Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Объект исследования и пути совершенствования технологии размерной резки толстолистового металла.
1.1 Анализ состояния технологических процессов резки листового материала 8
1.2 Конструкция и характеристики лазерных установок для резки листового материала 13
Выводы по главе 44
1.3 Задачи работы 46
Глава 2. Модернизация лазерного технологического комплекса для резки толстолистовой стали.
2.1 Совершенствование конструкции разрядной камеры 47
2.2 Экспериментальная проверка модернизированной разрядной камеры 53
2.3 Оптимизация параметров оптической системы лазерного технологического комплекса 61
2.4 Экспериментальная проверка резонатора со сплошным пучком и резонатора с увеличением М=255 78
2.5 Проектирование устройства подачи вспомогательного газа при газолазерной резке 81
2.6 Определение параметров сверхзвуковых сопел устройства подачи вспомогательного газа при газолазерной резке 86
2.7 Экспериментальная проверка устройств подачи вспомогательного газа при газолазерной резке 90
Выводы по главе 94
Глава 3. Разработка технологического процесса лазерной резки толстолистовых сталей.
3.1 Влияние параметров процесса резки на гратообразование 95
3.2 Экспериментальная проверка зависимости величины грата от скорости резки 97
3.3 Влияние параметров процесса резки на чистоту поверхности кромки реза 99
3.4 Расчёт коробления деталей, получаемых лазерной размерной резкой 102
3.5 Составление технологического процесса лазерной резки 110
Выводы по главе 120
Глава 4. Внедрение результатов исследований в промышленность 121
Результаты работы 127
Список использованной литературы 128
- Конструкция и характеристики лазерных установок для резки листового материала
- Экспериментальная проверка модернизированной разрядной камеры
- Экспериментальная проверка резонатора со сплошным пучком и резонатора с увеличением М=255
- Экспериментальная проверка зависимости величины грата от скорости резки
Введение к работе
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. В основе использования лазерных технологий в первую очередь лежит экономическая выгода, которая проявляется через снижение стоимости технологического процесса и через более высокие потребительские качества продукции. 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. Это обусловлено, в основном, отсутствием отечественных лазерных технологических установок, отвечающих требованиям авиационного производства, необходимостью сертификации подобного оборудования.
Целью работы является разработка технологии резки листовой стали толщиной более 10 мм с использованием С02 лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором с выходной мощностью излучения более 5 кВт.
Методы исследования. Основные задачи работы решались на основе сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Теоретическая часть базировалась на аппаратах теории гидродинамики, нелинейной оптики и теории напряжённо-деформированного состояния.
Теоретические расчёты оптической системы лазерного технологического комплекса проводились на основе аналитической модели, учитывающей аберрации и астигматизм оптических систем. Численный расчёт проводился с использованием специализированного пакета программ для расчёта оптических систем. Для определения вероятной температурной деформации заготовок использована модель, основанная на уравнениях напряжённо-деформированного состояния материала. Оценка вероятности образования грата на кромках получаемых деталей проведена из предположения распространения законов гидродинамики на течение расплавленного металла.
Экспериментальный метод исследования работы лазера состоял в снятии вольт-амперных характеристик разрядно-резонаторной камеры. Замер токов и напряжений при этом производился стандартными измерительными приборами - амперметром и вольтметром.
Для определения режимов лазерной резки проводился замер лучевой мощности С02 лазера прибором COMET. Контроль скорости лазерной резки проводился системой числового программного управления типа FMS-3000.
Научная новизна работы.
Разработана технология резки толстолистовой стали с использованием С02 лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором.
Для этого проведены работы по увеличению выходной мощности лазерного излучения рассматриваемого лазера, совершенствованию оптической системы технологического комплекса и повышению эффективности устройства для подачи вспомогательных газов в зону резки.
Установлено, что оптимизация конструкции разрядно-резонаторной камеры путём изменения степени секционированности электродных элементов позволяет повысить мощность и надёжность работы лазера.
Повышение степени увеличения неустойчивого резонатора С02 лазера с 2,2 до 2,5 приводит к увеличению производительности резки при тех же режимах питания разрядно-резонаторной камеры.
