автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка элементов теории, технологии и оборудования термической резки хрупких неметаллических материалов на примере тонкостенных цилиндрических изделий из стекла

На правах рукописи

ОРЛОВ АЛЕКСАНДР СЕМЁНОВИЧ

Разработка элементов теории, технологии и оборудования термической резки хрупких неметаллических материалов на примере тонкостенных цилиндрических изделий из стекла

Специальность 05,03.06 - Технологии и машины сварочного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ростов-на-Дону - 2005

Работа выполнена на кафедре «Металлических конструкций и сварки в строительстве» Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор,

Лукьянов Виталий Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор,

Сагиров Христофор Никитович

доктор технических наук, профессор,

Лысак Владимир Ильич

доктор технических наук, профессор,

Сигэев Анатолий Алексеевич

Ведущая организация: ФГУП «ВНИИАВТОГЕНМАШ»

Защита состоится 12 апреля 2005 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.01 при Донском государственном техническом университете, ауд. 252

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донского государственного технического университета по адресу :

344010, г. Ростов-на-Дону, площадь Гагарина, 1, ДГТУ, Ученый совет факс: 863 291 07 91, e-mail: eshift@dstu.eclu.ru

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, с подписью составителя, заверенной печатью организации просим направить в адрес диссертационного совета

Автореферат разослан/^марта 2005 i

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, __

доцент """ " А.И. Шипулин

ms±L ï/sos

kSbtO

0Б1ЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Хрупкие неметаллические материалы, типичными представителями которых являются стекло и керамика - одни из наиболее древних, но и в настоящее время распространенных материалов. Спектр их применения охватывает практически все сферы человеческой деятельности. Значительный объем в производстве этих материалов 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 является метод обрезки с использованием механического воздействия (откол), который осуществляется путем создания надреза по контуру реза абразивным или твердосплавным инструментом с последующим отламыванием. Существенными недостатками этого метода являются значительные колебания высоты неровностей в плоскости реза и уход линии реза от заданной 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 напряжений, возникающих при неравномерном нагреве изделия. Предварительные исследованиия, 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 С02-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

I РОС н WlbHAg I БИБЛИОТЕКА I С. Петербург

I aaaÇPK _

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 контроль», код проекта 01.0115.98П, (1998-1999 г.г.) и научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 201. «Производственные технологии», раздел 201.07. «Технология современного заготовительного производства. Сварка и диагностические комплексы». Код проекта 07.01.079 (2001-2002 г.г.) и раздел 201.02. Лазерные технологии. Код проекта 02.01.062 (2001-2002 г.г.)

Цель работы - Разработать научно-обоснованные технологические решения и оборудование для термической резки тонкостенных цилиндрических изделий из хрупких неметаллических материалов для обеспечения заданной производительности и качества резки.

Задачи исследования:

- Выявление и формулирование условий зарождения и развития разделяющей трещины на основе положений теории технологической прочности при сварке;

- Компьютерное моделирование процессов распространения тепла, развития деформаций и напряжений в зоне реза в условиях подвижного источника тепла и с учетом перехода материала выше температуры стеклования в вязкоупругое и 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 С02- лазера в качестве источника нагрева;

- Разработка и внедрение новых технологических процессов и оборудования для термической резки изделий в промышленности.

На защиту выносится:

- рабочая гипотеза, описывающая механизм термической резки раскалыванием, и состоящая в том, что для повышения качества поверхности реза необходимо за счет управления параметрами нагрева сформировать поверхностный осесимметричный инициатор разрушения и

, обеспечить прорастание трещины на всю толщину стенки изделия путем

целенаправленного формирования полей термоупругих напряжений.

- трехмерная физико-математическая модель процесса термической резки раскалыванием тонкостенных цилиндрических изделий из

I хрупких неметаллических материалов, учитывающая процесс распро-

странения 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 осесим-метричной трещины вдоль плоскости реза и условия обеспечения качества поверхности реза;

- результаты теоретического и экспериментального исследования влияния параметров технологического процесса (мощности лазерного источника нагрева, размеров, формы пятна нагрева и закона распределения мощности в пятне нагрева и скорости вращения изделия) на производительность и качество резки;

- методика и алгоритм обоснования оптимальных параметров режима лазерной термической резки изделий из стекла, удовлетворяющих

у требованиям производительности и качества резки в соответствии с за-

данным ритмом поточной линии и техническими условиями на изделие;

- новые способы и конструкции технических устройств, обеспечивающие существенное повышение производительности и качества резки.

Автор принимал непосредственное участие в научных разработках от постановки задачи до выполнения конкретных исследований, анализа и внедрения полученных 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 для изучения динамики развития собственных напряжений и деформаций при неравномерном нагреве в процессе резки;

- метод конечных элементов для численного моделирования кинетики 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 ИЛГН-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 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 обоснованна и экспериментально подтверждена необходимость формирования двухстадийного процесса резки цилиндрических изделий, состоящего в том, что на первой стадии формируются термические условия для зарождения осесиммеггричного инициатора разрушения (в виде кольцевого концентратора напряжений), и на второй стадии - условия для формирования полей временных напряжений, обеспечивающих развитие трещины в плоскости реза;

Выявленные путем трехмерного численного моделирования закономерности развития температурных полей, перемещений, напряжений, образования зародышевой и роста разделяющей трещины по толщине стенки разрезаемого изделия позволили установить:

• механизм и условия образования поверхностной осесимметрич-ной 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 вследствие перехода 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 источника нагрева в кольцевой осесимметричный концентратор напряжений;

• что механизм и условия прорастания осесимметричной зародышевой трещины насквозь обусловлены развитием деформаций изгиба (выпучивания) стенки в результате термического расширения зоны нагрева в окружном направлении. Величина изгиба стенки регулируется степенью неравномерности теплового поля вдоль образующей цилиндра и зависит от цилиндрической жесткости стеклоизделия в месте реза;

• связь качества поверхности реза с величиной разности между энергией, высвобождающейся при образовании разделяющей трещины, и энергией образования новых поверхностей. Уменьшение разности энергий приводит к улучшению качества резки;

• условия оптимизации качества реза, 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, за исключением локальной зоны вблизи действия источника нагрева, не должна превышать температуру стеклования для предотвращения перехода материала в вязкое состояние, что существенно увеличивает энергию деформации, необходимую для прорастания трещины, и приводит 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 резки от мощности лазерного теплового источника, размеров и формы пятна нагрева на поверхности стеклоизделия, скорости его вращения.

