Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Способы резки тонкостенных цилиндрических изделий из хрупких неметаллических материалов 16
1.1. Общие положения. 16
1:2. Механическая резка. 20
1.3.Термическая резка: 25
1.4 Лазерная термическая резка. 27
1.5. Выводы. 57
Глава 2. Механизм термической резки раскалыванием тонкостенных цилиндрических стеклоизделий. 62:
2 1 .Свойства стекла и других хрупких тел. Физические процессы в хрупких телах при термической резке раскалыванием. 63
2.2. Термическая резка раскалыванием как система взаимодействующих процессов 67
2.3. Формулирование задачи лазерной термической резки раскалыванием тонкостенных цилиндрических изделий. 70
2.4. Физическая модель образования зародышевой трещины 71
2.5. Основные дифференциальные уравнения, описывающие физические процессы при
термической резке раскалыванием 80
2.6. Расчетный метод и основные уравнения численного моделирования физических процессов: 86
2.7; Средства и технология моделирования физических процессов термической резки раскалыванием 90
2.8; Особенности теплового поля при термической резке раскалыванием. 98
2.9. Развитие деформаций и напряжении. 106
2.10. Анализ процесса роста трещины. 150
2.11 .Основные принципы управления; производительностью и качеством процесса термической резки раскалыванием. 156
Глава 3. Теоретический анализ влияния параметров: режима на производительность и качество лазерной термической резки раскалыванием. 158
3.1. Обоснование модели для теоретического анализа. 158
3.2 Выбор расчетных критериев для сравнения различных режимов лазерной термической резки раскалыванием... 159
3.3. Описание лазерных тепловых источников 161
3.4. Влияние параметров режима обработки на процесс термической резки раскалыванием СОг-азером 170
3.5. Влияние геометрических размеров стеклоизделия и свойств стекол на процесс термической резки раскалыванием. 186
3.6. Влияние диаметра стеклоизделия на процесс термической резки раскалыванием 187
3.7. Влияние толщины стенки на стеклоизделия на процесс термической резки раскалыванием. 190
3.8. Влияние свойств материала стеклоизделия на процесс термической резки раскалыванием 194
3.9. Оценка возможности образования зародышевой трещины на основе аналитических методов теории теплопроводности. 199
3.10. Выводы. 206
Глава 4. Экспериментальное исследование процесса лазерной термической резки раскалыванием 209
1.1 .Выбор экспериментальных критериев для сопоставления различных режимов лазерной термической резки раскалыванием 209
1.2:Влияние параметров режима обработки на время резки. 211
1.3.Влияние технологических параметров обработки на точность резки 224
1.4.Влияние возмущающих факторов на время и точность резки 231
1.5.Выводы 238
Глава 5. Разработка и реализация технологических решений и оборудования для лазерной резки раскалыванием изделий из стекла. 241
5.1. Методики выбора параметров режима лазерной резки раскалыванием 241
5.2. Разработка технологии и выбор параметров режима лазерной резки раскалыванием 249
5.3. Разработка технологических решений и оборудования лазерной резки раскалыванием изделий из стекла 255
5.4; Выводы. 276
Основные выводы и полученные результаты 278
Литература 283
- Общие положения.
- .Свойства стекла и других хрупких тел. Физические процессы в хрупких телах при термической резке раскалыванием.
- Обоснование модели для теоретического анализа.