Установлено, что для резки толстолистового материала эффективно подавать вспомогательный газ через сверхзвуковые сопла с малой степенью нерасчётности, непосредственно в зону резки.
Практическая ценность работы. Расчётная оптимизация оптической системы лазерного технологического комплекса на отсутствие аберраций и астигматизма позволяет повысить уровень производительности резки толстолистовых металлов.
Устройство для подачи вспомогательного газа в зону лазерной резки со сверхзвуковыми соплами, направленными непосредственно в зону резки позволяет осуществлять лазерную резку более эффективно по сравнению с другими устройствами данного типа.
Разработана модель термического коробления заготовок, получаемых размерной лазерной резкой.
Разработана технология резки толстолистовых материалов с использованием излучения быстропроточного СО2 лазера с неустойчивым резонатором.
Реализация результатов работы. Разработанная технология и оборудование прошли опытно-промышленное апробирование и внедрение на ООО "Гиперболоид", ОАО "КМПО" и ОАО "КЭМЗ".
Конструкция и характеристики лазерных установок для резки листового материала
По составу лазерное технологическое оборудование может быть технологическим лазером, лазерной технологической установкой и лазерным технологическим комплексом.
Технологический лазер - это источник лазерного излучения, он является основным компонентом лазерного технологического оборудования, но самостоятельно в промышленности почти не применяется. Лазер сам по себе не является инструментом обработки, а только преобразователем различных видов энергии, в большинстве случаев - электрической энергии — в энергию хорошо сколлимированного когерентного пучка излучения видимого или инфракрасного диапазона. Технологический лазер представляет собой устройство, предназначенное для работы в составе комплекса промышленного оборудования, производящего изделия машиностроения или материалы с заданными физическими и химическими характеристиками. [8] На рисунке 1.1 приведена структурная схема лазерной технологической установки.
Лазерная технологическая установка - это технологический лазер с внешним оптическим трактом и комплектом внешней оптики. Практически все зарубежные фирмы на продажу выставляют как минимум технологические установки.
Для построения лазерного технологического комплекса (ЛТК) лазер необходимо соединить с большим числом дополнительных устройств и подсистем, обеспечивающих передачу, фокусировку излучения на детали, перемещение изделия относительно лазерного пучка, подачу дополнительных веществ и видов энергии к детали, наблюдение и контроль за процессом обработки, управление всем комплексом оборудования. ЛТК -это лазерная технологическая установка, снабжённая манипулятором изделия и оптики и системой управления для проведения технологических операций. Все части лазерного технологического комплекса функционально связаны между собой для выполнения технологического процесса.
По назначению и способности выполнять то или иное число операций всю гамму лазерного технологического оборудования принято делить на универсальное, специализированное и специальное. Соответственно этому оно используется в мелком, серийном и массовом производстве. Зарубежные модели лазеров, как правило, уже адаптированы к конкретным видам обработки.
Примером функционально замкнутых и конструктивно объединенных в одном блоке отечественных лазерных технологических установок служат установки серии "Квант" на базе твердотельных лазеров. Установки снабжены столиками для позиционирования изделия, оптической системой наведения (визирования), приборами для контроля энергии излучения лазера.
Аналогичная компоновка принята и при создании ряда технологических установок на базе С02 - лазеров. Так отечественная установка УЛГ-2-01 на базе лазера "Лантан" снабжена технологической кабиной с координатным столом, вращателем для обработки цилиндрических изделий. В НИЦТЛ (г.Шатура Московской обл.) в 80-х годах прошлого века были созданы лазерные комплексы для различных видов обработки. Из-за ряда недостатков, они нашли ограниченное применение.
К достоинствам узкоспециализированных станков можно отнести то, что они максимально адаптированы под конкретную технологическую задачу, максимально упрощены, автоматизированы и удешевлены, поскольку не имеют различных универсальных дополнительных приспособлений и функций. Такие установки вполне оправданы в массовом производстве, когда они могут быть загружены однотипной продукцией в 1,5-2 смены. К недостаткам такой компоновки можно отнести ограниченные технологические и функциональные возможности в связи с тем, что можно обрабатывать только определённый класс сравнительно простых изделий, значительные простои излучателя, связанные с операциями смены деталей, наведения, переналадки на новое изделие. В случае невозможности полностью загрузить такое достаточно дорогое оборудование однотипными изделиями, возникает проблема по его догрузке и окупаемости.
