Содержание к диссертации
Введение
1. Пути повышения эффективности использования C02-лазеров в технологиях производства деталей летательных аппаратов из листовых заготовок 8
1.1. Современное производство плоских деталей 9
1.2. Современное состояние лазерной обработки и перспективы мощных технологических лазеров в производстве ЛА 15
1.2,1 Резервы повышения эффективности технологических СОг-мазеров 19
1.2.2. Параметры и показатели процесса газолазерной резки 23
1.3. Анализ существующих методов форсирования С02 -лазеров 31
1.3.1. Повышение энергетических характеристик оптимизацией метода и режима газоразрядной накачки 31
1.3.2. Повышение энергетических характеристик за счет изменения состава рабочей смеси электроразрядных СС>2-лазеров 42
1.3.3. Возможность повышения энергетических характеристик СОг - лазерах за счет охлаждения рабочей смеси 48
1.3.3.1. Влияние температуры на генерацию СС^-лазера 48
1.3.3.2. Примеры реализации на практике метода повышения энергетических характеристик СО2 -лазера за счет охлаждения до температур ниже 0С 55
Задачи исследования 60
2. Уточненная методика расчета энергетических и теплофизических характеристик С02-лазера 62
2.1 Анализ существующих методик расчета энергетических характеристик С02~лазераи теплофизических параметров рабочей смеси 62
2.2 Уточненный расчет энергетических характеристик С02-лазера и теплофизических параметров рабочей смеси 77
2,2,1 Последовательность выполнения расчета 78
2.2.2. Результаты расчета 90
2.2.3. Алгоритм расчета 98
3. Экспериментальные исследования влияния температуры охлаждения лазера на его энергетические характеристики 101
3.1. Цели и задачи эксперимента 101
3.2. Экспериментальная установка для исследования влияния температуры охлаждения лазера на его энергетические характеристики 102
3.3. Методика проведения экспериментов 108
3.3.1. Порядок проведения экспериментов 109
3.3.2 Определение мощности излучения специальным калориметром 110
3.3.3 Анализ экспериментальных данных 116
3.3.3.1 Мощность излучения лазера 116
3.3.3.2 Расход охлаждающей жидкости 118
3.3.3.3 Энергетический баланс и общая эффективность лазерной установки 123
3.3.4 Оценка погрешности измерения мощности излучения 127
4. Технико-экономический анализ форсирования технологических CO2-лазеров 130
4.1. Взаимосвязи технико-экономических показателей форсированного лазерного технологического комплекса, в состав которого входит холодильная машина 131
4.2 Технико-экономическое моделирование, оптимизация и границы эффективности серийных технологических лазеров и форсированных за счет охлаждения до температур ниже ОС 141
4.2.1. Принципы построения технико-экономических моделей ТЛ и процессов термической лазерной технологии 141
4.2.2. Обоснование рациональных технико-экономических показателей ТЛ 143
4.2.3 Анализ данных, полученных в результате расчета экономического эффекта от использования ТЛ в процессах лазерной резки и сварки деталей авиационного назначения 147
Основные результаты и выводы 160
Заключение 162
Список литературы 165
Приложение 170
- Современное состояние лазерной обработки и перспективы мощных технологических лазеров в производстве ЛА
- Уточненный расчет энергетических характеристик С02-лазера и теплофизических параметров рабочей смеси
- Экспериментальная установка для исследования влияния температуры охлаждения лазера на его энергетические характеристики
- Технико-экономическое моделирование, оптимизация и границы эффективности серийных технологических лазеров и форсированных за счет охлаждения до температур ниже ОС
Введение к работе
Современное производство ЛА включает в себя большую номенклатуру деталей, выполняемых из листовых материалов таких как: нержавеющая сталь, титановые и алюминиевые сплавы, пластики и композиционные материалы и др. Эти детали имеют довольно сложную конфигурацию, а заготовки -различную толщину. Применение штамповки, как наиболее используемого ныне метода, требует предварительной подготовки соответствующей оснастки для каждой детали. Это соответственно требует существенных затрат денежных средств, времени и людских ресурсов. К тому же изделия сложной формы требуют дополнительной чистовой обработки после выполнения основных технологических операций. В результате длительность технологического процесса производства таких деталей весьма велика, а сам процесс - дорог. Все это приводит к тому, что производство удорожается и предприятие, пренебрегающее прогрессивными технологиями, становится неконкурентноспособным.