Введение к работе
Актуальность- проблемы. Хрупкие неметаллические материалы, типичнымипредставителями которых являются стекло и керамика - одни из, наиболее древних, но ив настоящее время распространенных материалов. Спектр их применения: охватывает практически все сферььчеловеческои деятельности; Значительный объем в: производстве этих материалов і занимают изделия типа полых тонкостенных тел вращения; Это технологические трубопроводы химической; нефтехимической; и пищевой? промышленности,товарный; дрот и ампулы для; фармакологии^ лабораторная и.бытовая посуда и: тара, оболочки-и конструктивные элементы электровакуумных и; газоразрядных приборов;
Одной из основных технологических операций в производстве указанных изделий является обрезка заготовок. Наиболее распространенным методом ее выполнения>является метод обрезки с использованием механического воздействия: (откол), который осуществляется путем создания: надреза по контуру реза абразивным: или твердосплавным инструментом; с последующим5 отламыванием. Существенными: недостатками этого метода являются значительные колебания^ высоты неровностей В; плоскости; реза? иуход линии реза от задан ной-траектории. Это приводит к необходимости; введения; дополнительной операции: шлифовки поверхности реза, либо к отбраковке заготовки и; соответственно, к увеличению расходов на изготовление изделий;
Более: прогрессивными являются- методы: обрезки: с использованием, термического воздействия. В качестве источников тепла при; этом могут применяться: газовое пламя, плазменные струи, лазерные пучки и другие источники нагрева. Термическую резку можно вести в режиме выплавления,
испарения или раскалывания под действием термоупругих напряжении, возникающих при неравномерном нагреве изделия. Предварительные исследования, проведенные нами, и литературные данные свидетельствуют о том, что при резке в режимах выплавления и испарения затраты энергии в 5-10 раз выше, чем в варианте термической резки раскалыванием под действием термоупругих напряжений. Последний метод, кроме энергетических достоинств, позволяет использовать такой современный, экологически чистый источник нагрева, как маломощное излучение ССЬ-лазера. Вместе с тем, несмотря на несомненные достоинства процесса термической резки раскалыванием, практическая реализация данной технологии долго сдерживалась недостаточной изученностью и противоречивостью результатов исследования термомеханических процессов, протекающих при резке полых цилиндрических изделий, и факторов, влияющих на стабильность, качество и производительность резки. Применение для анализа процесса термической резки раскалыванием подходов, основанных на использовании характеристик термостойкости хрупких неметаллических материалов, некорректно из-за резкого отличия условий нагрева, при которых определяется термостойкость, и условий, при: которых происходит термическая резка. Все вышеперечисленное затрудняет, а в ряде случаев делает невозможным разработку и осуществление процессов резки полых цилиндрических изделий с высокой производительностью и качеством в реальных производственных условиях.
Поэтому разработка научных методов анализа, технологии и оборудования для термической резки раскалыванием, обеспечивающих высокую производительность при хорошем качестве реза полых изделий из хрупких неметаллических материалов является актуальной задачей, имеющей важное
хозяйственное значение.
Настоящая ; работа выполнялась в соответствии с межвузовской научно-технической программой «Сварка и і контроль»,, код проекта: 01.01 15.98П, (1998-1999 - г.г.) и научно-технической^ программой «Научные исследований' высшеюшколы^по приоритетным направлениям* науки н техники», подпрограмма: 201. «Производственные технологии», раздел^ 201.071 «Технология? современного заготовительного производства. Сварка и диагностические комплексы». Код проекта-07.01.079:(2001-2002 г.г.) и раздел 20 V.02; Лазер-ные.технологии; Код проекта 02.01.062 (2001-2002 г.г.)
Цель работы^ - Разработать научно-обоснованные технологические решениями;оборудование для термической:резки;тонкостенньтх:цилиндриче-ских изделий: из хрупких неметаллических. материалов і для < обеспечения заданной производительности и качества резки.
