автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.07, диссертация на тему:Лазерная резка трубчатых стеклоизделий методом термораскаливания

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИЕТ Р* ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАН'«

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Револвции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный технический университетам. Н.Э. Баумана

На правах рукописи

ОРЛОВ ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ЛАЗЕРНАЯ ТЕЗКА ТРУБЧАТЫХ СТШСШДЕЯИЙ МЕТОДОЙ ТЕРМ0РАСКАЛ1.ВАНИЯ

05.03.07 - Оборудование и технология лазерной обработки

Автореферат

х диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1992

Работа выполнена в Московском ордена Ленина, ордена Октябрьсг.ой революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственном техническом университет, им.Н.Э. Баумана.

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук А.Г.ШГОРЬШЩ

Официальные оппонента: профессор, д.я.н. Яыпольский В.).!.

кл.н. Кваша Ю.Н.'

Ведущее предприятие НЙЦГЛ АН РФ ...

Защита состоится " /¿Г» ^кшЛ^рЛ 1992 г. на заседании специализированного Совета К 053.Й.03 в Московоком ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственном техническом университете им.Н.Э.Баумана по аиресу: 107005, г.Москва, 2-я Бауманская ул., д.5

Баи отзыв в 2 экз., заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан " /5" " г с и <ГУ <Л л "1992г.

Ученый секрет.'чь опицяализированнаго Совета

к.т.к., доцент V--""4 В.И. ГИРЕ

Подл, к печ. 9.09.1^92 г. Заказ 482. Объем Г п.л. Тир.100 экз. Тяпо-чрвйая ЮТУ ии. Н.Э. Бауиана

\5

росси&с:'.' осудлрст^;;:?-, -} бушлиош^ общая хйррчтеристикя работы.

Актуальность проблемы. Лазеры для резки различных материалов 1 настоящее время иироко используются в промышленности и доказали свои преимущества. В ряде случаев лазеры успешно применялись для резки стекла, как листового, так и в виде тел вращения. Как правило, длр резки тел вращения и? стекла используется их нагрев пламенем газовых горелок.Этот способ применяется уле около 70 лет и по своим экологическим характеристикам, а такие рациональности использования природного газа для нагрева стеклоизделий морально цстарчл. Применение лазерного излучения в качестве источника тепла вместо газового пламени продемонстрировало улучиение качества резки и экологическую чистоту данного слособя. При этом оказалось, что для резки тел вращения из стекла термораскалыванием с использованием отпаянных С02-лазеров требуется мощность "злучения в 5-10 раз меньшая, чех при резка в реииме испарения. Вместе с тем, воз-никавт трудности в сопоставлении и интерпретации результатов различных работ, а такае при необходимости резки стекла другой марки, связанные с неполнотой сведений о влиянии параметров реима термо-раскалнвания на производительность и чачество резки и отсутствием конкретного механизма тераораскаливания трубчатых стеклоизделий . Применение для анализа процесса ^epмopacкaлнвam''^ тр-лиционных подходов оценки термостойкости стеклоизделий невозмовно из-за с >е-цифических характеристик лазерного теплового источника и условий нагрева. Все вывесказанное затрудняет в ряде случаев осуществление лазерного термораскалывания с высокой производительностью и качеством в реальных производственных условиях.

Цель работы. Повышение производительности и каче тва лазерного термораскалывания трубчатых стеклоизделий.

Методы исследования вкличали аналитические методы теории тепловых процессов и методы численного интегрирования на ЭВМ для определения действия лакагного лазерного теплового источника вблизи поверхности стеклоизделия: метод конечных элементов для численного моделирования физических чроцессов нелинейной теплопроводность, развития в стеклоизделий термоупруги: напряяений и перемещений, движения разделяющей трещины в квазисте ическом поле термоупругих напряжений, описываемом линейной механикой разрувения. Расчеты проводились на ЭВМ ЕС-1055, ЕС-1033, Основные экспериментальные исследования велись с использованием С0г-лазйра ИЛГН--709, в предварительных экспериментах использовались так»е СО^ -лазеры /1Т1-2,

1

ИЛГН-704, СО-лазер ИЛГН-706, Для оценки непараллельное™ плоскости реза и плоскости дча стеклоиздвлия (или плоскости, перпендикулярной оси стеклоизделия) применялась 1-змери'. ;льная система с датчиком индуктивности.

