поверхностей при использовании переменных коэффициентов перекрытия лунок на поверхности и по глубине и использовании рациональных схем относительного расположения локальных разрушений в объеме обрабатываемого материала.
Результаты теоретического анализа влияния нагрева обрабатываемого материала на формирование качества поверхности, определяемого величиной единичного съема материала.
Технологические схемы лазерного импульсного формообразования хрупких неметаллических материалов, предусматривающие обработку от «входной» и «выходной» поверхностей и в объеме обрабатываемого материала.
Установленные зависимости влияния технологических параметров лазерного импульсного излучения на регулярность геометрии образуемых лунок в условиях жидкой технологической среды с низким коэффициентом вязкости.
Технологические регламенты лазерного импульсного формообразования поверхности в хрупких неметаллических материалах.
Научная новизна заключается в обосновании связи единичных зон разрушений с процессом образования непрерывных «входных», «выходных» и «внутренних» поверхностей при условии использования переменных ко-
эффициентов перекрытия лунок, схем рационального относительного расположения микрорасколов, а также жидкой технологической среды с низким коэффициентом вязкости.
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что:
обоснована связь единичных зон разрушений с процессом образования непрерывных «входных», «выходных» и «внутренних» поверхностей при условии переменных коэффициентов перекрытия лунок и схем рационального относительного расположения микрорасколов;
на основании теоретического исследования влияния нагрева материала натрий-кальций-силикатного стекла, установлено, что повышение температуры обрабатываемого материала с 273 до 500 К уменьшает пороговую интенсивность оптического пробоя приблизительно на 8%, в результате чего возможно осуществлять меньший единичный съем материала и как следствие достигать более высокого качества обработанной поверхности.
Практическая значимость исследования состоит в следующем:
разработан и защищен патентом способ лазерного импульсного формообразования твердых неметаллических материалов, позволяющий получать фасонные и комбинированные отверстия, глубокие отверстия (с отношением глубины к диаметру > 10) и внутренние незамкнутые полости в объеме прозрачных материалов;
на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований, разработаны технологические регламенты лазерного импульсного формообразования хрупких неметаллических материалов, позволяющие задавать производительность и качество обработки;
разработанное специальное программное обеспечение, позволяет автоматизировать проектирование технологических операций лазерного импульсного формообразования.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных конференциях «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2007 - 2010), на конференциях про-
фессорско-преподавательского состава ТулГУ (2007-2010), Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии обработки металлов» (Тула, 2008), Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения XXXIV» (Москва, 2008), I магистерской научно-технической конференции (Тула, 2007).
Цель работы и ее основные задачи определили структуру диссертационного исследования. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
Первая глава является обзорной, в ней проводится анализ существующих методов формообразования хрупких неметаллических материалов, рассматриваются их основные преимущества и недостатки. В главе также обосновывается необходимость разработки способа лазерного дискретного формообразования материалов, основанного на механизме хрупкого разрушения в результате оптического пробоя материала, и проводится анализ механизмов оптического пробоя в объеме и на поверхности хрупких неметаллических материалов.
Вторая глава является теоретической. В главе обоснованы условия образования непрерывной поверхности при лазерном дискретном формообразовании при использовании переменных коэффициентов перекрытия лунок на поверхности и по глубине обрабатываемого материала и при использовании схем рационального относительного расположения микрорасколов в объеме материала. Представлены разработанные технологические схемы лазерного дискретного формообразования хрупких неметаллических материалов. Произведено моделирование температурного влияния на порог оптического пробоя материала при воздействии импульсного наносекундного лазерного излучения.
Третья глава является экспериментальной. В ней изложены методика проведения и результаты экспериментальных исследований процессов лазерного дискретного формообразования поверхности прозрачных и непрозрачных хрупких неметаллических материалов.
Четвертая глава является технологической обобщающей частью исследовательской работы. В ней представлены примеры выполнения некоторых технологических операций с помощью разработанного способа. Представлено описание разработанного специального программного обеспечения для автоматизации проектирования технологических операций лазерного дискретного формообразования.
В заключении приводятся выводы и основные результаты работы.
Работа выполнена на кафедре «Физико-химических процессов и технологий» ГОУ ВГЮ «Тульский государственный университет».
Автор выражает благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой ФХПиТ, член-корр. АТН РФ, д.т.н., профессору В.В. Любимову, д.т.н., профессору В.К. Сундукову, а также всем сотрудникам кафедры и лаборатории за помощь, поддержку и рекомендации при выполнении работы.