- Разработана методика выбора параметров режимов термической резки стеклоизделий с использованием лазерного нагрева.

Результаты работы внедрены на Тверском, Дятьковском, Гусь-Хрустальном стекольных заводах при производстве сортовой стеклопосуды и Хабаровском химфармзаводе при изготовлении жидких лекарственных форм в стеклянных ампулах. Экономический эффект от использования одного лазерного модуля в поточной линии составил 32 тыс. руб. 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 поставленных задач, применением сертифицированного, многократно апробированного универсального пакета MSC/NASTRAN for Windows для конечно-элементного линейного и нелинейного термопрочностного анализа конструкций.

- Соответствием научных положений, выводов и 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 стеклоизделий.

- 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. Свар-ка-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 )Öa 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 258 страниц текста, в том числе 10 таблиц, 65 рисунков. Список литературы включает 125 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматриваются используемые в электронной, электротехнической и химико-фармацевтической отраслях промышленности различные способы резки хрупких неметаллических материалов. Эти способы условно можно разделить на две большие группы: механическая резка и термическая резка. Возможна также комбинация обоих видов воздействий, когда механическое воздействие используется для создания надреза, ориентирующего траекторию разлома при последующем термическом воздействии. Проанализированы возможности и ограничения на применение этих способов.

Показано, что более перспективным является применение термических способов резки с использованием лазерного излучения. Это бесконтактный, экологически чистый, высококонцентрированный источник нагрева, обеспечивающий лучшее качество реза при той же или большей производительности, по сравнению с резкой проволокой и газовым пламенем.

Термическая резка с использованием лазерных пучков в качестве источника нагрева реализуется, в основном, в двух вариантах: в режиме

испарения и режиме раскалывания. Анализ литературных данных и наши экспериментальные исследования показали, что применение варианта в режиме раскалывания более перспективно, т.к. позволяет обеспечить лучшее качество и большую производительность по сравнению с другими. Вместе с тем, при использовании лазерных источников нагрева для обработки цилиндрических изделий из стекол имеются ограничения. Так, например, применение твердотельных IAG:ND - лазеров затруднено ввиду «прозрачности» стекол для излучения с длиной волны 1,06 мкм, что вызывает многократное отражение излучения от внутренних стенок изделия и делает неопределенной картину тепловых полей. Поэтому для выявления основных закономерностей термической резки раскалыванием в данной работе принят вариант с нагревом С02 - лазером.

Исследованию процесса лазерной термической резки раскалыванием посвящены работы Г.А. Мачулки с сотрудниками, B.C. Кондратенко, В.И. Бороды, В.Ф. Жиркова, А.Г. Григорьянца, И.Н. Шигэнова, A.A. Соколова, В.Ф.Солинова, O.A. Краевского, Б.А. Парфенова, В.М. Гурьянова, А.Н. Лапина, Е.К.Белоусова, В.Е. Махевича, A.C. Сироты, В.С.Чадина, И.Е. Малова. Полученные ими результаты доказали перспективность лазерной резки и позволили рекомендовать ряд приемов, повышающих качество резки. Вместе с тем, в литературе отсутствуют достаточно полные теоретические и экспериментальные исследования механизма образования и развития трещины при резке полых цилиндрических изделий в условиях неравномерного локального нагрева заготовок подвижным источником. Вследствие этого, выбор параметров режима резки осуществлялся либо по эмпирическим зависимостям, справедливым для ограниченного набора изделий, либо экспериментально путем последовательного варьирования одного из параметров режима. Предложенные теоретические модели лазерной термической резки раскалыванием представляются не вполне корректными, т.к. в них используется понятие предела термостойкости, определяемого в условиях испытаний, не характерных для лазерной резки раскалыванием. В целом, имеющиеся модели не могут быть использованы для установления связи параметров процесса резки с его производительностью и качеством. Они не учитывают существа термомеханических процессов, связанных с образованием и развитием сквозной трещины, в том числе трехмерный характер полей температур и напряжений, а также изменения свойств при переходе материала из упругого хрупкого состояния в вязкоупругое при нагреве выше температуры стеклования.

На основе анализа состояния проблемы была сформулирована рабочая гипотеза, описывающая механизм термической резки цилиндриче-

ских деталей из хрупких неметаллических материалов, и задачи исследования.

Во второй главе выполнено теоретическое обоснование механизма термической резки полых цилиндрических изделий раскалыванием. Рассмотрены закономерности формирования полей температур, деформаций, напряжений, кольцевого инициатора разрушения и роста осе-симметричной трещины в плоскости реза при нагреве изделия подвижным источником. Сформулированы основные принципы управления производительностью и качеством процесса резки.

В соответствии с рабочей гипотезой, для получения целенаправленного развития разрушения необходимо создать инициатор разрушения (для полых цилиндрических тел он должен быть осесимметричным концентратором). Наиболее простым способом его получения является скрайбирование, но это требует большой мощности, затрачиваемой на испарение. Для некоторых материалов (типа стекол), имеющих переход в вязкоупругое состояние, можно попытаться создать инициатор по механизму образования трещин при сварке металлов, используя теорию образования напряжений и деформаций при сварке и теорию технологической прочности.

Рассмотрены особенности строения и физико-механические свойства типичных представителей хрупких неметаллических материалов -стекла и алюмооксидной керамики. Обоснована возможность анализа термомеханических процессов при резке этого класса материалов на примере стекла. Анализ зависимости вязкости стекла от температуры позволил выделить ряд характерных температур (рис.1). При температурах ниже Тс (температура стеклования) стекло находится в твердом хрупком состоянии. При нагреве выше этой температуры, вплоть до температуры размягчения Тр стекло можно рассматривать как упруго-

пластическое тело, в котором развитие деформаций в процессе резки протекает в соответствии со схематизированной диаграммой Прандтля. При температуре выше Тр можно принять, что предел текучести стекла

равен нулю.

В зависимости от температуры при локальном воздействии тепла различные участки изделия могут находиться как в твердом хрупком, так и в вязком состоянии. Кинетика развития термодеформационных процессов в данном случае может бьггь проанализирована только в трехмерной постановке.