Научная новизна. 1. Устано°лено, что при лазерной термораскалывании трубчатых стеклоизделий разделяющая окружная трещина развивается от естественных или искусственных дефектов на внешней поверхности в центре окруяной полосы нагрева под действием осев их растягивающих напрялений, возникающих вследствие местного изп.За стенки стеклоизделия.

2. .¡оказано. что в развитии осевых напряжений в плоскости разделения имеют место две противоположные тендегчии. Первая заключается в развитии на вн-чней поверхности в центре окружной полосы нагрева напряжений с«атия, а на внрренней поверхности напря-кений растякения вследствие неравномерного распределения темпера-турн по толщине стенки, вызванного перегревом поверхностных слоев. Действие первой тенденции препятствует термораскалыванию. Вторая тенденци~ заключается в развитии на внешней поверхности в центре окружной полосы нагрева напряяений растякешя, а на внутренней поверхности напрявений снатия из-за неравномерного распределения температ1"!« в осевок направлении, которое приводит к неравномерным чадмалышм смещениям стенки, т.е. и ее местному изгибу. Действие второй тенденции определяет воэлскность термораскаливания. Для осуществления термораскалнвания необходимо обеспечить преобладание вт^пой тенденции над первой,

Практическая ценность работы состоит в создание программного комплекса для моделирования процесса лазерного термораскалывания трубча-чх стеклоизделий при заданных параметрах технологи чского процесса и гвойствах стекла; созда. ии экспериментальной методики подбора лпроивтрог технологи' эского процесса лазерно! о термораска-Л1 алия; установлении экспериментальных зависимостей времени резки и непараллельности плоскости дна(или плоскости, перпендикулярной и оси стеклоизделия) от "оцности лазерного теплового источника, размеров и формы пяти? на поверхности стеклоиздрлпя, скорости его працения,

• Апробация работы. Результаты работы докладывались: !, На научном семинаре кафедро "Оборудование и технология лазерной обрлостки" МГТН им. 1!.Э.Раучана( 19П8 1189 гг),

Ча научной семинаре ка.едры "Накиик и автоматизация сварочных

процессов" МГТ9 им. Н.Э. Барчана(1989 г.).

3. На Всесоюзной конференции НТГМ "Актуальные проблемы информатн-"и, управления, радиоэлектроники и лазерной техники'Ч 1909 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в трех опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Она йзлояена на US страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков и 5 таблиц. Список литературы включает 89 наименований. Работа выполнена при научном консультировании к.т.н. Соколова А.ЙДМГТУ им, Н.Э. Баумана).

Основное содериание работы.

Глава 1. Состояние вопроса.

В первой главе рассматриваются используемые в промышленности строительных материалов, электронной и электротехнической отраслях различные способы резки трубчатого стекла, а так-е способы, внедрение которых предполагается осуществить или осуществляется в кастоящее время. К первой группе относятся способы механической резки методой отламывания и резки абразивными кругами, резки нагреваемой электрическим током проволокой, резки путем нагрева линии разделения пламенем газовых горелок. Последние два способ основаны на возникновении в стекле механических напряиений под дейстр!,ем градиента температур. Ко второй группе могут быть отнесены способы резки путем нагрева линии разделения излучением COg -лазера(лазерное термораскаливание) и резка пдте.. испарения стекла под действием излучения С02-лазера. Анализ литературы по: лзал, что применение лазерного термораскалывания наиболее перспективп, поскольку обеспечивает яучаее качество резки при той не или большей производительности по сравнению с резкой проволокой и газовик иламенем, требует почти на порядок меньшей моцности излучения по сравнении с резкой в режиме испарения и, кроме того, является наиболее экологически чистым способом по сравнении с остальными.

Исследований процесса лазерного термораскалывания посвящегч работы Г.А, Начулки с сотрудниками, B.C. Кондратенко и ряда других авторов. Полученные ими результаты доказали преимущества лазерного термораскаливания и позволили рекомендовать ряд приемов, повышающих качество резки. Вместе с тем, в литературе отсутствуют достаточно полные экспериментальные исследования, вскрывающие связь параметров процесса с его производительностью и полностью отсутству-

•3

юг результат^, демонстрирующие влияние параметров процесса на по~ казатели его качества. Предлояенные теоретические модели лазерного термораскаливания представляются не ..лолне корректными, т.к. в них не 11итывает я близкий к осесимметричному характер поля температур и напрс ений, используется понятие предела термостойкости, определяемого в условиях испытаний, нехарактерных для лазерного термораскаливания. Неправомерным представляется и предложенный Г,А. Ма-чулкой способ вычисления разруиаюцего усилия путем сдммирования нействуюцих в малой области внутренних напрякений, которые, I 1к известно, всегда взаимно уравновеиены, В целом, имеющиеся модели не могут быть использованы для установления связи параметров термораскалывания с его производительностью и качеством.