Сравнительный анализ методов формообразования хрупких неметаллических материалов
В настоящее время для формообразования поверхности хрупких неметаллических материалов, таких как различные виды стекла и керамики, в большинстве случаев используют механическую, ультразвуковую, гидроабразивную и лазерную обработку (рис. 1.2). Все перечисленные методы, кроме лазерного, основаны на абразивной обработке поверхности обрабатываемого материала, при которой преобладает механизм хрупкого разрушения, в основе которого лежит процесс образования трещин [42].
Методы механической обработки широко применяются для формообразования хрупких неметаллических материалов. Основной причиной широкого применения послужили следующие причины:- теория механической абразивной обработки хрупких материалов хорошо развита [41]. Разработано множество различных инструментов, шлифовальных и полировальных абразивных паст [43]; — большая производительность за счет большой площади воздействия, например при шлифовании;— большие возможности в реализации операций формообразования: различные профильные инструменты позволяют получать сложные поверхности или комбинации обработанных поверхностей.
Однако механическая обработка имеет недостатки:— в процессе абразивной обработки разрушается и изнашивается как обрабатываемый материал, так и абразивный инструмент;— для достижения необходимого качества обработанной поверхности необходимо разделять обработку на несколько этапов (черновой, чистовой, доводочный), что сопровождается большими энерэнергозатратами;— силы резания и вибрация, сопровождающие практически все способы механической обработки делают сложным осуществление обработки малых деталей с размерами приближенных к микромасштабу.
Ультразвуковое формообразование является эффективным методом для обработки изделий из хрупких неметаллических материалов, таких как стекло, ситаллы, фарфор, металло- и минералокерамика [44]. Его преимуществами являются: малые усилия резания; возможность одновременной обработки нескольких полостей сложной пространственной формы; высокая достижимая точность и качество поверхности (Ra 0,5-3 мкм); отсутствие измененной структуры и свойств поверхностного слоя изделия; высокая экологическая чистота технологического процесса.
Основной проблемой ультразвуковой обработки является высокий относительный износ инструмента (отношение износа инструмента по длине к глубине получаемого отверстия), который составляет до 50 %. Износ обрабатывающего инструмента выступает сдерживающим фактором при использовании данного метода. Следовательно, применение ультразвукового формообразования для различного рода прецизионных деталей затруднено, особенно, в условиях массового производства, поскольку износ инструмента будет требовать его частой замены для достижения необходимой точности.
Гидроабразивная обработка позволяет осуществлять операции резания большого числа хрупких неметаллических материалов [38]. При этом, основное достоинство гидроабразивной обработки состоит в том, что, нивелируется тепловое воздействие на обрабатываемый материал. Образуемое в процессе обработки тепло практически мгновенно за счет теплоотдачи передается жидкой технологической среде.
К недостаткам гидроабразивной обработки можно отнести:- малые технологические возможности осуществления операций формообразования: метод позволяет производить только профильную вырезку из заготовок листового типа, исключая любые другие операции формообразования;- конструктивные трудности, возникающие при создании высокого давления жидкости, следствием чего является высокая стоимость оборудования и отдельных комплектующих;- используемый абразивный материал имеет одноразовый характер использования; режущая головка и отдельные комплектующие также обладают весьма ограниченным ресурсом;- невысокая точность обработки (до 0,1 мм) и наличие волнистости плоскости реза при умеренных скоростях;- высокая энергоемкость процесса по сравнению с рядом других способов резания.
На сегодняшний день лазерные способы обработки нашли широкое применение в технологиях формообразования поверхности хрупких неметаллических материалов, таких как стекло, керамика, стеклокристаллические и полупроводниковые материалы [1-4,7]. Широкая применимость определяется отсутствием как такового износа инструмента, высокой локализацией воздействия на материал и возможностью использования свойства оптической прозрачности обрабатываемого материала для осуществления технологических воздействий. Способы лазерной обработки расширяют виды технологических воздействий на хрупкие неметаллические материалы: абляция, плав ление или термоупругое хрупкое разрушение.
Основными способами, которые получили широкую распространенность при обработке указанных материалов с применением лазеров, являются скрайбирование, управляемое термораскалывание, перфорация отверстий, объемное скрайбирование прозрачных материалов и лазерная абляция.
Способ лазерного скрайбирования заключается в нанесении по поверхность обрабатываемого материала сплошной канавки или прошивки близкорасположенных отверстий с последующим доламыванием под воздействием изгибающей нагрузки по намеченному контуру [14]. Данный способ успешно заменяет традиционный способ скрайбирования алмазным инструментом, существенно выигрывая в скорости обработки и в качестве обработанных поверхностей. Лазерное скрайбирование широко применяется при разделении керамических, полупроводниковых и стеклянных листовых заготовок.