В последнее время в опытном и серийном производствах широкое распространение получила лазерная обработка и резка деталей. Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет обрабатывать практически любые металлы и сплавы независимо от их механических и теплофизических свойств. При этом можно получать узкие разрезы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал, возникающие термические деформации, как в процессе резки, так и остаточные после полного остывания, минимальны. Вследствие этого можно изготавливать плоские детали с высокой степенью точности, в том числе из легкодеформируемых и нежестких заготовок. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Сравнительно простое управление лазерным лучом позволяет осуществить лазерную резку плоских и объемных деталей и заготовок по сложному контуру с высокой степенью автоматизации процесса.
Кратко рассмотренные здесь особенности лазерной резки наглядно демонстрируют преимущества этого техпроцесса в сравнении со многими традиционными методами обработки. С позиций технико-экономической эффективности применение лазерной резки особенно целесообразно в тех случаях, когда требуется получить деталь с высокой степенью точности размеров и формы, т. е. при предъявлении к конечной продукции требований повышенного качества, что соответствуют особенностям авиационного производства.
Все выше перечисленные преимущества наряду с отсутствием затрат на дополнительную оснастку, а также универсальность технологии дает основания считать лазерную резку экономически выгодным процессом для мелкосерийного производства плоских деталей, когда раскрой листа осуществляется с минимальными отходами.
Наиболее существенными факторами, влияющими на размерные характеристики резов, являются энергетические параметры процесса, к которым относятся мощность и плотность потока излучения. Плотность потока излучения фокальном пятне определяется также оптическим качеством выходящего из лазера излучения - его расходимостью и фокусным расстоянием соответствующей оптической системы. Эти параметры задаются при проектировании лазерной установки.
В этом случае толщина обрабатываемых деталей напрямую зависит от мощности излучения лазера и скорости резки. В результате существует верхний предел толщины обработки плоских листовых деталей, который в свою очередь (при имеющейся оптической системы) зависит от мощности излучения. Таким образом, если при заданной, ограниченной техническими данными лазерного комплекса, мощности необходимо разрезать лист повышенной толщины, то уменьшение скорости резки до сколь угодно малой величины не позволит разрезать этот лист качественно, так как мощ 6 ности излучения будет недостаточно. Все это ограничивает возможности применения лазерного технологического комплекса (ЛТК) в технологическом процессе, ведет к уменьшению номенклатуры обрабатываемых на нем изделий. Необходимо отметить, что всегда имеется достаточно большой номенклатурный ряд изделий, толщина которых на 40-60% превышает толщину деталей, обрабатываемых на каком-либо конкретном технологическом комплексе, имеющемся на предприятии. Это связано в первую очередь с тем, что цена ЛТК достаточно высока и предприятие при его приобретении не может учесть изменение номенклатуры изделий на несколько лет вперед. Данное упущение, как правило, обнаруживается тогда, когда исправить положение не позволяют ни время, ни свободные средства для покупки более мощной ЛТК. Указанные детали приходиться изготавливать традиционными методами обработки, т.е. с большими затратами времени и средств.
Возможным решением этой проблемы является форсирование излучения газового лазера методом охлаждения рабочей среды до температур ниже 0°С. Причем это позволит использовать большую мощность излучения лазера как эпизодически, что наиболее характерно для существующих технологических потребностей, так, при необходимости, и постоянно.
В настоящее время наиболее распространенными технологическими лазерами, применяемыми в процессах производства ЛА, являются газоразрядные С02-лазеры. Это обусловлено их хорошей конструкторской и технологической отработанностью для производства, достаточно высокой эффективностью, а также возможностью достижения высокой мощности и яркости излучения при относительной компактности лазерных установок. Форсирование данных лазеров может происходить частично за счет подбора состава рабочей смеси лазера, в большей степени за счет режимов и методов накачки и, наконец - совершенствованием оптических узлов. Однако в настоящее время все эти методы доведены до максимального предела их использования. Перспективным методом повышения энергетических характеристик СОг-лазера, который пока не нашел практического применения, является его форсирование за счет захолаживания до температур ниже 0°С [6]. Этот метод позволяет получать повышение мощности излучения в 1,5-2 раза при технически осуществимом охлаждении рабочей среды до -20 ...- 70° С.