В связи с излоаенным в задачи раиты входило:

1. Разработка Физической модели процесса лазерного термораскалывания, учитывающей весь комплекс слоиных термомеханических явлений, имеющих место при его осуществлении.

2. Разработка на основе физической модели программного комплекса длр численного анализ; процесса термораскалывания трубчатого стекла.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметров технологии кого процесса на производительность и качество резки термораскалыванием.

4. Разработка методики экспериментального выбора технологических параметров процесса, обеспечивающих требуемую производительность и качество.

5. Разработка технологических рекоиендаг ¡й по о,резке колпачков выдувных стеклоизделий иэ кальций-натрий-силикатного стекла на основе теоретических и экспериментальных исследований.

Глава 2. Механизм лазерного тегмораскаЛывания " трубчатых стектизделий.

Рассматриваются физические процессы, имеющие место при резке методом лазерного гермораскалывания, и особенности физико-механических свойств силикатичх стекол в этих условиях. Выделены четыре проце':а: распространение тепла в твердом теле, развитие гермоцп-ругих напрякений, зарождение трещины и ее прорастание в сквозную но • заданному контуру, Формулируется постановка задачи лазерного термораекалнвания для стеклянной трубы; будет ли получена в трубе гкнознай трецина, перпендикулярная к з -си, при вращении трубы по "»аляинсу закон» от(, ¡сит^льп сфокусированного на ее поверхности 4

лазерного луча с заданными пространственно-временными характеристиками, при заданных вне них силах, условиях на поверхности и способе закрепления

Для построения физико-математической модели процесса в цилиндр ческой системе координат записываются уравнения нестационарной теплопроводности при наличии теплоотдачи и действии тепловых источш ов, уравнения квазиг этической термоупругости и энергетические условия кваэистатического роста магистральной трещины. Обсушдаются два механизма иниции; 'вания роста трещины,Первый связан с достижением растягивающими ьапряиениями предела прочности стекл. на растянение при температурах, меньших температуры стеклования Ту. Рассмотрение второго механизма проводится с ипользовани-ем упрощенных подходов, применяемых при ан. :изе кинетики напряие-н"й при сварке. Показыва(;ся, что при локальном нагреве поверхности стекла вниг! температуры размягчения Ту при е, о быстром перемещении под Лазерным лучом в точках, имевших -темп-натуру напряжения на стадии охламдения будут растягивающими и имеют максимальное значение по сравнении) с другими точками. При этом после охлаждения этих точек до т-мператур, меньших : мпературы стеклования Ту (т.е. при возвращении материала в уп^гое хрупкое состояние), напряжения могут достаточно бистро достигать предела прочности стекла на растяжение , что монет привести к образовании з.родиевых трещин в приповерхностной области. С использованием теории моц..ых быстродвииущихся источников тепла путем численнк расчетов изучены особенности теплового поля при лазерном термораскалывании. Показано, что в стеклянной трубе в этом случае распоеделение температур не зависит от окруяноЯ координаты , за исклачением весьма мал.й области, непоср~дственно находящейся в текучий момеь. времени под сфокусированным лазерным лучом. Делается вывод о вг^мояности рассмотрения задачи в осес'чметричной лос-ановке. Получены формулы для описания поля температур в области фокусировки лазерного луча для двух типов законов распределения плотности мощности в поперечном сечении луча¡эллиптической формы с ра. номерным распределением плотности мощности и элл1 .тической формы с нормальным зьконой распределения плотности мощности. В обо/х случаях считалось, "то поглощение излучения в материале описывается законом Бугера-Лам-берта. С учетом освсиммвтричности задачи записываются соответствующе" уравнения для лротекащих при термораскалывании процессов распространения тепла, развития термоупругих напряяений и роста

й

магистральной трещины, причем последнее записывается в виде:

Сс1Ф и)

где£- трещинодвикущая сила.^^-работа внешних поверхностных и объеиних сил при виртуальном увеличении площади трещины на величину ¿ф- изменение знергн.. упругой деформации, С- удельная энергия образования новой поверхности.