Однако почти все недостатки присущие традиционному методу скрайбирования алмазными инструментами остаются:- возможные технологические операции ограничиваются только разделением листового материала по намеченному контуру;- низкое качество поверхности разделения;- сложность осуществления криволинейного разделения материалов;- необходимость приложения изгибающих нагрузок для окончательного разделения заготовки.
Способ лазерного управляемого термораскалывания применяется в операциях разделения большинства листовых хрупких неметаллических материалов, таких как, силикатные стекла, керамика, кварц и сапфир [24,25]. Способ основан на создании термоугпругих напряжений в приповерхностном слое или по всей толщине обрабатываемого материала, благодаря чему формируется разделяющая сквозная трещина, которая распространяется по заданному контуру. Управляемое термораскалывание позволяет осуществлять полное разделение материала. Среди преимуществ лазерного управляемого термораскалывания можно отметить:
Лазерное дискретное формирование разделяющей поверхности в объеме материала
Рассмотренный в первой главе настоящей работы способ объемного скрайбирования прозрачных хрупких неметаллических материалов, основан на последовательном дискретном формировании разделяющей поверхности, представляющей собой трещину, сформированную из отдельных микрорасколов. Однако, как указывалось, недостаток данного способа, связан с осуществлением разделения листовых материалов исключительно по плоским поверхностям. Как мы предполагаем, данное ограничение связано с формированием некачественной разделяющей поверхности, которая имеет локальные участки слабого взаимодействия микрорасколов.
Образование указанных локальных участков может быть вызвано нерациональным относительным расположением микрорасколов (рис. 2.5, а). Данная схема не учитывает форму микрорасколов 1, у которых продольный размер zT больше поперечного DT в среднем в 2-2,5 раза. При этом образуются зоны 2, в которых наблюдается слабое взаимодействие микрорасколов.
Для преодоления указанного выше недостатка были разработаны схемы рационального относительного расположения микрорасколов, при кото рых минимизируется количество локальных участков слабого взаимодействия микрорасколов. Рациональность в расположении достигается за счет относительного смещения рядов формируемых микрорасколов на величину полушага (рис. 2.5, б, в). Так, например, в схеме на рис. 2.5, б горизонтальные ряды микрорасколов формируемые с шагом микрорасколов SH смещаютсяотносительно друг друга на SH/2, при этом общее количество локальных участков слабого взаимодействия 2 микрорасколов уменьшается и они более равномерно распределяются по всей площади формируемой поверхности разделения.
Также возможна схема рационального расположения микрорасколов, при которой происходит относительное смещение рядов формируемых микрорасколов по вертикали и горизонтали (по направлению распространения лазерного луча и перпендикулярно ему) на значения Sv 12 и SH /2, соответственно (см. рис. 2.5, в). Такая схема относительного расположения микрорасколов обеспечивает наиболее эффективное их взаимодействие по всей площади формируемой поверхности разделения. Указанную схему можно рассматривать как «шахматный» порядок относительного расположения микрорасколов, образующих поверхность разделения материала.
Предложенные рациональные схемы расположения микрорасколов способствуют формированию непрерывной поверхности разделения, в которой минимизировано количество участков слабого взаимодействия микрорасколов.
Для определения критерия выбора необходимых расстояний между микрорасколами по горизонтали и вертикали необходимо определить условия образования непрерывной поверхности. При этом диапазон выбора расстояний между микрорасколами должен определяться нижней и верхней границей. Верхняя граница диапазона соответствует максимальной величине расстояния между микрорасколами, при которой еще наблюдается их взаимодействие, выражающееся в образовании непрерывной поверхности между ними. Нижняя граница диапазона определяется пределом, уменьшение кото рого приводит к чрезмерному взаимодействию микрорасколов, при котором происходит интенсивное неуправляемое хрупкое разрушение формируемой поверхности.
Как указывалось в первой главе, микрорасколы из которых формируется поверхность разделения, состоят из двух структурных зон: канала проплавлення и зоны хрупкого разрушения, которая образуется в результате действия термических напряжений, образующихся в локальном объеме материала.
Для размерного описания единичных микрорасколов можно определиться следующими параметрами: продольным размером zT, поперечнымдиаметром зоны хрупкого разрушения DT и диаметром канала проплавлення
Величина продольного размера определяется размером микрораскола в направлении распространения фокусирующего луча. Параметр DT определяется максимальным диаметром описанной окружности вокруг области хрупкого разрушения в поперечном направлении фокусирования луча.