Таким образом, применение этого метода весьма актуально для условий авиационного производства, особенно в условиях подготовки к выпуску новых моделей летательных аппаратов и реконструкции.
Современное состояние лазерной обработки и перспективы мощных технологических лазеров в производстве ЛА
Лазерная техника привлекает внимание широкого круга специалистов своими уникальными свойствами и за короткий промежуток времени сделала огромный скачок от лабораторного образца до серийного производства. Уникальность свойств лазеров состоит в исключительно высокой когерентности и направленности излучения, возможности генерирования когерентных волн большой интенсивности в видимой инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, получении высоких плотностей энергии, как в непрерывном, так и в импульсном режиме.
Ниже перечислены основные преимущества лазерной технологии по сравнению с другими видами обработки материалов. 1. Высокие средние (10" - 10 Вт/см") и пиковые (10 -10 Вт/сьґ) плотности мощности излучения. 2. Кратковременность нагрева материалов (10" - 1 с). 3. Локальность воздействия и ограниченность зоны теплового влияния. 4. Простота управления излучением. 5. Лазерный луч исключает механический контакт с деталью, что чрезвычайно важно при работе с тонкими и хрупкими изделиями 6. Независимость нагрева от механических свойств обрабатываемых материалов, возможность обработки тугоплавких и химически активных материалов. 7. Возможность обработки деталей в труднодоступных местах, обработка при сложных и прецизионных формах швов, резов и т.д. 8. Упрочнение локальных (по глубине и площади) объемов материала обрабатываемых деталей в местах их износа. 9. Возможность полной автоматизации процесса.
Таким образом, внедрение ТЛ в производство деталей ЛА позволяет: значительно повысить качество материалов и изделий, производительность труда, создать поверхности деталей и изделий с заранее заданными свойствами; снизить трудоемкость технологических процессов, сэкономить обрабатываемый материал, освоить новые производственные процессы, невозможные без лазерной технологии; улучшить условия труда, повысить культуру производства и сократить долю ручного труда.
Технологические лазеры в России и за рубежом наиболее широко применяются в авиационной и автомобильной промышленности. Почти все крупные авиационные заводы внедряют процессы термической лазерной технологии [7,8].
Статистика показывает, что объем реализации лазерных установок постоянно возрастает. На рис. 1.1 показаны темпы прироста объема реализации лазерных установок в современном мире. Общий рынок лазерного оборудования в мире достиг к 2004 году 140 млрд. долларов США. Причем рынок только лазерных установок равен 8.8 миллиардам долларов. Годовой прирост объема продаж достиг в 2004 году 80%. Отметим, что такой большой прирост произошел на фоне общего падения активности в области наукоемких технологий.
В области лазерной обработки, применяемой при производстве ЛА, можно выделить направления, имеющие свою специфику, а именно: получение отверстий и резку. Анализ различных типов лазеров позволяет сделать вывод, что для указанных процессов лазерной обработки в авиационной промышленности наиболее приемлемыми являются твердотельные и газовые лазеры. В настоящее время наиболее распространенными технологическими лазерами, применяемыми в процессах производства ЛА, являются газоразрядные С02-лазеры. С02-лазеры по сравнению с твердотельными обладают некоторыми преимуществами: могут работать и в импульсном и в непрерывном режимах; в непрерывном режиме газовый лазер генерирует излучение, мощность которого значительно превосходит мощность излучения твердотельных лазеров; КПД газовых лазеров доходит до 20 %, в то время как у твердотельного лазера он составляет 1—2 %; расходимость луча газовых лазеров - 2-5 угловых минут, а у твердотельных лазеров - 25-30 угловых минут.
Необходимо отметить, преимущества технологии лазерной резки по сравнению с механической обработкой путем штамповки (как наиболее распространенного в технологии авиастроения), на фрезерных станках, при помощи ножниц, и др.: повышение в 2 раза коэффициента использования материала листа за счет компактной раскладки деталей в раскрое; снижение трудоемкости изготовления, сокращение количества обслуживающего персонала за счет сокращения количества операций, повышения скорости резки; (например, непрерывно работающий 0( лазер мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной 5мм со скоростью 3,5 м/мин ? экономия твердосплавного инструмента при резке труднообрабатываемых материалов; ? улучшение условий труда за счет легкости механизации и автоматизации процесса).