Р качестве расчетного метода решения уравнений выбран метод конечных элементов, допускающий решение всех уравнений.на одной ыатеыатич :кой основе. Решение задачи нестационарной теплопроводности записывается в виде:

где ССЗ и [Ю- матрицл демпфирования и яесткостн для осесии-метрнчной тепловой задачи соответственно, (Т^) и П'2)- вектора температур в узлах в тонущий момент и через времяД!, (Р^) и векгоры тепловой нагрузки ь узлах в соответствующие моменты времени,0- безразмерный парамето, принятый равным 2/3, что позволяет реализоьатъ метод Галеркина.

Решение терыйупругой задачи в форме метода перемещений имеет

вид:

Ш (и 1Р >*=0 (3)

где [К.]* и (Р)*- соответственно матрица жесткости и вектор узловых сил(с учетом тепловой нагрузки), (1))- вектор смещений узлов. Принято, что для решения задачи допустимо использование треу-гьлышх осесиинетричных сшплекс-злементов и записаны соответствующий выражения для матриц и векторов СС], >.С^ }, [К]*, (Н*. Вектор средних напрякений в элементе вычислялся по формуле

= [ 0<е)}*[8(е>]*{)-[0 ]*{ 6«) (4)

где 11)^] - матрица упругих характеристик элемента, [В^]*-патрица про>,зводних функций формы для элемента,вектор на-чальной(в том числе тепловой) деформации элемента. Для вычисления напрпаений в узлах использовалась теория согласованных результантов элементов, согласно которой вектор соответствующей компоненты напряжений в узле получается из реоения системы:

[С^ «5Г ЫЮ* (5)

* , ш

г,,г> [С] - оогединенная матрица демпфирования осесиьшетричных треугольных с.инплвгс-элемвнюв, а вектор, зависящий от сред-

них значений н.лря«вний в глеиенте-, о

Двияенив магистральной трещины моделируется путем поочередного освобождения связей в сечении стенки труби плоскостью в предполояении о с швтрии поля температур относительно ?той плоскости. Условием подрастания кольцевой трещины на величину >1г= |т -к. .¡вляется выполнение неравенства: л * _ _

где тип- число узлов и число элементов, (*- номер узла, в которой освобокдается связь, И^и соответственно реакция в 1-м узле до освобождения связи и его перемещение после освобождения связи. При этом реакция находится и: реиения уравнения (КЗ*{1П + Ш* (Я) =0 <7)

Разработан программный комплекс для численногь анализа процесса термораскаливания. С его помощью изцчал"пь распределение температур, перемещений и напряяений при лазерном термораскалывании, Полученное распределение напряяений в осевом направлении и по толщине стенки пок.-зано на рис. 1,2, Остановлено, что неравномерное распределение температур в осиом направлении ведет к изгибу стенки трубы и развитии растягивающих напряжений в центре нагрева на внешней поверхности трубы, неравномерно, распределение температур по толщине стенки оказывает противоположное воздействие на напряяения , т.е. имеют место две тенденции б развитии напряке-ний во времени, С течением времени тенденция, связанная с изгибом, начинает преобладать, что и инициирует рост оазделяющей трещины. Поскольку полученное распределение напряяений противоречило имеющимся в литераг ре представлениям, проводился численный эксперимент, заключавшийся в изучении распределения напряяггий при действии поверхностного ■ линейного п- толщине стенки теплових источникоз в условиях разрешения и запрета радиальных смещений стенки. Было выявлено, что для обоих типов тепловых источников при запрете радиальных смещений растягивающие напряжения на пиемией поверхности на возникают, что подтверждает роль изгиба стенки в их развитии. При действии линейного по толщине стенки источника и ее свободном радиальном перемещении напряжения на внешней поверхности всегда били растягивающими, а на внутренней- сниматиими(рис. 3). Следовательно, неравномерность в распределении температур по тол-чине стенки, связанная с перегревом поверхностных слоев гневней

7

поверхности, играет отрицательную роль, задерживая начало развития на зтой поверхности растягивавших к<=лрвменяй .Данный факт потверк-да^'ся так»е результатами расчетов при действии поверхностного теплового источника в условиях запрета радиальных смещений стен-ки(рис. 4). Результаты расчет.в подтверадаются такае при изучении характера излома подвергнутых термораскалыван"ю ьЗразцов, Следы разрузния на поверхности стекла совпадают со следами на изломах образцов, полученных при разрушении в условиях чистого изгиба, а на вненн Л поверхности трубы наблюдаются многочисленные точки начала разрушения,