Все это позволяет рассматривать механизм и условия образования поверхностной осесимметричной зародышевой трещины на основе теории появления собственных напряжений и деформаций при сварке ме-

таллических материалов. По аналогии с появлением трещин при сварке, процесс образования зародышевых трещин при резке заключается в возникновении на стадии нагрева в поверхностной зоне сжимающих напряжений, которые снижаются по мере увеличения температуры вследствие перехода материала сначала в вязкоупругое, а затем в вязкотеку-чее состояние, и создаются 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 источника нагрева в кольцевой осесим-метричный концентратор напряжений;

Рис 1. Схематическая диаграмма вязкости стекла: I - область хрупкого состояния, И- область вязкого состояния, III - область жидкого состояния, IV - область формования, тг -температура стеклования, т- температура с р

размягчения, т^р - температура обработки, Tpaj/] - температура разливки.

Для построения физико-математической модели процесса использованы уравнения нестационарной нелинейной теплопроводности при наличии теплоотдачи и действии тепловых источников, уравнения квази-сгатической термоупругости и термопластичносги, уравнения, определяющие условия зарождения трещины и ее рост.

Уравнения, описывающие протекающие при термической резке раскалыванием процессы распространения тепла, развития термоупругих и термопластических напряжений и деформаций, условия зарождения и роста трещины имеют вид:

А) Уравнение нестационарной нелинейной теплопроводности:

где ср(Т) - объемная теплоемкость, в общем случае зависящая от температуры,

сГГ I ск- скорость изменения температуры

Х(Т) - коэффициент теплопроводности, для изотропного тела в общем случае зависящий от температуры, дТ

--проекция вектора градиента температуры на соответсг-

5х(у,г)

вующие оси координат.

<2(х,у,г,1:) - удельная мощность объемных тепловых источников, в случае резки зависящих от координат и времени.

Б) Уравнения теории упругости, описывающие связь между напряжениями, деформациями и перемещениями (в предположении, что скорость изменения температур такова, что термический удар отсутствует, и справедливы уравнения равновесия бесконечно малого объема):

ср(Т)ЭТ( т)|г1 +

ду)

(1)

(2.2)

Эу 5х ' 'У2 да. ау ' ,2Х ах аг где ех, Еу , е2- компоненты деформации удлинения,

Уху ; ; Угх - компоненты деформации сдвига

а - коэффициент линейного расширения, в общем случае зависящий от температуры,

(Т-То) - разность текущей и начальной температур, Стх, Сту, а2 - нормальные напряжения в направлении х, у и г соответственно

Тху , Туг, т^х - касательные напряжения

ц - коэффициент Пуассона Е - модуль Юнга й - модуль сдвига

В) Уравнения теории течения для упругопласгического деформирования при переменных температурах:

I

е№ =стк/ЗСт +{сЦпп , (3)

О

где £,( - интенсивность деформаций в момент времени 1, о,с - интенсивность напряжений в момент времени ^

- модуль сдвига при температуре в рассматриваемый момент времени X.,

I

/^етп г интеграл интенсивности приращений пластических де-0

формаций при интегрировании от 0 до ^

Г) уравнения, определяющие условия зарождения трещины и формирования кольцевого инициатора разрушения.

Условием создания искусственных микродефектов путем теплового воздействия является достижение в локальной области напряжений, превышающих предел прочности материала на растяжение вследствие поперечной усадки зоны нагрева в диапазоне от т до т :

о t Ствр ,

(4)

где аВр - предел прочности материала на растяжение.

Вторым условием создания искусственных микродефектов являет- ' ся нахождение зоны образования трещины при температурах, меньших температуры стеклования, т.е. в упругом хрупком состоянии.

Для обеспечения качества реза образовавшаяся поверхностная зародышевая трещина не должна развиваться в направлении толщины до тех пор, пока не будет образован поверхностный кольцевой инициатор. В противном случае возможно ветвление трещины и уход траектории ее развития из заданной плоскости реза. Поэтому растягивающие напряжения, возникающие вслед за движущимся источником нагрева, должны соответствовать критерию: •

осв л[ка < V2СЕ; где стса - наибольшая величина средних напряжений растяжения за источником нагрева; а - глубина зародышевой трещины; С - удельная поверхностная энергия.

Д) Условия, определяющие возможность движения магистральной осесимметричной трещины, могут быть записаны с использованием условия баланса высвобождаемой и затрачиваемой на образование новой поверхности энергии, которое удобно реализуется в численных моделях методом конечных элементов.

При нагреве тела тепловым источником, в отсутствии механического воздействия и движения тела или его частей, условие роста трещины принимает следующий вид:

£ = -d<t> > Cda, (5)

где f; - трещинодвижущая сила,

d<t»— изменение энергии упругой деформации при виртуальном увеличении площади трещины на величину da,

С- удельная энергия образования новой поверхности. В качестве расчетного метода решения приведенных выше уравнений выбран метод конечных элементов, допускающий решение всех уравнений в трехмерной постановке на одной математической основе. Необходимость решения всех задач в трехмерной постановке обусловлена следующими причинами:

• Трехмерная постановка является наиболее общей и позволяет наиболее полно оценить сущность и сложный характер взаимодействующих физических процессов, имеющих место в зоне действия подвижного источника тепла.

• При формировании инициатора разрушения существенным является учет неодновременного нагрева зоны реза по окружности и трехмерного характера полей температур, напряжений и деформаций. Упрощенное рассмотрение процессов не дает представления о закономерностях формирования кольцевого инициатора разрушения как последовательного слияния отдельных трещин.

• Анализ результатов решения трехмерных задач позволяет исключить малозначимые факторы из физико-математической модели процесса для проведения последующего численного анализа, направленного на установление взаимосвязи параметров режима обработки с производительностью и качеством резки.

Решение задачи нестационарной теплопроводности в конечноэле-ментной модели имеет вид:

[в], am/at + a/axj • ЦкМт}/ах j)+[r|t + Tabs }4 = {q} , (6)

где [В]- матрица коэффициентов теплоемкости, в общем случае зависящих от температуры,

[К] - матрица коэффициентов теплопроводности, в общем случае зависящих от температуры,

<3{T}/dt - вектор скорости изменения температуры,

<?{т}/3х j - вектор градиентов температур,

х, и Xj- координаты,

[R] - матрица коэффициентов радиационного теплообмена, Tabs ~~ значение, используемое для перевода температуры в градусы Кельвина,

{q} - вектор объемных и поверхностных тепловых источников, в общем случае зависящих от температуры и времени (в случае поверхностных источников, описывающих на различных частях поверхности тела граничные условия первого, второго и третьего рода).