По сравнению с термическими процессами резки, лазерная резка обладает следующими преимуществами: ? более высокое качество (при высокой производительности) за счет снижения ширины реза, глубины зоны теплового воздействия, неперпендикулярности кромок; ? снижение трудоемкости изготовления, уменьшение количества обслуживающего персонала за счет устранения термических деформаций и последующей механической обработки кромок и правки деталей; ? универсальность процесса, т.е. возможность резки на одном и том же оборудовании не только металлов, но и любых неметаллических материалов.
Недостатками лазерной резки являются: высокие эксплуатационные затраты за счет применения более дорогих, дефицитных газов и оптики, повышенный расход электроэнергии, сравнительно высокая цена ТЛ
На основании сравнительной таблицы 1.1, а также с позиций технико-экономической эффективности, можно сделать вывод, что применение лазерной резки особенно целесообразно в тех случаях, когда требуется получить деталь мелкосерийной партии с высокой степенью точности размеров и формы, т. е. при предъявлении к конечной продукции требований повышенного качества, что соответствуют особенностям авиационного производства.
Уточненный расчет энергетических характеристик С02-лазера и теплофизических параметров рабочей смеси
Метод форсирования С02-лазера за счет охлаждения рабочей смеси требует точного расчета температуры внутри газоразрядной трубки, и учета ее влияния на коэффициенты, характеризующие процессы, происходящие во время генерации излучения.
В теории положительного столба, кроме известных допущений, что длина свободного пробега электрона много меньше радиуса трубки и концентрации зарядов достаточно для амбиполярной диффузии, содержится, предположение о том, что выделяющееся в разряде тепло не нарушает равномерного распределения плотности газа по радиусу трубки [40]. Но на самом деле, вследствие явления термодиффузии меняется по сечению поступательная температура активной смеси лазера при горении в ней положительного столба разряда, и изменяются коэффициенты теплопроводности, зависящие от температуры.
Ниже представлена методика решения этой задачи и определяются значения концентрации каждой компоненты, и коэффициенты теплопроводности по радиусу в рабочей смеси С02-лазера.
Для начала расчета принимается предположение, что плотность газа и коэффициенты теплопроводности и диффузии не меняются по сечениям. Как уже описано выше, что распределение температуры по радиусу трубки описывается установившимся решением уравнением теплопроводности для неограниченного цилиндра с выделением тепла в объеме и заданной температурой на поверхности (2.7, 2.8).
Для решения уравнения (2.8) необходимо знать значение коэффициента теплопроводности газовой смеси при температуре среды, равной Tw,
Для определения распределения температуры по сечению трубки, вычислим значение теплопроводности рабочей смеси. Коэффициент теплопроводности газовой смеси Xmix вычисляется по формуле Лемана [41]: где Xmix - коэффициент теплопроводности газовой смеси, ХІ - коэффициент теплопроводности і-ой компоненты газовой смеси, Mj - молярная масса компоненты, у - мольная доля газа в смеси. В данном случае эта формула будет выглядеть следующим образом:
Отличительной особенностью предлагаемого метода является представление рабочего пространства газоразрядной трубки в виде коаксиальных слоев активной среды с различной температурой, как показано на рис. 2.3. Это даст возможность рассчитать остальные термодинамические и кинетические характеристики. Каждый слой занимает объем: где Аг - шаг изменения радиуса і-го слоя. Стенка газоразрядной трубки лазераг,- = i-Ar Рис. 2.3 Схема для расчета температур газовой смеси внутри газоразрядной трубки.
Исходные данные подставляются в формулу 2.38, а затем в формулу (2.7) и получается распределение температуры и ее изменения по слоям с шагом Лх, аналогично картине представленной нарис. 2.4.
Эти данные позволяют сделать уточненный расчет коэффициента теплопроводности активной среды. Как видно из формулы 2.38 следует знать, значения коэффициента теплопроводности каждого компонента смеси в каждом слое. Как известно, коэффициент теплопроводности определяется такими характеристиками как средняя скорость молекулы, теплоемкость, плотность и средняя длина пробега, которые имеют определенные зависимости от температуры. Соответственно из этого следует, что коэффициент теплопроводности зависит от температуры активной среды. Анализ научных публикаций позволил сделать на основе справочных данных [42] математических выражений зависимости коэффициента теплопроводности N2 и СОг от температуры при низких давлениях.