Глава 3. Гасчетное исследование процесса лазерного

Формулируются расчетниз критерии для сопоставления между собой различных режимов лазерного термораекалывания. Производительность резки оценивается по времени, необходимому для зарождения кольцевой трещины и превращения ее в сквознуа. Анализ литературных данных по разрушению стекл? показал, что .за показатель, характеризующий качество реза, может быть принята величина разности мешду изменением механической энергии в изделии при образовании сквозной трещины и затратами энергии на образование новой поверхности, причем минимальному значении згой разности соответствует наилучшее качество реза.

Выведены уравнения, описывающие лазерный кольцевой источник на поверхности трубы. Вывод основывался на принципе равенства з|.лргин, вводимой сфокусированным лазерным лучом в "нстровращагащу-юся трубу и эквивалентным ему осесимметричным тепловым источником через сечение стенки трубы плоскостью г-сопёЬ. Получены математически!. выракения для лазерного луча с нормально-круговым распределением плотности мощности в поперечном сечении(8), г круговым равномерным распредьлениемС9) и кольцевым распределением(10):

г, Р- мощность излучения, г^- расстояние, на котором плотность ноцности убырлет в "е" раз, *с - полный радиус кругового луча. К- внешний радиус грубы.

термораскалывания труб,-л.тых стеклоиздвлий.

Приводятся результаты тестирования разработанного программного комплекса. В качестве тестовых использовались задачи о нагрене стержня с нулевой температурой тепловом потоки!» постоянной мощности без учета теплоотдачи в окруааючуя сроду, о нагреве стеркиа без теплоотда- 1 внутренними тепловыми источник.1Ш1, равномерно распределенными в области 0<г<1, задача о нагрцвепии голстостинний трубы внутренним давлением! задача Ламе) и .задач.] о ндлряикнияк и равномерно нагретом стержне, находящейся в «¡еикой заделке. Во всех случаях различие численного и аналитического решений состнч-ло менее 5Х.

В качестве параметрпв технологического процесса били выдешшь размеры и форма лазерного теплового источника на иоеерхнпсти >лик-лоизделия, закон распределении плотности мощности н источнике, мощность лазерного излучения, скорость вращеь. я стеклоизделия от носительно источника. Расчеты проводились для изделий из иа.пь-ций-натрий-силикатного стекла диаметром 70 мм и толщиной стенки 1,5 мм. В результате ряда численных экспериментов было устаноьле-но, что имеется размер пятна нагрева, обеснечниая/иий кишшальние время резки. Для нормального закона распределения зшт размер пятна больше, чем для равномерного закона распределения, однако минимальное время резки от закона распределения не зависит и сопанли-ет 3,0 с. Влияние размеров и закона распределения ш величину высвоблндаемой при развитии трещины энергии, котирпя характеризует качество реза, анологично их влиянии на время резни, с той разни цей, что размер пятна, обеспечивавший наилучшие качество раза, несколько больше, чем размер пятна, обесгючииащий ми- чмегльное время резки. При исследовании влияния мощности излучения подтверм-дено существование при, термораскалываиии нияней и верхней пороговых мощностей. Низший порог связан с недиетт очным изгибом стенки и невозмовностыо развития растягивающих напрчаений на внешней но верхности. Верхний порог определяет начало рйсп.чаилышя понерх постных слоев стекла, что делает нвяоэмоалыы рост трещины из резкого повышения вязкости ст<":ла. Установлено суцествивлше диа пазопа мочнос.ей, в котором время резни минимально и не умгньиа ется с рострм мощности, а такие практически не записи г о г рэ:шерщ< пятна нагрева. Показано, что моцность, ппеспв-твэюцая наилуч^чч.-качество раза, совпадает V, мощностью, начиная с которой прими рч'/-ки перестает уменьшаться, С увеличением разн-.'р-? пятна величина он тимальной моцносги возрастает. Влияние скорости чрааенич на к^ыя

3

резки заключается в его увеличении,начиная с определенного значения скорости, которое геи мвныиеСа темп возрастания времени резки тем больше), чем меньше ко- шсть излучения и чем больше диаметр пятна. Влияние скорости вращения ^а качество резки анологично влияния ее на время резки.