Решение термоупругой задачи в форме метода перемещений имеет

вид:

[Kf{U}+{F}*=0, (7)

где [К]* и {F} - соответственно матрица жесткости и вектор узловых сил, учитывающий в т.ч. и тепловые нагрузки, возникающие при нагреве,

{и} - вектор смещений узлов.

Исходные уравнения для решения задачи термопласгичности в ко-нечноэлементной постановке имеют вид:

1/2{ип+1}Т* К*+1 х{ип+1}-{ип+1}ТхР"+1=1/2{ип}Тх

е1

(8)

к:

х {ип } - {ип }Т X Ре" + 1/2 А{ип+1 }Т X ^ + Рп+1}

где п и (п+1) - индексы текущего и следующего шага нагружения, {ип }Т и {и} - соответственно транспонированный и обычный вектор перемещений для соответствующего шага нагружения,

[к] - матрицы жесткости на соответствующих шагах нагружения, Ре£ - вектор объемных сил от действия температурной нагрузки, д{и| — вектор приращения перемещений, вычисляемый с использованием соответствующих уравнений теории течения.

Для решения задачи использовались восьмиузловые объемные элементы с линейными функциями формы, что связано с особенностями реализации задач нелинейного пластического деформирования при переменных температурах в использованном конечно-элементном пакете, необходимостью экономии объема физической дисковой и оперативной памяти, а также повышения скорости решения трехмерных задач.

Для элементов с линейными функциями формы напряжения и деформации, получаемые в результате расчетов, не являются непрерывными при переходе от элемента к элементу. В связи с этим значения напряжений и деформаций в узлах вычисляются на основе осреднения значений, вычисленных для данного узла отдельно в каждом элементе. Соответствующая формула имеет вид:

Ф = , (9)

¡=1

где п - число элементов, в которые входит данный узел, Ф, - значение компоненты напряжений или деформаций в узле, вычисленное в данном элементе.

Движение магистральной трещины моделируется путем поочередного освобождения связей в сечении стенки трубы плоскостью 7=0 в предположении о симметрии поля температур относительно этой плоскости. Условием подрастания кольцевой трещины на величину с1г = г^ - Г2 вдоль грани элемента является выполнение неравенства:

П 6 ( }

2 .1 J ((е2j - e0j)o2j)iv - / (Uj - eoj^ij^V > тг^-г^ (Ю)

1=1 J=1lvi Vi )

где n - число элементов,

i - номер элемента, вдоль грани которого происходит виртуальное продвижение трещины,

SQj - компонента начальной деформации, в т.ч. вызванная тепловым расширением тела.

Для численного анализа процесса термической резки раскалыванием в трехмерной постановке использовался универсальный пакет для конечно-элементного анализа конструкций MSC/ NASTRAN for Windows.

Моделирование осуществлялось в трехмерной и двухмерной (оссе-симметричной) постановках для изделий из стекла и алюмооксидной керамики следующих типоразмеров:

- стебля медицинских ампул из стекла марки МС-1 (диаметр в месте реза 5 мм, толщина стенки 0, 5 мм);

- сортовой стеклопосуды из кальций-натрий-силикатного стекла (диаметр в месте реза от 40 до 70 мм, толщина стенки 1,5 мм);

- дрота из стекла марки С52-1 (диаметр 40 мм, толщина стенки

- 1 мм);

- трубки из керамики марки 22ХС (диаметр в месте реза 5 мм, толщина стенки 0, 5 мм).

Мощность лазерного теплового источника, воздействие которого моделировалось в разных видах расчетов, варьировалось от 30 до 85 Вт, скорость вращения - от 3 до 10 об/с.

В ходе моделирования на основе численных решений уравнений (6)-(10) средствами конечно-элементного пакета MSC/ NASTRAN for Windows изучались кинетика процессов распространения тепла в изделиях, развития термоупругих и термопластических напряжений, перемещений и деформаций; анализировались возможности зарождения и роста трещины.

Установлено, что изотермы теплового поля - вытянутые в окружном направлении эллипсы; их характер аналогичен тепловым полям, возникающим при сварке труб движущимся по замкнутой поверхности тепловым источником. Для изделий типа стебля ампул степень неравномерности теплового поля в окружном направлении достаточно велика -область, имеющая значительную неравномерность температурного поля в данном направлении, составляет около 30-45 % от всей длины окружности. Однако, для изделий из сортовой стеклопосуды существенная

неравномерность поля температур в окружном направлении гораздо ниже около 10-15% от всей длины окружности.

Термические циклы для точек, лежащих в сечении стенки плоскостью 7=0, для которых характерна наибольшая степень неравномерности поля температур, приведены на рис. 2. Анализ этих термических циклов, в полном соответствии с принятой гипотезой, показывает, что резкие колебания температур (быстрый нагрев до температур, больших температуры размягчения, и последующее быстрое охлаждение) имеет место только в локальных приповерхностных областях. Это три верхние точки конечно - элементной сетки, лежащие, считая от внешней поверхности, на глубине 76,72 мкм (из 500 мкм общей толщины стенки).

Таким образом, в соответствии с описанной выше зависимостью свойств стекла от температуры, возможная область пластических деформаций будет ограничена максимум двумя приповерхностными элементами, в которых будут иметь место пластические де<}юрмации сокращения, что способствует образованию поперечной усадки.

Т"С Ю55

Время,с

Рис. 2. Термические циклы для стебля ампулы при скорости вращения 5об/с и мощности 30 Вт. Я - координата по толщине стенки, мм

Результаты исследований по разрушению стекла показывают, что стеклоизделия, как правило, разрушаются под действием нормальных растягивающих напряжений, и разрушение начинается с поверхности. Для случая формирования кольцевой трещины было установлено, что наибольший интерес представляет кинетика развития осевой компоненты поля напряжений ог в плоскости разделения, а остальные компоненты напряженного состояния не оказывают существенного влияния на формирование кольцевой трещины.