Для достижения: поставленной цели сформулированы> и решены следующие научно-технические задачи:
- Выявление и формулирование условий зарождениями развития разде
ляющей трещины на основе положений теории технологической шрочности;
при сварке;
Компьютерное моделирование процессов, распространения* тепла, развития деформаций- и напряжений: в зоне, реза в> условиях подвижно го - источника тепла и с учетом: перехода: материала выше:температуры,стеклования в вязкоупругоеи вязкопластическое состояние;
Теоретическое и экспериментальное обоснование возможностей: целенаправленного регулирования, технологических параметров, обеспечивающих повышение качества резки;
Разработка методики выбора: параметров режима термической резки. изделий с использованием GO?- лазера в качестве источника1 нагрева;
Разработка и: внедрение новых технологических процессов4 и оборудования для термической резки изделий в промышленности;
На защиту выносится:
- рабочая гипотеза;_описывающая механизм;термической'>резки;раска
лыванием и состоящая?втом;.что для повышения^качества поверхности реза
необходимо за счет управления параметрами; нагрева;сформировать поверх
ностный: осе симметричный инициатор разрушения- и;обеспечить прораста
ние:трещины на всю толщину стенкю изделия; путем целенаправленного
формирования:полей термоупругих напряжений;
трехмерная физико-математическая? модель процесса термической резки; раскалыванием^ тонкостенных цилиндрических изделий из хрупких; неметаллических материалов, учитывающая процесс распространения тепла;. развития напряжений, упругих и: пластических деформаций во времени с учетом кинетики изменения состояния материала при нагреве и охлаждении;
закономерности процессов:распространения тепла, развития перемещений; деформаций и напряжений в;стенке цилиндрического тонкостенного изделия из стекла при действии подвижного источника тепла;
результаты теоретических исследований; полей;температур: и напряжений; в стенке цилиндрического изделия на'различных стадиях: движения источника нагрева. _
- механизм и энергетические условия развития кольцевой осесиммет-
ричной трещины вдоль плоскости^реза;и условия: обеспечения качества по
верхности реза;.
- результаты теоретического ж экспериментального исследования
влияния; параметрові технологического; процесса- (мощности лазерного ис
точника; нагрева, размеров; формы; пятна; нагрева и закона распределения:
мощности* в: пятне нагрева ; и скорости і вращения= изделия) на: производитель
ность и качество резки;:
методика шалгоритм обоснования::оптимальных параметров режима-лазерной термической;резки;изделий; из стекла,.удовлетворяющих требованиям производительности и качества; резкие в; соответствии с заданным ритмом поточной линии итехническими условиями на изделие;
новые способы и конструкции? технических устройств, обеспечивающие существе иное повышение производительности и качества резки.
Автор принимал'непосредственноеучастие внаучньгх разработках от постановки задачи до выполнения конкретных исследовалии; анализа и вне-дренияполученных результатов.
Методы исследования включали:
методы теории технологической прочности при сварке для выявления механизма образования: начальной зародышевой трещины;
методы:теории>теплопроводности сплошных сред для изучения нестационарных тепловых: полей в условиях; действия = локальных источников; нагрева;
методы теории образования; сварочных напряжений: и деформаций і для изучения динамики развития; собственных: напряжений; и деформаций1 при неравномерном нагреве в процессе резки;:
метод конечных элементов для численного моделирования КИНЄТИКИ' температурных полей и полей деформаций и: напряжений.
Расчеты МКЭ производились с использованием лицензионного пакета программ конечно-элементного анализа MSC/NASTRAN for Windows.
Основные экспериментальные исследования проводились с использованием углекислотных лазеров Ш1ГН-709,; ИЛГН-706. Оценка качества поверхности реза осуществлялась измерительной системой с индуктивными датчиками перемещений производства завода «Калибр».
Научная новизна; Осуществлено решение научной проблемы управления кинетикой развития полей собственных напряжений при термической резке цилиндрических тонкостенных изделий из хрупких неметаллических материалов, имеющей важное народно-хозяйственное значение, состоящее в следующем::
разработана трехмерная численная модель термомеханических процессов при локальном воздействии подвижного источника нагрева при термической резке тонкостенных цилиндрических деталей из хрупких неметаллических материалов, позволяющая осуществлять анализ кинетики распространения тепла; развития напряжений, упругих и пластических деформаций с учетом изменения состояния материала при нагреве и охлаждении;
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена необходимость формирования двухстадийного процесса, резки цилиндрических изделий, состоящего в том, что на первой стадии формируются термические условия для зарождения осесимметричного инициатора разрушения (в виде кольцевого концентратора напряжений), и на второй стадии - условия для формирования полей временных напряжений, обеспечивающих развитие трещины в плоскости реза.