Расчеты показали, что с .(величением толщины стенки время резки возрастает по квадратичному закону. При лтом величина внсвобок-деиной энергии в расчете на единицу толщины стенки имеет минимум, что свидетель■туует о наличии оптимальной комбинации параметров обработки, Исследования влияния свойств стгчла проводились на кальций-натрий-силикатном стекле. термостойком боросиликатном С52-1 и свинцовосодеряацем С93-1. Из полученных результатов следует, что при близких коэффициентах линейного расширения у теплоемкости время резки стекол с большим коэффициентом теплопроводности будет меньше. При близких теплофизичесних коэффициентах время рез--?и бует большим для стекол, имеющих меньший коэффициент термического расширения из-за недостатка накопленной 'нергии и недостаточности величины напряжений для росте, разделяющей трещины. Больная теплоемкость материала и низкая теплопроводность вызывают за-дернку в развитии растягивающих напряжений на внешней поверхности и, тем самым, увеличивают время резки.

Глава 4, Экспериментальное исследование процесса лазерного термораскалывания выдувных стеклоизделий.

Выбрани экспериментальные критерии для сопоставления между собой реаимов лазерного термораскалывания по производительности и качеству Производительность оценивалась по измеряемому в ходе экспериментов времени разделения, а для сценки качества реза измерялась величина непараллельности плоскости реза к плоскости дна стеклоизделияСиди плоскости, перпендикулярной огч стеклоизде-лия),которая нормируется ГОСТ 21 21 и,'на наш взгляд, наиболее "о-реллирузт с величиной высвобождаемой знерп.л при образовании сквозной трещины, т.е. с расчетным критерием оценки качества. Эксперименты проводились на заготовках выдувных стаканов Гусевско-го хрустального завода из кальций-натрий-силикигного стекла диаметром 70 ми и толзшюй стенки (,5 мм, а такие на трубках из электровакуумного стекла С93-1 диаметром 25 мм и толщиной стенки 2 мм. В качеств? источники излучения использовался серийный С0г- да-.-»ер

Гез!!чьтг»ти окспегвгсчю* ло изучению влияния диаметра пяти?

10

нагрева на вромя резки заготовок выдувных сгаклюи качвствишш совпадают с расчетными. Полученная для трубок из Г,93-1 зависимость подтвердила существование оптимального диаметра пяпга, обеспечив,I-юцего минимальное время резки, которое составило 6,7 с. Изученнк влияния мощност"' на заготовках выдувных стаканов подтвердило наличие нижней пороговой мощности, которая для пятна диаметром 1,12 мм составила 25 Вт,а для диаметра 2,0 мм- 00 Ьт. Сьнийннио вреиин»» резки для указанных диаметров при Р>80 йг также гшдшоридает су чествование мощности, при превышении которой время резни лвресьнп уменьшаться для всех диаметров пятна, Результата для т)»уй из СУЗ-1 показали наличие верхнего порога мощности величиной '/0 вт, при превышении которого наблвдалось оплавление поверхности и разделение не происходило. Эксперименты по влияния скорости вращения ид время резки на заготовках выдувных стаклнов по- 'з.иш наличие пптн мальных скоростей врацения, обеспечивающих одинаковое по величине минимальное время резки для пятен различной Формы и размеров. Л<ш пае по резке трубок из С93-1 подтверкдамт наличие оптимальной скорости, осзспемивающей минимальное время резки.

Оценка нерараллельносги плоскости роза к плискости дна стек-лоизделия("косина края") проводилась на специальной стенде, Регистрация высоты расположения плоскости риза осуцйыклялась с но-мощьй индукционного датчика при вращении отрезанного стиклииздн-лия. Все измерения проводились на тех не образцах, на которых изучалось влияние параметров реиима обработки на время розки, Исследование влияния диаметра пятна на "косину края" на заготовках выдувных стаканов и трубках из С93-1 подтвердило ф-чнг сучсгтвования оптимального размера пятна, обеспечивающего минимальный размер этого показателя. Эксперименты по оценка влияния мощности на заготовках стаканов показали, ло мощность, обеашчиваи^я наименьшую "косину края", ,лвна модности, обеспвчмватций минимипыюе нр„1ш резки, Результаты для трубок из СЗЗ-1 носят иной характер и ни до монстрируюг наличие оптимального уровня мощности. Изучении иллинии скорости вращения на "косину нпая" как на заготовках вндум'их ел а--каноэ, так И на трубках из С93-1 продеиоистриг'иьало сицзспювп.ше оптимальной .скорости, ойеспечивз^адей наииснгиуп "косину край" \>!:-за.