Расчет проводился для диаметра пятна нагрева 1,4мм, мощности теплового источника 30 Вт и скорости вращения 5 об/с. Эпюры распределения напряжений аг по толщине в плоскости 1=0 (в плоскости реза) к концу первого оборота для различных сечений представлены на рис. 3. Эти же данные характеризуют кинетику изменения напряжений а2 в

отдельных точках окружности. Полученные результаты позволяют обратить внимание на следующие особенности кинетики формирования напряженно-деформированного состояния в зоне нагрева:

Вслед за зоной сжатия, находящейся под источником нагрева, позади источника на поверхности стеклоизделия формируется полоса, в которой действуют растягивающие напряжения а2, величина которых

достигает предела прочности стекла на растяжение (рис.Зв).

По мере продвижения источника вдоль окружности и уменьшения температуры напряжения в точке на внешней поверхности цилиндра из сжимающих (рис. За) переходят в растягивающие (рис. 36), что свидетельствует о поперечной усадке, произошедшей на предыдущем этапе, когда температура нагрева превышала Тс. По мере дальнейшего охлаждения величина Спряжений растяжения увеличивается и достигает предела прочности (рис. Зв), что обусловливает появление зародышевой трещины.

Однако, судя по характеру эпюры напряжений, глубина зародышевой трещины не превышает размера двух элементов, т.е. 62 мкм. Согласно неравенству 5, при напряженном состоянии, сформировавшемуся в данном сечении, самопроизвольное развитие такой трещины по глубине невозможно, поскольку высвобождающаяся энергия при ее развитии меньше энергии образования новых поверхностей. По мере движения источника нагрева ситуация, характерная для сечения рис. Зв, повторяется, что вызывает продвижение фронта трещины на поверхности цилиндра вслед за источником нагрева. После завершения полного оборота цилиндрического изделия это приводит к образованию неглубокой осе-симметричной трещины - инициатора разрушения.

Полученный характер поля напряжений хорошо согласуется с фактом образования ячеистой сетки поверхностных трещин, наблюдаемых вдоль линии разделения (подрастающие поверхностные трещины заворачивают при приближении к зоне сжимающих напряжений, локализованных в месте действия теплового источника, затем источник уходит вперед, за ним продвигается зона растягивающих напряжений, и процесс повторяется).

Образование осесимметричного инициатора завершает первый этап процесса резки и обеспечивает переход ко второму этапу - развитию трещины в плоскости, перпендикулярной к поверхности изделия.

Второй этап развития процесса резки можно рассматривать в осе-симметричной постановке, поскольку к этому моменту происходит выравнивание температур нагрева цилиндра по окружности, за исключением локальной зоны в районе действия источника тепла. На этом этапе изменяется механизм распространения трещины - ее движение необходимо направить вдоль плоскости реза, и для обеспечения качества поверхности реза исключить возможность ветвления и ухода из этой плоскости. Теоретический анализ возможных траекторий развития разрушения показал, что рост трещины в направлении толщины стенки может быть обеспечен за счет осесимметричного изгиба, возникающего при выпучивании стенки тонкостенного цилиндра при его нагреве по окружности.

Расчеты, выполненные в осесиммеггричной постановке, выявили наличие двух факторов, оказывающих противоположное влияние на формирование и распределение напряжений ст2, действующих вдоль

образующей цилиндра и определяющих возможность развития трещины в направлении толщины стенки:

• во-первых, нагрев цилиндра с поверхности вызывает неравномерное распределение температур по толщине стенки трубы и появление в поверхностных слоях напряжений сжатия,

• во-вторых, увеличение диаметра цилиндра в зоне нагрева вызывает выпучивание стенки и неравномерное распределение температуры вдоль ее образующей (по оси г), приводящее к появлению в поверхностных слоях стенки напряжений растяжения.

Действие первого фактора препятствует развитию трещины, действие второго - способствует.

Для выявления степени влияния каждого из них проводилось численное решение четырех задач:

• нагрев изделия поверхностным источником тепла при его свободном расширении в радиальном направлении;

• нагрев изделия этим же источником в условиях ограничения перемещений в радиальном направлении;

И,мм

Рис. З.а. Эпюры распределения напряжений и2 по толщине стенки в

сечении стеклоизделия плоскостью 2=0 к концу первого оборота для 0 =92 (чуть позади центра пятна нагрева);

о ^ , МПа Т,°С

2 2.06 2.13 2.19 2.25 2.31 2.37 2,44 2.5

Ь,мм

Рис. З.б. Эпюры распределения напряжений ст2 по толщине стенки в

сечении стеклоизделия плоскостью 2=0 к концу первого оборота для 0 =87 (чуть позади пятна нагрева)

И,мм

Рис. З.в. Эпюры распределения напряжений ог по толщине стенки в

сечении стеклоизделия плоскостью г=0 к концу первого оборота для 6 =82 (позади пятна нагрева)

Рис. 4. Напряжений аг и деформации к концу четвертого оборота изделия, полученных из решения трехмерной термоупругой задачи для стебля ампулы (скорость вращения 5 об/с и мощность 30 Вт).

• нагрев изделия равномерно распределенным по толщине стенки источником той же мощности и размеров, что и поверхностный, при его свободном расширении в радиальном направлении;

• нагрев изделия тем же источником в условиях ограничения перемещений в радиальном направлении.

Расчеты были выполнены для трубы диаметром 70 мм из кальций-натрий-силикатного стекла с толщиной стенки 5=1,5 мм, мощности теплового источника 50 Вт, с равномерным распределением плотности мощности в сечении источника тепла круглой формы, и для гипотетического линейного (по толщине стенки) теплового источника с равномерным тепловыделением в объеме трубы. Диаметр обоих источников в осевом направлении 0,7 мм.

Сопоставление результатов проведенных численных экспериментов показывает, что изгиб стенки, вызванный неравномерным распределением температур вдоль образующей, оказывает наиболее существенное влияние на напряженное состояние в вершине трещины на второй стадии процесса, и его роль с увеличением времени нагрева возрастает. Это связано с увеличением средней температуры (рис.2) и ширины зоны нагрева. Сделанный вывод подтверждается при анализе кинетики изменения напряжений а2, полученных для стебля ампулы в результате решения задачи термоупругости в трехмерной постановке для нескольких оборотов изделия. На рис.4 можно видеть существенное выпучивание стенки цилиндра в районе нагрева, а напряжения на внешней поверхности к концу 4 оборота изделия приближаются к пределу прочности.