Попытки зарубежных фирм решить указанную проблему привели их к выводу о целесообразности использования в лазерных технологических установках новейших средств робототехники, чтобы максимально избежать простоя излучателя из-за смены деталей, наведения и переналадки. В качестве манипуляторов стали использовать промышленные роботы различных систем, а также разработанные специально для лазерных установок робототехнические системы с подвижной - "летающей оптикой".
Применение сложных робототехнических систем позволило превратить лазерный станок в лазерный обрабатывающий центр, осуществляющий программную резку и сварку трёхмерных объектов. Лазерные технологические комплексы с пятиосевыми лазерными головками в настоящее время производятся десятком фирм, хотя их применение ограничивается рядом факторов. К этим факторам относится то, что стоимость лазерного технологического комплекса в 2-3 раза выше стоимости самого лазера, необходимы значительные затраты на программирование, особенно при небольших сериях однотипных изделий, а для решения большинства производственных задач не требуется универсальность, предоставляемая сложными 3-х координатными роботами.
Основные принципы создания лазерных технологических систем с многопостовой организацией изложены в работах [9,10] и заключается в следующем: лазерные обрабатывающие системы большого уровня мощности должны быть многопостовыми и многоцелевыми, должны строиться по модульному принципу; необходима стандартизация и разработка модулей, обеспечивающих построение лазерных технологических систем произвольной сложности и архитектуры. Учитывая описанные выше тенденции и перспективы, целесообразно представить структуру лазерной технологической системы в виде, изображённом на рисунке 1.2.
Экспериментальная проверка модернизированной разрядной камеры
С целью проверки эффективности проведённой модернизации проводилась экспериментальная проверка модернизированной разрядной камеры. На левый канал камеры устанавливалась штатная катодная плата. На правый канал устанавливалась модернизированная катодная плата, содержащая 34 новых электродных элементов на первом предионизационном ряде и 68 старых электродных элементов на 4х основных рядах - по 17 штук на ряд. Штатная катодная плата состояла из старых электродных элементов на предионизационном ряде и бти основных рядах. Электродные элементы соединялись с высоковольтным источником питания через балластное сопротивление. В таблице 2.1 приведены номиналы резисторов, которые устанавливались в качестве балластного сопротивления плат левого и правого каналов. После этого, в подготовленном к работе на смеси углекислоты с азотом лазере, подавалось минимальное напряжение источника питания к разрядно-резонаторной камере, и в потоке газа создавался однородный и стабильный электрический разряд. Производилось снятие вольтамперной характеристики разрядной камеры на режиме работы с минимальным вложением мощности в разряд. Производился замер тока / и падения напряжения U в цепи каждого ряда. После этого производилось медленное увеличение напряжения питания. В это время производился контроль электрического разряда на переход его в дуговой с большим значением силы тока. После перехода в режим максимального напряжения, при котором не происходит переход электрического разряда в дуговой, производилось снятие вольтампернои характеристики камеры (таблицы 2.2, 2.3).