Изучена влияний возичкашади Фактор«« нл в|:>шя « то ¡.I -зерного териорасвалыванна. Яоказож» для •»яттлрок ьнамрнвх стук ;-нов, что при их разнотелвичшетн, не нр'мгцщ.ж/й 30*/ 1,п ниыш-*.^-

11

ной толщины стенки, соблюдаются требования ГОСТ 26821 по непарал-лечьностн плоскости реза к плоскости дна стеклоизделия (не более 1 им). Такие показано, что с увеличением средней толщины стенки время резни возрастает по закону, близкому к квадратичному, причем время растет быстрее для хуке отожженных оНазцов, Глава 5. Применение лазского термораскаливания

трубчатых стеклоизделий. На основе проведенной работы разработана методика экспериментального определения технологических параметров лазерного термо-раскалнвания для стеклоизделий званного днаме'ра и толщины стенки, при заданных ограничениях на время резки и непараллельность реза к плоскости дна. Разработанная методика является двухзтапной. На первом этапе отыскиваются параметры процесса, обеспечивающие минимальное время резки. На втором этапе путем последовательного варьирования параметрами процесса достигается юньвение непараллельности края реза к плоскости дна стеклоизделия при одновременном контроле за увеличением времени резки.

Внедрение результатов работы осуществлялась на Калининском стекольнш заводе на ^вух технологических линиях механизированного изготовления сортовой стеклопосуды. Экспериментальный подбор параметров лазерного термораскалывания осуществлялся по разработанной методике. Резке подвергались изделия из кальций-натрий-силикатного бесцветного стекла:"банка"(диаметр 95 мм, толщина стенки 1мм) и "истикан'Ч диаметр 50 мм, толщина стенки 1мм). Для р>зки обоих из-д.;лий были выбраны пятна эллиптической формы. Для изделия "исти-кан" разнеры полуосей составили 2 мм в направлении оси 1 и 3 мм в окружном направлении, для изделия "банка"- 2,В мы в направлении оси I и 3,2 мм в окружном направлении. В результате внедрения лазерного термораскалывания удалось вдвое снизить расупд абразивных материалов для «лифовки торца ст шоиздёлия при сохранении прекг^й производительности линий.

Общие выводы по работе. Основные выводы и результаты настоящей работы следующие: 1, Анализ ли*ературы показал, что среди суще.гвующих способов резки трубчатых стеклоизделий нэилучшиы по качеству реза, производительности, энергозатратам и экологическим характеристикам можно считать лазерное термораскалнзание. Однако недостаточно изучено олияние 1^рэивтров рввима терыораскалывания на производительность у- качество, что из позволяет обеспечить их требуемый уровень в 12

производственных условиях.

2. Остановлено, что при лазерном териораекалнванми трубчатых стеклоизделий разделяющая окружная трецина развивается ит естественных или искусственных дефектов на внешней поверхности в центра окружной полосы нагрева под действием осевых растягивающих напра-жгчий, возникающих вследствие местного изгиба стешш стеклоиздн лия,

3. Показано, что в развитии осевых напряжений в плоскости разделения имеют место две противоположные тенденции. Первая заключается в развитии на внешней поверхности в центре окружной но лоси нагрева напряжений сжатия, а на в^третшй иовирхиости напри-гений растяжения вследс зие неравномерного распределения температуры по толщине стенки, вызванного перегревом поверхностных слшш, Дейс" зие первой тенденции препятствцет териораскалнзаиии. Вторая тенденция зак.«вчавтся в развитии на вненней поьйрхногли в центре окружной полосы нагрева напряжений растяжения, а на внутренней поверхности напряжений сжатия из-за неравномерного распределения температуры в осевом направлении, которое приводит к иеранномкрпым радиальным смещениям стенки, т.е. к ее местному изгибу. Действий второй тенденции определяет возмоиность термораскаливаниа. Для осуществления термораскалцвания необходимо обеспечить преобладаний второй тенденции над первой.

4. Рост разделяющей трещины инициируется либо достижений« растяг вавщими напряжениями предела прочности стнклд на растяжение, либо образованием зародышевой трещины в. приповерхностной области вследствии нагрева этой области выше температуры размягчения стекла и последующем ее охлаждением ниже температуры ст.ллования при быстром вращении, стеклоизделия под сфокусированным лазерным лучом, что может испольэовг,ться для уменьшения времени резки.