Изгиб стенки, вызванный неравномерным распределением температур вдоль образующей изделия и его трубчатой формой, вносит определяющий основной вклад в формирование полей деформаций и напряжений, ответственных за развитие трещины вдоль плоскости реза.

Закономерности развития разделяющей трещины рассмотрены на примере обрезки стебля ампулы при скорости вращения 5 об/с, нагреваемого источником с диаметром пятна нагрева 1,4мм для двух вариантов ведения процесса резки: первый вариант - мощность источника 30 Вт на первом обороте и 15 Вт на последующих оборотах, и второй вариант - постоянная мощность источника нагрева 30 Вт на всех оборотах.

На рис. 5а, б представлены графики, характеризующие суммарное изменение энергии упругих деформаций, высвобождаемой при росте трещины, и энергии, затрачиваемой на образование новых поверхностей, при виртуальном росте трещины, построенные для различных моментов времени, пропорциональных числу оборотов изделия.

Положительная разница означает, что рост трещины невозможен, отрицательная разница свидетельствует о возможности самопроизволь-

ного роста трещины. Энергетические условия развития кольцевой трещины в стенке цилиндра имеют специфические условия. Величина изгиба обусловлена не внешним силовым воздействием, а перемещениями вследствие неравномерного температурного расширения цилиндра по его длине. Поэтому рост трещины по глубине может приводить к уменьшению выделяемой энергии упругой деформации, а не к ее увеличению, как это имеет место в случае нагружения изгибающим моментом постоянной величины. Таким образом, для поддержания процесса развития разрушения необходимо, чтобы температурные деформации непрерывно увеличивали изгиб для сохранения условия превышения выделенной энергии над энергией, необходимой для образования новых поверхностей. Представленные на рис. 5а графики показывают, что для первого режима развитие трещины в сквозную возможно не ранее, чем через 2с (10 оборотов). На кривой, соответствующей моменту времени 1,8 с (9 оборотов) видно, что после начала роста возможна остановка трещины, т.к. избыток энергии по мере роста трещины становится больше нуля. На рис.56 приведены аналогичные графики для режима резки с неизменной мощностью источника нагрева 30 Вт, которые показывают, что в этом случае трещина развивается насквозь уже через 0,4с т.е. к моменту завершения второго оборота изделия. Следовательно, существует возможность целенаправленного управления процессом развития сквозной трещины из зародышевой через регулирование степени изгиба стенки варьированием параметров режима резки. Известно, что чрезмерная величина избыточной энергии ведет к увеличению скорости роста трещины и ее ветвлению. Это ухудшает качество поверхности реза. Подбирая степень изгиба стенки, можно добиться того, что высвобожденная к окончанию роста трещины энергия будет приближаться к энергии образования новой поверхности.

Экспериментальные исследования поверхностей реза подтвердили, что наиболее высокое качество соответствует условиям развития трещины, при которых высвобождающаяся при росте трещины энергия деформации незначительно превышает или равна энергии, необходимой для образования новых поверхностей.

Данный факт, в совокупности с полученными результатами моделирования физико-механических процессов, позволил сформулировать основные принципы управления производительностью и качеством резки термическим раскалыванием.

В третьей главе приведены результаты теоретического анализа влияния параметров режима на производительность и качество термической резки раскалыванием.

Были сформулированы расчетные критерии для сопоставления

Освобожденные узлы по толщине стенки

Освобожденные узлы по толщине стенки

Рис. 5. Баланс энергии при виртуальном росте трещины при обрезке стебля ампулы.

а) Сумма изменения энергии деформации и энергии образования новой поверхности (избыток энергии), построенные для различных моментов времени для режима обработки со снижением мощности в 2 раза после первого оборота;

б) то же, при постоянной мощности излучения 30 Вт

между собой различных режимов лазерной резки раскалыванием. Производительность резки оценивалась по времени, необходимому для зарождения кольцевой трещины и превращения ее в сквозную. В качестве показателя, характеризующего качество реза, была принята величина разности между изменением энергии деформации в изделии при образовании сквозной трещины и затратами энергии на образование новой поверхности, причем минимальному значению этой разности соответствует наилучшее качество реза.

Для описания осесимметричного теплового источника были выведены уравнения, описывающие кольцевой источник на поверхности трубы. Вывод основывался на принципе равенства энергии, вводимой локальным тепловым источником в быстровращающуюся трубу, и энергетически эквивалентным ему осесимметричным тепловым источником через сечение внешней поверхности стенки трубы плоскостью г=соп51. Получены математические выражения для лазерного луча с нормально-круговым распределением плотности мощности в поперечном сечении (13), с круговым равномерным распределением (14) и кольцевым распределением (15):

4(2) = (р/2лл/лЯго)ехр{-г2/Гд } (13)

= (р/ л2гЯ) 51п[агссоБ(г/г)] (14)

Ф) = (Р/4ялЦ^)(2г2 + г2)ехр{-22/г2} (15) где Р - мощность излучения, гд - расстояние, на котором плотность мощности убывает в "е" раз, г - полный радиус теплового источника с равномерным распределением плотности мощности, Я- внешний радиус трубы.

В качестве параметров технологического процесса были выделены размеры и форма лазерного теплового источника на поверхности, закон распределения плотности мощности в источнике, мощность теплового источника, скорость вращения изделия относительно источника. Расчеты проводились для изделий из кальций-натрий-силикатного стекла диаметром 70 мм и толщиной стенки 1,5 мм, поскольку для изделий данного типоразмера степень неосесимметричности теплового поля, и, следовательно, погрешность моделирования меньше. В результате ряда численных экспериментов было установлено, что имеется размер пятна нагрева, обеспечивающий минимальное время резки. Для нормального закона распределения этот размер пятна больше, чем для равномерного закона распределения. Однако минимальное время резки не зависит от закона распределения и составляет 3,0 с. Влияние размеров пятна и закона

распределения на величину высвобождаемой при развитии трещины энергии, которая характеризует качество реза, аналогично их влиянию на время резки, с той разницей, что размер пятна, обеспечивающий наилучшее качество реза, несколько больше, чем размер пятна, обеспечивающий минимальное время резки.

При исследовании влияния мощности излучения подтверждено существование при термической резке раскалыванием нижней и верхней пороговых мощностей. Нижний порог связан с недостаточным изгибом стенки и невозможностью развития растягивающих напряжений на внешней поверхности. Верхний порог определяется началом расплавления поверхностных слоев стекла, что делает невозможным рост трещины из-за резкого повышения вязкости стекла.