Закономерности развития температурных полей, перемещений, напряжений, образования: зародышевой^ н роста разделяющей трещины по толщине стенки разрезаемого изделия, выявленные путем трехмерного численного моделирования;, позволили установить:
механизм и условия образования поверхностной осесимметричной зародышевой трещины, которые соответствуют механизму образования напряжений; деформаций!и трещин при сварке.и заключаются- в возникновении на стадии нагрева: в поверхностной зоне сжимающих напряжений,.снижающихся по; мере увеличения температуры;вследствиеперехода:материала: сначала; в вязкоупругое; а затем в вязкотекучее состояние, что создает предпосылки для; образования поперечной .усадки. На стадии охлаждения от температуры размягчения до температуры стеклования; и ниже происходит нарастание поперечных растягивающих напряжений и появление трещин вдоль линии: нагрева, объединяющихся; в > процессе движения і источника нагрева в кольцевой осесимметричный концентратор напряжений;
' механизм и условия прорастания осесимметричной-зародышевой-трещины насквозь, обусловлены) развитием: деформаций* изгиба (выпучивания) стенки в результате термического расширения зоньгнагревав окружном направлении. Величина изгиба стенки регулируется^ степенью неравномерности теплового поля вдоль образующейщилиндра и зависит, от цилиндрической жесткости стеклоизделия в месте реза;
связь, качества поверхности реза: с величиной разности между
энергией, высвобождающейся при образованию разделяющей; трещины, и
энергией образования новых поверхностей. Уменьшение разности: энергий-
приводит к улучшению качества резки;
* условия оптимизации качествареза, заключающиеся в согласованном формировании в заданном временном интервале кольцевой зародышевой трещины по траектории реза и изгиба;(выпучивания) стенки изделия в зоне реза,. степень которого должна* обеспечивать^ минимально необходимый для? сквозного прорастания зародышевой трещины уровень,энергии, высвобождающейся? при движении трещины. При этом: температура на; поверхности изделия, заисключением локальной' зоны-вблизи действия < источника: нагрева, не должна5 превышать, температуру стеклования для. предотвращения переход а материала в вязкое состояние, что существенно увеличивает эн ергиюь д еформаци и; необходимую душ прорастай ия > тр ещины, и -і пр и-водит к снижению качества реза..
Практическая ценность и реализация результатов работы:
Разработаны новые технологические процессы: и оборудование для термической: резки полых цилиндрических стеклоизделий (а.с. № 1295670, №1426023, №1505381).
Установлены экспериментальные зависимости времени: и? точности; резкиот мощности лазерного теплового источника, размерови формы пятна; нагрева на поверхности стеклоизделия; скорости его вращения.
- Разработана методика выбора параметров режимов термической резки; стеклоизделий! с использованиемлазерного нагрева.
Результаты работы внедрены на Тверском, Дятьковском, Гусь-Хрустальном стекольных заводах, при производстве сортовой стеклопосуды и; Хабаровском химико-фармацевтическом: заводе при изготовлении жидких; лекарственных форм в стеклянных ампулах. Экономический эффект от использования одного лазерного модуля в поточної линии составил 32 тыс.
руо. в год (в ценах: 1990 года).. Два технологических лазерных модуля для резки сортовой стеклопосуды реализованы фирме «Valter», ФРГ (контракты от 28; 01.92 и от 03.07.92.).
Достоверность научных положений подтверждается:
Использованием современных, взаимно дополняющих: экспериментальных^ методик, корректно * обоснованных^ методов; решения поставлен ных задач, применением сертифицированного и многократно апробированного универсального пакета- MSG/NASTRAN for Windows: для; конечно-элементного линейного и нелинейного: термопрочностного анализа конструкций.
Соответствием научных положений; выводов ^рекомендаций; сформулированных в диссертации, общим теоретическим представлениям о закономерностях формирования напряженно-деформированного состояния и - образования трещин при сварке.металлических материалов с учетом специфики теплофизических характеристик хрупких неметаллических материалов.
Положительными результатами апробации результатов теоретических, и экспериментальных исследований при практическом использовании разработанных технологий-и оборудования термической резки стеклоизде-лий.
Использованием метрологически поверенной аппаратуры, приборов и оборудования.