Аналогично, как и в случае с единичными лунками на поверхности обрабатываемого материала, один из основных механизмов образования раз рушения является хрупкий механизм. Следовательно, для определения приближенной зависимости размеров единичных микрорасколов от мощности импульсов лазерного излучения целесообразно задаваться эмпирической зависимостью, в частности, линейного видагде (Р 7 Римп ) диапазон исследуемых значений мощности импульсов; у - коэффициент пропускания; тх, т2, пх и п2 - связывающие коэффициенты, определяемые экспериментальным путем.
Для учета ограниченной оптической прозрачности обрабатываемого материала, выражения (2.1) и (2.2) можно переписать с учетом коэффициента пропусканиягде 7 = 1 h- р - коэффициент пропускания; Р — коэффициент от ражения излучения на границе воздух - твердое тело; h - глубина, м.
Переходя к теоретическому рассмотрению образования непрерывной поверхности, необходимо определить условия, при которых формируемая поверхность с одной стороны не разрушается при возникновении чрезмерных внутренних напряжений и с другой стороны, формируемая поверхность является непрерывной и в ней отсутствуют области слабого взаимодействия микрорасколов.
На основании сказанного, можно записать два условия:где SHnN {Dr) и SyIN{zT) - минимальные расстояния между формируемымимикрорасколами в поперечном и продольном направлении, при соответст
Исследования лазерного дискретного формообразования поверхности в результате съема обрабатываемого материала
Целью проведения экспериментальных исследований является определение условий и режимов лазерного дискретного формообразования поверхности прозрачных и непрозрачных хрупких неметаллических материалов.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:1. Исследование процесса формообразования от «входной» поверхности обрабатываемого материала.2. Исследование процесса формообразования от «выходной» поверхности прозрачных обрабатываемых материалов.3. Исследование процесса формообразования поверхности материалов в различных технологических средах.4. Исследование процессов эвакуации продуктов обработки.
Целью данного исследования является определение влияния основных параметров обработки на достигаемые технологические показатели при формообразовании от «входной» поверхности обрабатываемых материалов.
Исследование включает в себя следующие основные этапы: — исследование формирования единичных лунок на «входной» поверхности обрабатываемых материалов;- исследование дискретного последовательного съема обрабатываемого материала в результате формирования последовательности лунок на«входной» поверхности образца.
Для исследования формирования единичных лунок импульсы лазерного излучения с определенной энергией фокусировались на поверхности материала. При этом для каждого режима на поверхности материала формировалось 10 лунок на расстоянии друг от друга достаточном для отсутствия их относительного перекрывания. Режимы изменялись посредством изменения величины энергии импульсов в диапазоне от 5 до 50 мДж с шагом 5 мДж. Для оценки размеров разрушений измерялись диаметр лунки, который определялся диаметром периферийной зоны хрупкого разрушения (Ол), и максимальной глубиной (кл). Полученные экспериментальные данные можно охарактеризовать таблицей 3.3. Режимы определялись следующими параметрами обработки:- длительность (tj,fXin) и энергия импульса (WHMn);- коэффициенты перекрытия ки и kv;- расстояния между разрушениями Sн и Sv.
Обработка результатов проводилась по следующим направлениям:- определение влияния энергии импульса на размеры образуемых лунок на основании анализа полученных размерных зависимостей от величины энергии импульса (Dn (WItwl), кл (Wlum));- оценка статистического разброса размеров образуемых лунок на основании анализа функций плотности распределения вероятности величин размеров f{Djj) и f(hfl).
Для исследования дискретного съема обрабатываемого материала в результате формирования последовательности лунок на «входной» поверхности была проведена серия экспериментов при различных коэффициентах перекрытия и при постоянной энергии импульса с целью определения области допустимых значений коэффициентов перекрытия и значений качества обработанной поверхности при различных режимах обработки. Полученные экспериментальные данные заносились в таблицу вида 3.4.
Для оперирования конкретными значениями коэффициентов перекрытия лунок в каждом режиме и определения соответствующих шаговых параметров, использовались результаты предыдущих экспериментов (см. табл. 3.3), в которых были определены зависимости диаметра и глубины лунок от энергии импульса. Обработка результатов эксперимента проводилась с целью определения влияния величины коэффициентов перекрытия и энергии импульса на качество получаемой поверхности и производительность.Эксперимент.
В соответствии с изложенной выше методикой был проведен анализ структуры образуемых лунок (рис. 3.13). Анализ показал, что лунка, образованная на поверхности натрий-кальций-силикатного стекла, состоит из двух зон - центральный кратер 2, который является результатом непосредственного воздействия луча и сопутствующих процессов (плавление, испарение). Вторая зона является периферийной зоной хрупкого разрушения 1, которая представляет собой разрушенный, но не удаленный с обрабатываемой поверхности материал.