Проводился расчёт распределения вкладываемой мощности на нагрев сопротивления балласта и на возбуждение и нагрев рабочего газа. Падение напряжения на резисторах ряда рассчитывалось по формуле: Необходимо отметить, что только часть мощности WK шла на возбуждение молекул углекислоты, остальная часть расходовалась на нагрев газа и элементов конструкции камеры. Рассчитанные значения падений напряжения и мощности приведены в таблицах 2.4 и 2.5. Производился замер выводимой лучевой мощности при максимальном значении U. Замер мощности производился сначала при работе на смеси углекислоты с азотом, затем на той же смеси с добавлением гелия. Мощность излучения составила 9,63 и 14,2 кВт соответственно. Полученные путём снятия вольтамперной характеристики разрядной камеры данные 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. Произошло увеличение мощности с 8,3 до 9,63 кВт (на 14 %) на двойной цепи, с 12,43 до 14,2 кВт (на 13%) на тройной цепи. Вывод: имеется очевидная возможность увеличения мощности быстропроточного СОг 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. Для выяснения причин возникновения электрических пробоев разрядной камеры на корпус установки проведён анализ цепей подключения камеры к источнику питания. Одна из возможных причин пробоев - утечка тока по охлаждающему электроды хладагенту — дистиллированной воде. Для проверки этой возможности проведены измерения величины сопротивления водяного столба в трубках, используемых для подвода хладагента к катодам и анодам. Измерения проводились при различных условных значениях сопротивления используемой дистиллированной воды. Условное сопротивление измерялось тестером. Сопротивление водяного столба измерялось мегомметром при напряжении 2,5 кВ. Результаты замеров сведены в таблицу 2.6.
Экспериментальная проверка резонатора со сплошным пучком и резонатора с увеличением М=255
Получены геометрические размеры выводного зеркала и размеры коллимирующего объектива. Необходимо провести испытания системы с целью подтверждения расчётных параметров. Проводился расчёт фокусирующего объектива Форс-2 с целью определения аберрационного диаметра, в который возможно сфокусировать лазерный пучок кольцевого сечения. Оптическая схема фокусирующего объектива 702.3412.50.20.000 приведена на рисунке 2.16. Расчёты показали, что диаметр аберрационного пятна составляет неприемлемо большую для технологии лазерной размерной резки величину -2,2 мм. Для уменьшения пятна фокусировки необходима оптимизация объектива. Проводилась оптимизация объектива Форс-2. Целью оптимизации являлось определение параметров оптической системы объектива, при которых аберрационный диаметр, в который возможно сфокусировать лазерный пучок данным объективом, будет минимальным. Оптимизируемыми параметрами при оптимизации являлись фокусное расстояние, расстояние L3, расстояние L4, угол Д Угол у, угол 8, угол р и угол ц/. Задавался допустимый диапазон значений этих параметров исходя из конструктивных особенностей объектива, и проводилось последовательное приближение. Оптимизацией получены геометрические характеристики объектива, представленные в таблице 2.17. Результаты расчёта оптимизированного объектива приведены в таблице 2.18. Аберрационный размер фокального пятна оптимизированного объектива не превышает половину длины волны излучения.
Проводился эксперимент по определению работоспособности резонатора со сплошным выходным пучком. Резонатор испытывался в составе лазерной технологической установки ЛСУ-5МТ с разрядной камерой М6.Э0012.03.000 (рис. 2.17). Схема резонатора приведена на рисунке 2.18. Резонатор -конфокальный, с выгнутыми сферическими зеркалами. Увеличение резонатора М=1,34. Перед зеркалом 2 установлена диафрагма 5. Вывод излучения на первом этапе осуществлялся через пластину из NaCl, на втором этапе снимались отпечатки выходного пучка на пластины из оргстекла, устанавливавшихся вместо NaCl. На рисунке 2.19 показаны отпечатки выходного пучка при установленной диафрагме 5. Из рисунка видно, что отпечатки практически идентичны. Соотношение размеров отпечатков 1:0,63 на оргстекле и фанерной мишени. Экспериментально было установлено, что оптический резонатор со сплошным выходным пучком работоспособен. Прямоугольное поперечное сечение выходного пучка резонатора вместо расчётного квадратного обусловлено относительно малым расстоянием между зеркалами 1 и 2 резонатора по сравнению с размерами зеркал 1 и 2. В связи с этим выходной пучок резонатора не параллелен оптической оси, что приводит к обрезанию выходного пучка зеркалом 2.
Экспериментальная проверка зависимости величины грата от скорости резки
Для проверки полученных аналитическим путём данных проводился эксперимент. Осуществлялась резка углеродистой стали СтЗ и легированной стали 40ХГСА. Резка велась с использованием в качестве вспомогательного газа воздуха давлением 0,3 МПа, при мощности лазерного излучения 7,5 кВт, при изменении скорости резки от 100 до 1600 мм/мин. После резки производился замер величины грата (рис.3.2).