Коэффициент теплопроводности гелия определяется следующим образом: Коэффициент теплопроводности азота: Затем рассчитываются в каждом сечении значения коэффициента теплопроводности каждого компонента. Типичные результаты представлены нарис. 2.5.
Затем рассчитывается по формуле (2.38) значения общего коэффициента теплопроводности активной среды в каждом сечении, результаты которых представлены нарис. 2.6. Рис. 2.6. Зависимость полною коэффициента теплопроводности активной среды от емпературы в отпаянном С02-лазере. На рис. 2.6. представлены две кривые зависимости общего коэффициента теплопроводности от температуры, где пунктирная линия, полученная для проверки, рассчитана по формуле 2.8 в соответствии с работой [37].
Получив значения коэффициента теплопроводности можно сделать уточненный расчет распределения температуры рабочей смеси по сечению газоразрядной камеры по формуле 2.8. Результаты расчета, представлены на рис. 2.7. Следует отметить, тот факт, что тепло переносится не только за счет теплопроводности газовой смеси, но и за счет излучения. Величина этого влияния оценивается в соответствии с методикой, представленной в [7]. Расчеты показывают, что долей лучистого тештопереноса можно пренебречь. К 0.25 0.5 (1.75 Рис. 2.7. Распределение температур и ее изменение (Tg, ЛТК) в отпаянном СС -лазере Следующим шагом уточненного расчета будет определение термодиффузного разделения в рабочей смеси, в соответствии с методом.
Экспериментальная установка для исследования влияния температуры охлаждения лазера на его энергетические характеристики
На рисЗ, 1 представлена схема экспериментального стенда. Установка содержит следующие основные элементы: Испытуемые лазерные излучатели ЛГН-703 (2 излучателя); Насос прокачки хладагента с регулятором расхода; Блок питания лазера; Системы замера, контроля и регистрации параметров; Вытеснительная система подачи азота в парогазовом состоянии; Теплообменник охлаждения жидкостного теплоносителя; Вспомогательные системы,
Дьюара, 17- подогреватель, 18 - ослабитель, 19 - калориметрический измеритель мощности. Рис. 3.2 Внешний вид экспериментальной установки (ЛГН-703). (Номенклатурный № ТД3.232.000ТУ) и созданная специально для него система охлаждения. В штатном режиме эксплуатации этот лазер охлаждается водопроводной водой по открытому циклу. При охлаждении до отрицательных температур он охлаждается по замкнутому циклу с использованием хладагента на базе этиленгликоля марки ТОСОЛ-40. Для уменьшения теплопотерь в окружающую среду излучатель покрыт теплоизолирующей массой типа «Пенофлюкс». Конструкция излучателя ЛГН-703 такова, что позволяет охлаждать не только разрядный объем (внутренняя труба излучателя), но и буферный объем - наружная труба излучателя. Экспериментальная установка дает возможность: генерировать мощность излучения в диапазоне от 25Вт до 45Вт лазера (при его охлаждении до отрицательных температур в диапазоне от 233К до 293К); изменять расход хладагента ТОСОЛ-40 в диапазоне от 1 до 5 л/мин; регистрировать температуру в различных точках системы охлаждения лазера (8 термопар хромель-копелевых); измерять значения мощности излучения лазера до 100Вт (погрешность 5%); контролировать уровень мощности вкладываемой в активную среду лазера с помощью регулятора тока на блоке питания в диапазоне от 35 до 50мА. Системы, входящие в состав экспериментальной установки, позволяют: система охлаждения лазера - обеспечить прокачку, охлаждение, фильтрацию и необходимую температуру охлаждения в диапазоне от 233К до 293К; система управления электроприводом насоса - обеспечить необходимые расходы хладагента (1-5 л/мин) и напорность до 1,0МПа; система измерения температур - производить замеры температуры в различных точках гидравлического тракта системы охлаждения и температуру калориметра; система измерения расхода хладагента - получать данные о расходе хладагента в системе охлаждения в диапазоне от 1 до 5 л/мин; система измерения мощности излучения лазера - регистрировать значения мощности излучения лазера; испарительная система - обеспечивать требуемый уровень расхода парожидкого азота.