5. Существует оптимальный диаметр пятна нагрева, обеспечиваний минимальное время резки,при фиксированных мощности излучение и скорости вращения. При диаметрах, меньших оптимального, время ре:с-ки возрастает из-за перегрева поверхностных слоен и усиления пер вой тенденции в развитии лапрыепмй, При дидмчтрах, больших оптимального, ^ремя резки возрастает из-за задержки в образовании за родышевой трещины на внешней поверхности,

6. Максимальная производительность резки дли двух ышсв закона распределения плотности мощности в яазярш-м пчче: пари.-,черном -л нормальном- является одинаковый, что позволят использинагь дгл

П

тярмораскаяывания отпаянные счогомодовые С0г-лаэерн.

7. Подтверждено существование верхней н нижней пороговых мощностей, выше и ниже которы.. соответственно термораскалывание невозможно. Верхний порог связан с [агревом поверхности на линии разделения до температуры, большей темперь.ург стеклования и резким повыпением вязкости стекла, делающим рост трещины невозможным. Нижний порог связан с нехваткой вводимой в изделие энергии для создания требуемой нера чомерности температур в осевом направлении.

В. Для кальций-натрий-силика'ь.ого стекла, начиная с некоторой мощности, ее дальнейшее увеличение не приводит к снижению времени резки. При этом время резки для различных диаметров пятна становится практически одинаковым,

9. Существуют оптимальные скорости вращения стеклоизделий, обеспечивающие наименьшее время резки и наименьшув непараллель-

^ть г оскости реза и плоскости дна стеклоизделиЖ или плоскости, нормальной к оси стеклоизделия), Скорость вращень.!, обеспечивающая наилучшее качество реза больше, чем обеспечивающая минимальное время резки.

10. Для изделий из кальций-; ¡грий-силикатногс стекла показано, что зависимость времени резки от толщины стенки близка к квадратичной.

11. На заготовках выдувных стаканов показано, ■"то п^л лазерном термораскалывании при разнотолщинности стеклоизделий в пределах 302 от номинального диаметра непараллельность плоскости реза и плоскости дна стеклоизделия будет находиться в пределах требований ГОСТ 26821, что составляет менее 1 мм,

12. Для стеклоизделий "банка" и "истикан" Калининскогг стекольного заводг при их термораскалыванри с применением С0г-лазера ИЯГН-709 и установки М0С-1, размеры пятна нагрева, обеспечивающие минимальное время резки составляют соответственно 2,0x3,0 мм и 2,5x2,8 мм, а обеспечивавшие минимальную непараллельность к плоскости дна стеклоизделия- 2,5x3,0 мм и 2,8x3,2 мм соответственно.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1, Григорьяиц А.Г., Новик б.Е., Орлов И.Д., Соколов fi.fi. Напряженное состояние при термораскалывании быстровращающихся стеклянных чр"б // Прогрессивные метода и средства производства оптике-электронных приборов: Иежвуз.сб.науч.тр,- Москва, 1889.- с.3-7,

-2, Ш'лов И.Влияние параметров ревима на производительность 14

резки труб из стекла С93-1 // Актуальные проблемы информатики, управления, радиоэлектроники и лазерной техники : Сб. тезисов докл. Всесоязной конф. НТТМ , ч,2 Москва, 1SB9 ,- с.2Н)-217.

3. Орлов И,А., Чадин B.C., Сирота A.C., Орлов ft.С. Установка для лазерной обрезки трубчатых стеклоизделий // Респ. науч.-техн. к'чф. "Материала и упрочняющие технологии -91" : Нз, докл. Курск, 1991,- с.8?.

I'j

Рис Л. Распределение осевых нс*прянений0£вдоль образующей труба из стекла С52-1: нэ. внешней (I) и внутренней (2) погзрхности грубы соответственно

%пп -50 -25

б^МПо.

Рис.2 Распределение напря'-кс-ний<5д в сечении стенки трубы из стекла 052-1 плоскостью

2=о

Рис.3. Распределение осевых РиоЛ.Распрделение напрякений

напряжений в сечении стенки в сечении стенки трубы

трубы плоскость» £ в0 при плоскостью 31 =0 для

действии равномерно распреде- Л;" "'.'■'• . поверхностного иоточника ленного по толщине отеики - "'.'/"''' при запрете радиальных источника смещений