На легированной стали грат наблюдался во всём диапазоне скоростей резки. При скорости резки 1600 мм/мин размеры грата составили / г=&г=1мм. На рис.3.3 приведена экспериментальная зависимость величины грата от скорости резания углеродистой стали СтЗ. Размер грата в данной зависимости выражается в средней площади его сечения в плоскости, нормальной к направлению резки. Увеличение количества грата с уменьшением скорости резки, вероятно, обусловлено тем, что при увеличении времени воздействия теплового источника на материал больший объём металла переходит в жидкую фазу за счёт механизма теплопроводности, а расхода вспомогательного газа через канал недостаточно для полного удаления всего этого объёма. И, в дополнение к этому, стальной расплав обладает повышенной вязкостью. Эксперимент показал, что качественные рассуждения, приведённые в первой части параграфа дают представления о физике процесса. Величина размера капли, полученная из 3.1 и 3.2 соответствует режиму резки с легкоудаляемым гратом. Для создания более точной теоретической модели необходимо проведение измерения теплофизических и газодинамических параметров процесса. На основании опыта производства и проводимых экспериментов был установлен ряд дополнительных закономерностей, которые целесообразно использовать для борьбы с гратом при выборе режимов резки. Исследования показали, что при резке углеродистых сталей в режиме с наибольшей производительностью наблюдается значительное образование грата. При режимах, необходимых для получения качественных резов, нижняя кромка реза свободна от грата. В отличие от углеродистых, при разрезании нержавеющих сталей и титана грат образуется на любых режимах резки, однако при обработке на режимах, позволяющих получать высокое качество (режимы, которые полностью используют преимущества лазерной резки), его образуется значительно меньше. Чистота поверхности кромки реза в значительной степени зависит от режимов резки. Получена кромка реза С02 лазером с неустойчивым резонатором мощностью 15 кВт углеродистой стали СтЗ, с использованием в качестве вспомогательного газа воздуха [49] (Рис.3.4). Шероховатость верхней зоны 1 не зависит от толщины материала и обусловлена разрушением материала, периодически протекающим от верхней кромки вглубь металла [50]. Величина зоны 1 определяется глубиной заглубления фокуса и ограничена величиной перетяжки лазерного пучка. Наличие зоны 2 указывает на продолжение процесса удаления материала без участия лазерного излучения, а за счёт процесса теплопроводности и давления вспомогательного газа. При изучении влияния параметров процесса резки на чистоту поверхности кромки реза шероховатость поверхности кромки разделили на четыре группы: с шероховатостью Rz 20, с шероховатостью Rz 40 мм, с шероховатостью Rz 80 и с шероховатостью Rz 80 мм. При проведении эксперимента получаемая кромка сравнивалась с эталоном. Шероховатость поверхности в значительной степени зависит от скорости обработки. Это объясняется периодичностью процесса удаления расплавленного металла. Экспериментально была выявлена эта зависимость. На рис.3.5 приведена экспериментальная зависимость шероховатости поверхности кромки от скорости резки СОг лазером с неустойчивым резонатором мощностью 15 кВт углеродистой стали СтЗ, с использованием в качестве вспомогательного газа воздуха. мм/мин; 3 - скорость резки 50 мм/мин Из рисунка видно, что при увеличении скорости шаг штриха шероховатости увеличивается. В случае использования в качестве вспомогательного газа кислорода на определённых режимах происходит переход к бесконтрольному горению. Проведена резка сталей с использованием кислорода в качестве вспомогательного газа. При этом на скорости резки менее 1000 мм/мин наблюдался режим бесконтрольного автогенного горения на стали СтЗ. Максимальная скорость резки при этом составила 1300 мм/мин, что на 12% выше, чем при резке на воздухе. На рис.3.7 изображена кромка, полученная при резке стали 30ХГСА толщиной 10 мм СОг лазером с неустойчивым резонатором мощностью 15 кВт при использовании в качестве вспомогательного газа кислорода.