На представленном рисунке 3.13, б видно, что глубина лунки составляет приблизительно 7-8 мкм, что намного меньше продольных размеров разрушений, образуемых в объеме прозрачного материала (см. рис. 3.3). На основании этого можно предположить, что часть материала разрушенного в результате хрупкого разрушения, удерживается в лунке за счет остаточных сил сцепления и адгезии. Согласно полученным оценкам диаметр зоны хрупкого разрушения в среднем в 2-3 раза больше диаметра центрального кратера. При этом, в контексте данной работе принято определять диаметр лунки как диаметр зоны хрупкого разрушения.
Примеры реализации лазерного дискретного формообразования
Были выполнены работы по получению: 1. глубоких отверстий с отношением глубины к диаметру более 60 в прозрачных материалах; 2. фасонных отверстий; 3. комбинированных отверстий с геометрическим сочетанием различных образующих поверхностей; 4. деталей, состоящих из комплексов сочетаний поверхностей. 5. внутренних незамкнутых полостей в объеме прозрачного материала. Все приведенные примеры выполнены с помощью лазерной техноло гической установки с характеристиками, представленными в таблице 3.1. Режимы обработки и основные технологические показатели включают: tmm - длительность импульса, не; Wmm - энергия импульса, мДж; коэффициенты перекрытия кн и ку; повышенные коэффициенты перекрытия кнд и кУд; Ъ - толщина удаляемого слоя, мм; to6p - время обработки, мин; Ra параметр шероховатости, мкм. Для обеспечения разделения на угловых участках и участках округлений с малыми радиусами использовались дополнительные коэффициенты перекрытия кнд и куД. В частности, повышенные коэффициенты перекрытия использовались на угловых участках размером 0,2x0,2 мм и на участках округлений радиусом 0,25 мм. Обработке подвергалось листовое натрий-кальций-силикатное стекло марки Ml по ГОСТ 111-2001, ситалл марки СТ-50-1 по ОСТ 11-054.263-79 и оптическое стекло марки К8 по ГОСТ 3514-94. Получены сквозные глубокие отверстия диаметром от 1,0 до 3,0 мм в образцах оптического стекла К8 толщиной 65 мм (рис. 4.3). Параметры обработки отверстий представлены в таблице 4.3.
Отверстия, полученные в образах оптического стекла К8, имеют отношение глубины к диаметру от 32,5 до 130, что не осуществимо методами обработки, рассмотренными в первой главе настоящей работы.
Получены фасонные сквозные отверстия в листовом натрий-кальций-силикатном стекле толщиной 4 мм (рис. 4.4). Обработка осуществлялась с помощью удаления разделяющего слоя, причем внутренние удаляемые части 2, полностью отделялись от обрабатываемой заготовки. Параметры обработки отверстий представлены в таблице 4.4.
Толщина удаляемого слоя Ъ принималась равной 0,05 мм, что позволяло производить полное отделение внутренней вырезанной части 2 из полученного отверстия 1 (см. рис. 4.4).
Получены комбинированные отверстия с различным сочетанием поверхностей (рис. 4.5) в листовом натрий-кальций-силикатного стекле толщиной 4 мм. В частности, получено комбинированное отверстие с комбинацией цилиндрической и призматической поверхности (рис. 4.5, а) и отверстие с комбинацией цилиндрической и конической поверхности (рис. 4.5, б). Параметры обработки отверстий представлены в таблице 4.5.
При вырезании отверстия квадратного сечения в месте стыка с уже вырезанной частью круглого сечения, использовались дополнительные коэффициенты перекрытия кщ и kVn.
Получена деталь - винт М2 (по ГОСТ 17475-80), которая представляет собой объемный элемент с комбинацией резьбовой, конической и цилиндрической поверхности (рис. 4.6). Деталь получена по схеме объемного вырезания из листового натрий-кальций-силикатного стекла толщиной 4 мм.
Операции формообразования, основанные на формировании комплексов поверхностей, позволяют создавать детали различной пространственной формы. Комплексы поверхностей могут объединять как отдельные поверхности, так и сочетания поверхностей.
Получена деталь - теплоизолирующая прокладка из натрий-кальций-силикатного стекла листового стекла толщиной 3,5 мм (рис. 4.7). Эта деталь представляет собой комплекс отдельных поверхностей (цилиндрические, эллиптические и призматические). Параметрыобработки приведены в табл. 4.7
Похожие диссертации на Лазерное импульсное формообразование деталей из хрупких неметаллических материалов