В качестве средства измерений средней мощности лазерного излучения использовался серийно выпускаемый прибор «ОСИСМ-А» с ослабителем мощности, состоящий из следующих устройств: преобразователя измерительного ПИ-4А АБЕ5.194.001, измерителя специализированного цифрового Щ68006 ТУ25-04.3987-80 и ослабителя мощности АБЕЗ.961.001. Измеритель мощности «ОСИСМ-А» имеет следующие технические характеристики: диапазон измерений средней мощности непрерывного лазерного излучения от 1мВт- 100Вт; основная погрешность не более 2,5%; систематическая составляющая основной погрешности, обусловленная пространственной неоднородностью преобразователя 1,8%; погрешность ослабителя мощности 1,5%; класс точности 5.
Принцип действия измерителя мощности «ОСИСМ-А» [53] основан на преобразовании измеряемого лазерного излучения в пропорциональный электрический сигнал, усилении и преобразовании электрического сигнала в цифровой код с индикацией результатов измерений на цифровом табло.
Для его поверки применялась альтернативная система регистрации мощности, состоящая из калориметра и датчиков температуры, представляющего собой 2 термопары ХК ГОСТ 3044-77, 0,5мм с регистрирующим прибором в виде измерителя-регулятора ТРМ12А. Работа таких датчиков основана на температурной зависимости электрического сопротивления металлов. Измеритель-регулятор ТРМ12А [54] имеет следующие технические характеристики: диапазон измерений от -50С до 750С. предел основной погрешности (без учета погрешности датчика) не более 0,5%; разрешающая способность датчика 0,1С; класс точности 5.
Этот же измеритель ТРМ12А использовался для регистрации значений температур в 8 контрольных точках системы охлаждения, которая состоит из двух контуров. В первом контуре (закрытом) системы охлаждения циркулирует хладагент ТОСОЛ-60, который осуществляет теплосъем диссипативного тепла, которое образуется при работе лазера. В этом контуре температура контролируется в следующих точках: на входе в лазер (1), на выходе из него (2), на входе в теплообменник (3), на выходе из теплообменника (4), на входе(5) и выходе из насоса(б) Во втором открытом контуре происходит подача в теплообменник азота в парогазовом состоянии. В этом контуре температура контролируется в следующих точках: на входе в теплообменник (7) и на выходе из него (8).
Для визуального контроля за наличием протока теплоносителя (при уровне температур азота в парогазовом состоянии он может замерзнуть) установлен расходный бак (14) , откуда жидкость подается в теплообменник насосом объемного действия (11).
При проведении эксперимента были поставлены следующие задачи: получить данные о влиянии температуры хладагента на мощность излучения отпаянного С02-лазера типа ЛГН-703; при этом исследовать влияние расхода хладагента на мощность излучения С02-лазера типа ЛГН-703;
Технико-экономическое моделирование, оптимизация и границы эффективности серийных технологических лазеров и форсированных за счет охлаждения до температур ниже ОС
Под технико-экономической моделью технологических лазеров и процессов лазерной обработки следует понимать схему, включающую совокупность технических и экономических показателей, отражающую закономерности и особенности их изменения в конкретных условиях, всесторонне характеризующую уровень совершенства и прогрессивности ТЛ
Постановка цели Изучение ЛТК и процессов лазерной резки с позиции поставленной цели Формирование основных показателей ЛТК и процессов лазерной резки и их взаимосвязей. Их количественная характеристика Формирование и конструирование модели ЛТК и процессов лазерной резки Проведение экспериментальных расчетов на базе построенной модели
Сравнение полученных результатов с фактическими данными
Оценка результатов сравнения Неудовлетворительная Удовлетворительная Ко ректировка модели Цель достигнута Рис. 4.9. Схема построения технико-экономической модели ТЛ и процессов лазерной обработки. На рис. 4.9. приведена общая схема построения технико-экономических моделей форсированных и не форсированных ТЛ и процессов лазерной обработки. Располагая технико-экономическими моделями и необходимыми исходными данными, можно осуществлять моделирование, т.е. определение и исследование изменений технико-экономических показателей сравниваемых ТЛ и технологических процессов в зависимости от конкретных условий производства и эксплуатации, обеспечивая при этом выбор наилучшего варианта. Технико-экономические модели ТЛ и процессов лазерной обработки включают: требования, которым должна удовлетворять данная модель, основные показатели эффективности вариантов и целевую функцию задачи; - перечень и условные обозначения исходных технико-экономических показателей ТЛ и процессов лазерной обработки и сравниваемых вариантов технологических процессов; - краткое описание и условия функционирования ТЛ, процессов лазерной обработки и сравниваемых традиционных вариантов технологических процессов; - алгоритм, отражающий в математической форме последовательность выполнения операций при моделировании, характеризующий взаимосвязь различных технико-экономических показателей ТЛ и процессов лазерной обработки.