Установлено существование диапазона мощностей, в котором время резки минимально и не уменьшается с ростом мощности, а также практически не зависит от размеров пятна нагрева.

Показано, что мощность, обеспечивающая наилучшее качество реза, совпадает с мощностью, начиная с которой время резки перестает уменьшаться. С увеличением размера пятна величина оптимальной мощности возрастает.

Расчеты показали, что с увеличением толщины стенки время резки возрастает по квадратичному закону. При этом величина высвобожденной энергии в расчете на единицу толщины стенки имеет минимум, что свидетельствует о наличии оптимальной комбинации параметров обработки.

Исследование влияния свойств стекла проводились на кальций-катрий-силикатном, термостойком боросиликатном марки С52-1 и свин-цовосодержащем марки С93-1 стеклах. Из полученных результатов следует, что при близких коэффициентах линейного расширения и теплоемкости время резки стекол с большим коэффициентом теплопроводности будет меньше. При близких теплофизических коэффициентах время резки будет большим для стекол, имеющих меньший коэффициент термического расширения из-за недостатка накопленной энергии и недостаточности величины напряжений для роста разделяющей трещины. Большая теплоемкость материала и низкая теплопроводность вызывают задержку в развитии растягивающих напряжений на внешней поверхности и, тем самым, увеличивают время резки.

В четвертей главе приведены результаты_экспериментальных исследований процесса лазерной термической резки раскалыванием. Выбраны экспериментальные критерии для сопоставления между собой режимов лазерного термораскалывания по производительности и качеству. Производительность оценивались по измеряемому в ходе экспериментов

времени разделения. Для оценки качества реза определялась величина непараллельности плоскости реза к плоскости дна стеклоизделия (или плоскости, перпендикулярной оси стеклоизделия), которая нормируется ГОСТ 26 821 и, на наш взгляд, наиболее коррелирует с величиной высвобождаемой энергии при образовании сквозной трещины, т.е. с расчетным критерием оценки качества. Эксперименты проводились на заготовках выдувных стаканов Гусь-Хрустального завода из кальций-натрий-силикатного стекла диаметром 70мм и толщиной стенки 1,5мм, а также на трубках из электровакуумного стекла марки С93-1 диаметром 25мм и толщиной стенки 2мм. В качестве источника излучения использовался серийный СОт лазер ИЛГН-709.

Результаты экспериментов по изучению влияния диаметра пятна нагрева на время резки заготовок выдувных стаканов качественно совпадают с расчетными. Полученные результаты для трубок из стекла марки С93-1 подтвердили существование оптимального диаметра пятна нагрева, обеспечивающего минимальное время резки, которое составило 6,7с. Изучение влияния мощности источника нагрева при резке заготовок выдувных стаканов подтвердило наличие нижней пороговой мощности, которая для пятна нагрева диаметром 1,12 мм составила 25 Вт, а для диаметра 2,0 мм - 60 Вт. Сближение времени резки для указанных диаметров при Р>80 Вт также подтверждает существование предельной мощности, превышение которой не ведет к уменьшению времени резки для всех диаметров пятна. Результаты для труб из стекла марки С93-1 показали наличие верхнего порога мощности величиной 70 Вт, при превышении которого наблюдалось расплавление изделия.

Эксперименты по влиянию скорости вращения на время резки на заготовках выдувных стаканов показали наличие оптимальных скоростей вращения, обеспечивающих одинаковое по величине минимальное время резки для пятен различной формы и размеров. Данные по резке трубок из стекла марки С93-1 подтверждают наличие оптимальной скорости, обеспечивающей минимальное время резки.

Оценка непараллельности плоскости реза к плоскости дна стеклоизделия проводилась на специальном стенде. Регистрация высоты расположения плоскости реза осуществлялась с помощью индукционного датчика при вращении отрезанного стеклоизделия. Все измерения проводились на тех же образцах, на которых изучалось влияние параметров режима обработки на время резки. Исследование влияния диаметра пятна на непараллельностиь плоскости реза на заготовках выдувных стаканов и трубках из стекла марки С93-1 подтвердило факт существования оптимального размера пятна, обеспечивающего минимальный размер этого показателя. Эксперименты по оценке влияния мощности на заго-

товках стаканов показали, что мощность, обеспечивающая наибольшую точность реза, равна мощности, обеспечивающей минимальное время резки. Изучение влияния скорости вращения на точность реза как на заготовках выдувных стаканов, так и на трубках из стекла марки С93-1 продемонстрировало существование оптимальной скорости, обеспечивающей лучшее качество реза.

Изучено влияние возмущающих факторов на время и качество резки. Показано для заготовок выдувных стаканов, что при их разнотолщин-носги, не превышающей 30% от номинальной толщины стенки, соблюдаются требования к качеству по непараллельности плоскости реза к плоскости дна стеклоизделия (не более 1 мм).

Также показано, что с увеличением средней толщины стенки время резки возрастает по закону, близкому к квадратичному.

В пятой главе приведены данные практического использования результатов исследования при разработке технологии и оборудования термической резки раскалыванием тонкостенных цилиндрических стек-лоизделий.

Теоретические и экспериментальные зависимости влияния параметров режима на производительность и качество резки положены в основу разработанной методики определения технологических параметров лазерной термической резки.

Разработана методика и алгоритм последовательности действий при выборе параметров режима. На первом этапе отыскиваются параметры процесса, обеспечивающие минимальное время резки. На втором этапе путем последовательного варьирования параметрами процесса достигается уменьшение непараллельности края реза к плоскости дна стеклоизделия при одновременном контроле за увеличением времени резки.

Эффективность применения разработанной методики подтверждена успешным применением ее для оптимизации параметров режима резки стеклоизделий на ряде стекольных заводов.