Апробация:работы. Основные положения работы: были доложены и нашли одобрение в период;с 1985 по 2004 годы на;7 международных и 4 всероссийских научно-технических конференциях, в том числе всесоюзной;
научно-технической конференции «Лазерная технология в приборостроении», г. Москва, 1985; республиканской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии», Курск, 1991г.; международной научно-технической конференции «Современные проблемы сварочной науки и техники», г. Ростов-на-Дону, 1993 г.; международной научно-технической конференции «Инновационные технологии», ФРГ, г. Магдебург, 1995 г; российской научно-технической конференции «Современные проблемы сварочной науки и техники, Сварка-97», Воронеж, 1997г.; международной конференции «Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений», Белгород, 1997 г.; 9-й международной конференции «Лазерные микротехнологии», Санкт-Петербург, 2000 г.; всероссийской научно-технической конференции «МАТИ-сварка XXI век», Москва, 2003 г.; всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Сварка и контроль - 2004», Пермь, 2004 г.; международной научно-технической конференции «Сварка XXI век», Липецк, 2004г.; международной научно-технической конференции «Приборостроение», Винница - Ялта», 2004г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в монографии, опубликовано в 22 статьях и 4 изобретениях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и включает 296 страниц текста, в том числе 4 таблицы, 93 рисунка. Список литературы включает 125 источников.
Общие положения
Одними из наиболее распространенных промышленных неметаллических материалов являются стекла и керамика. Несмотря на существенные различия в строении этих материалов [1-5] (первые, в основном, аморфные тела, а вторые — кристаллические), по характеристике механических свойств те и другие относятся к классу хрупких неметаллических материалов. Вообще твердые неорганические материалы по характеру их разрушения принято подразделять на хрупкие,, полухрупкие и пластичные. Хрупкие материалы характеризуются практически полным отсутствием пластической деформации до разрушения [1].
Для выявления закономерностей и объяснения природы разрушения при резке неметаллических материалов следовало выбрать модельный материал и комплексно применить к нему ряд положений материаловедения, механики разрушения, теории технологической прочности, теории теплопроводности сплошных сред и др. Выбор стекла в качестве модельного материала был сделан как на основе сравнения свойств стекол и керамики, так и исходя из практических соображений промышленного использования разрабатываемой теории для целенаправленного надежного управления процессами в зоне резки при изготовлении стеклоизделий различных типов.
Известно, что керамические материалы, как правило, являются многофазными, содержащими дефектную кристаллическую фазу, стекловидную фазу и поры. В общем случае керамики имеют более сложный состав, чем стекла: структура этих материалов-представляет собой непрерывный скелет из кристаллических фаз (например, оксидов алюминия, циркония, магния;, кальция, бериллия, других высокоогнеупорных окислов),, пропитанный; аморфной стеклянной; фазой (с частично: возможной кристаллизацией стекла), и с некоторым количеством і пор (4-5%). Так,. керам ич еские материалы;. на основе окиси алюминия Л120ЗІ широко применяемые в.современном приборостроении (22Х, 2ХС,. М-7, BF-4, сапфирит), содержат более 80% кристаллической : фазы АЬОз, а после спеканиям состоят из 81-87% корунда; 10-19% стекла и 4-5% пор5 [43]). Причем; несмотря на относительно небольшое по объему количество стекла; оно существенно влияет на свойства керамики.
Характер разрушения керамики различен в зависимости от ее фазового состава: Разрушение может происходить либо по телу стекловидной фазы, либо по кристаллической составляющей..В материалах чисто кристаллического строениям разрушение иногда имеет характер интеркристаллического -происходит по границам: зерен без нарушения = их целостности. Если же керамика содержит стекловидную фазу, разрушение происходит в первую очередь по стеклу, обладающему меньшей прочностью [I].
Величина прочности;отдельных видов керамики может существенно-различаться. Наиболее прочна оксидная керамика: кристаллического строения: Так, предел прочности.при статическом;изгибе;приісреднем;типичном значении этого показателя 200 — 300 МПа, а керамики с большим количеством стекловидной фазы (например, фарфора) - не выше 100 МПа:
.Свойства стекла и других хрупких тел. Физические процессы в хрупких телах при термической резке раскалыванием
Как указывалось выше, для целенаправленного развития разрушения необходимо создать инициатор разрушения в виде осесимметричного концентратора и обеспечить прорастание кольцевой трещины из концентратора на всю толщину изделия путем целенаправленного формирования полей термоупругих напряжений.