При разработке технико-экономической модели ТЛ и процессов лазерной обработки необходимо учитывать: многообразие условий функционирования ТЛ и процессов лазерной обработки и отражать их влияние на эффективность процесса; возможность выявления и исследования границ эффективности процессов лазерной обработки.
На рис. 4.10. приведена структурная схема определения экономически эффективных областей применения процессов лазерной обработки в промышленности, которая включает ряд этапов. 1 этап. Выбор и систематизация исходных данных. этап. Анализ и выбор возможных вариантов технологических процессов для обработки конкретных деталей. 3 этап. Расчет технико-экономических показателей технологических процессов по выбранным вариантам. Для каждого выбранного варианта технологического процесса рассчитываются эффективные решения, выбирается необходимое технологическое оборудование из массива информации. Далее определяется производительность процесса, количество технологического оборудования на заданную годовую программу выпуска деталей и рассчитываются приведенные затраты для каждого варианта технологического процесса. 4 этап. Выбор эффективного варианта технологического процесса осуществляется, исходя из условия минимума удельных приведенных затрат по вариантам. Следует учитывать, что для процессов лазерной резки — затраты на единицу длины реза (погонного). 5 этап. Расчет годового экономического эффекта основывается на сопоставлении затрат по базовому варианту технологического процесса и процесса с использованием TJL 6 этап. Расчет годового социального эффекта от внедрения технологического процесса с использованием ТЛ. 7 этап. Расчет суммарной годовой экономии от внедрения технологического процесса с использованием ТЛ.4.2.2. Обоснование рациональных технико-экономических показателей ТЛ
Для того чтобы выбрать оптимальный параметры форсирования ТЛ для конкретного процесса обработки материала, необходимо, используя технико-экономическое моделирование, определить: - номенклатуру "деталей-представителей11 для конкретных процессов лазерной обработки; - экономически обоснованные рациональные режимы процессов лазерной об аботки; - эффективные диапазоны мощностей ТЛ для процессов лазерной обработки.
Технико-экономическая модель процесса лазерной резки включает разработку математического алгоритма, отражающего взаимосвязь показателей панной системы, условия ее функционирования, а также логическую последовательность решения поставленной задачи.
Модель позволяет, исходя из характеристик обрабатываемой лазером детали и ее программы выпуска, определить режимы процесса лазерной резки (время действия источника теплоты, радиус лазерного луча на поверхности детали, скорость резки, расход режущего газа, требуемая выходная мощность ТЛ), выбрать тип ТЛ, необходимое количество ТЛ, рассчитать цену ТЛ и себестоимость процесса лазерной резки, капитальные вложения, приведенные затраты и удельные приведенные затраты. Лучший вариант технологического процесса характеризует минимум удельных приведенных затрат.
На печать по итогам вычислений для конкретной детали выводятся, радиус лазерного луча на поверхности детали, скорость резки, по поверхности детали, требуемая выходная мощность ТЛ, эффективный вариант упрочнения, приведенные затраты на деталь, удельные приведенные затраты на единицу упрочняемой площади, социально-экономический эффект процесса лазерной резки, показатель суммарной народнохозяйственной экономии, расчетный коэффициент эффективности капитальных вложений, срок окупаемости капитальных вложений.
Рассмотрим построение технико-экономической модели выбора эффективного типа ТЛ и пути форсирования за счет охлаждения для процесса лазерной резки металла. В данном случае варьируемыми показателями являются толщина детали S, плотность материала pt удельная энергия лазерного излучения а0, ширина реза на входе и выходе луча b и Ьи, длина реза, приходящаяся на одну деталь /, программа выпуска N. В группу нормативно-справочных характеристик включают такие показатели, как годовой фонд времени оборудования и рабочего, цены на
Похожие диссертации на Повышение эффективности технологии обработки деталей летательных аппаратов за счет форсирования технологического CO2-лазера