Наиболее простым способом получения осесимметричного концентратора для всех типов хрупких материалов является скрайбирование. Другой способ формирования оссесимметричного концентратора напряжений, который, как, будет показано ниже, может быть применен для материалов типа стекол и им подобных, имеющих высокую скорость изменения вязкости при изменении температуры, заключается в создании осесимметричного концентратора в форме трещины в приповерхностной зоне по механизму, аналогичному механизму образования трещин при сварке металлов [45-47]. При этом параметры воздействия, обеспечивающие формирование концентратора в форме трещины,,могут быть определены на основе теории образования напряжений и деформаций при сварке и теории технологической прочности [45-53].
Из сказанного следует, что для определения механизма термической резки раскалыванием необходимо исследовать, с учетом особенностей физико-механических свойств и их зависимости от температуры, следующие физические процессы:
распространение теплая в твердом теле, сопровождающееся изменением его состояния в локальных зонах от твердого к жидкому вплоть до перехода в паровую фазу (при скрайбировании);
развитие термоупругих деформаций и напряжен и й;
развитие пластических деформаций: и напряжений при переменных температурах в приповерхностных областях на стадии нагрева и охлаждения (в зоне действия: сфокусированного лазерного лучаили другого теплового источника);
зарождение поверхностной трещины;
прорастание трещины по заданному контуру (образование осе-симметричного инициатора развития разрушения);
превращение трещины в сквозную в плоскости реза.
Как упоминалось ранее, твёрдые неорганические материалы принято разделять по характеру их разрушения на хрупкие, полухрупкие и пластичные. Стекла и керамики - это типичные представители хрупких материалов, разрушение которых при нормальной температуре протекает без видимьтх следов пластической деформации.
Рассмотрим физико-механические свойства стекла [ 10, 51]. Є технической точки зрения стекло, в том числе и силикатное - это аморфное вещество, представляющее собой неорганический, химически стойкий продукт плавления окислов, после охлаждения - твердый и хрупкий. Анализ зависимости вязкости стекла от температуры позволил выделить ряд характерных температур (рис.2.1.). При нагреве, начиная с некоторой темпе-ратуры Т , соответствующей вязкости стекла 10 п Па с, стекло размягчается, и его вязкость начинает быстро уменьшаться.
Обоснование модели для теоретического анализа
Для теоретического анализа влияния;технологических параметров1 процесса на производительность и качество резки допустимо и целесообразно при= моделировании термодеформационных процессов и= процесса роста трещины использовать І осесимметричную модель, вместо полномасштабной трехмерной модели. Возможность замены трехмерной модели на осесимметричную определяется следующими факторами, рассмотренными главе 2::
фактор изгиба стенки, оказывающий-определяющее влияние на. возможность образования сквозной трещины, учитывается как при; использованию трехмерной модели, так и при использовании осесимметричной модели;;
для \ стеклоиздел ий, типа труб и сорто во й п осуды поле тем ператур с приемлемым приближением можно считать осесимметричным;
выявляемый; только" с использованием трехмерной модели вклад в термодеформационные процессы поля напряжений: движущегося вслед за; источником нагрева незначителен;
роль пластической І деформации поверх ностных слоев, вы являемая только с использованием;трехмерной модели; заключается лишь в формировании зародышевой трещины, о наличии которой; можно судить, анализируя характер термических циклов: в точках поверхности; стеклоизделия, попадающих в зону действия теплового источника; Целесообразность использования осесимметричной; модели; стеклоизделия вместо полномасштабной трехмерной модели связана с тем,, что; изучение влияния параметров режима требует выполнения большого количества расчетов, которые не могут быть сделаны в приемлемые сроки на доступном оборудовании, поскольку среднее время одного расчета на полномасштабной трехмерной модели составляет от 4 до 60 часов;