Создана серия лазерных модулей для обрезки заготовок, встраиваемых в поточные линии по изготовлению сортовой посуды из кальций-натрий-силикатного стекла и хрусталя. Модули комплектуются силовыми излучателями двух модификаций: излучателем установки ИЛГН-709 с мощностью излучения 100 Вт и излучателем, представляющим собой сборку из 4-х трубок установки ИЛГН-706. Каждая трубка мощностью 60 Вт, суммарная мощность 240 Вт. В состав модуля входят также блок питания и управления излучателями, микропроцессорное устройство с набором программ, задающих и корректирующих режим резки в зависимости от размеров изделия и неровностей реза, оптоэлектронное устрой-

ство для измерения неровностей поверхности реза на основе пространственных модуляторов оптического диапазона (spatial light modulator SLM). На одной позиции технологического потока с помощью силового лазера обеспечивается обрезка заготовки. На следующей с помощью оптоэлек-тронного устройства осуществляется подсветка поверхности реза излучением гелий-неонового лазера, анализ пространственной структуры отраженного поверхностью реза излучения, прием и преобразование его ПЗС-матрицей и передача сигнала в микропроцессор для пороговой оценки. В случае превышения отклонений высоты неровностей за пределы допуска микропроцессор подает команду исполнительному механизму отбраковки изделия и на блок питания и управления силовым лазером для корректировки параметров режима резки.

Лазерные модули внедрены на Тверском, Дядьковском и Гусь-Хрустальном стекольных заводах. Два модуля внедрены в фирме Valter (ФРГ). Годовой экономический эффект от внедрения лазерных модулей за счет снижения брака и сокращения затрат на шлифовку изделий составил 32 тыс. руб. на 1 установку в ценах 1990 года.

Разработан способ и оборудование для лазерной термической резки раскалыванием стеблей медицинских ампул в технологическом потоке производства жидких лекарственных форм (а.с.СССР № 1295670, а.с.СССР № 1426023), внедренные на Хабаровском химфармзаводе. Традиционная технология обрезки стеблей ампул перед заполнением их лекарственными формами предусматривала применение газового пламени в качестве источника нагрева при резке. Формирующийся при этом уровень термоупругих напряжений недостаточен для самопроизвольного разделения заготовки, и технология предусматривала операцию доламывания стебля механическим нагружением. При этом не исключались случаи загрязнение полости ампул осколками стекла, продуктами горения, образование неровностей на кромках реза. Требовалась дополнительная очистка полости ампул от осколков стекла, отмечался рост брака из-за загрязнения жидких лекарственных форм продуктами горения. Предложенный способ и оборудование для резки за счет использования лазерного излучения позволил исключить операцию доламывания и существенно снизить брак.

Применение разработанного способа и оборудования на Хабаровском химико-фармацевтическом заводе обеспечило повышение производительности на 15 % и снижение доли брака на 20%.

Основные выводы и полученные результаты

Комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил сформулировать следующие основные выводы и полученные результаты.

1.На основе трехмерного численного моделирования термомеханических процессов, с учетом кинетики изменения состояния материала при нагреве и охлаждении в условиях локального воздействия источника нагрева при термической резке тонкостенных цилиндрических деталей из хрупких неметаллических материалов сформулирован следующий основной принцип управления производительностью и качеством резки:

- технологические параметры режима резки должны обеспечить в течение заданного временного интервала согласованное протекание двух стадий процесса: образование кольцевого (осесимметричного) инициатора разрушения (первая стадия) и развитие осесимметричной трещины в направлении толщины стенки путем локального ее изгиба (вторая стадия).

На первой стадии кольцевой (осесимметричный) инициатор разрушения должен быть сформирован:

- при резке аморфных материалов - путем образования поверхностной трещины за счет действия временных термических напряжений, возникающих при нагреве локальной зоны стенки выше температуры размягчения материала,

- при резке кристаллических материалов - за счет удаления материала по механизму скрайбирования - испарением.

На второй стадии для развития разделяющей трещины в направлении толщины стенки формируется осесимметричный изгиб при выпучивании стенки в результате неравномерного ее нагрева вдоль образующей цилиндра. При этом температура на поверхности изделия не должна превышать температуру стеклования для предотвращения появления вязкой компоненты деформации, приводящей к существенному росту энергии деформации, необходимой для прорастания трещины.

2. При резке аморфных материалов образование кольцевой поверхностной зародышевой трещины по линии реза происходит путем слияния трещин, возникающих позади источника нагрева вследствие развития растягивающих напряжений, обусловленных поперечной усадкой материала при нагреве выше температуры стеклования, а развитие их в глубину сдерживается образованием напряжений сжатия в подповерхностной зоне.

3. Методами численного анализа, с использованием разработанных трехмерной и осесимметричной моделей:

- установлены закономерности развития температурных полей, перемещений, напряжений, образования зародышевой и роста разделяющей трещины по толщине стенки разрезаемого изделия;

- установлен механизм и условия образования поверхностной осе-симметричной зародышевой трещины, заключающийся в возникновении на стадии нагрева в поверхностной зоне сжимающих напряжений, которые достигают максимума при температуре стеклования, затем снижаются с ростом температуры от температуры стеклования до температуры размягчения вследствие перехода материала сначала в вязкоупругое, а затем в вязкотекучее состояние. На стадии охлаждения от температуры размягчения до температуры стеклования и ниже происходит возникновение и нарастание осевых растягивающих напряжений, вызывающих формирование вдоль траектории реза кольцевой зародышевой трещины.

4. Кинетика развития осевых напряжений в плоскости разделения имеет две противоположные тенденции. Первая обусловлена неравномерным нагревом стенки по толщине, что создает в подповерхностной зоне сжимающие напряжения и тормозит развитие трещины по глубине. Вторая обусловлена неравномерным нагревом стенки вдоль образующей, что приводит к выпучиванию стенки и способствует развитию разрушения. Целенаправленное управление параметрами термического воздействия позволяет остановить рост трещины в глубину на первой стадии процесса резки и контролировать энергетические параметры ее продвижения на второй стадии.

5. Теоретически обосновано, что прорастание осесимметричной зародышевой трещины насквозь обусловлено развитием деформаций изгиба (выпучивания) стенки. Степень изгиба стенки определяется средней температурой в зоне нагрева, градиентом температур вдоль образующей цилиндрической поверхности и зависит от цилиндрической жесткости изделия в месте реза, что позволяет оптимизировать режимы резки с позиции производительности процесса и качества поверхности реза.

6. Качество резки зависит от величины разности между энергией, высвобождающейся при образовании разделяющей трещины, и энергией образования новой поверхности. Уменьшение разности энергий приводит к улучшению качества резки, что можно объяснить уменьшением степени ветвления трещины в результате снижения скорости ее развития. За счет изменения значений параметров режима резки (мощности источника, диаметра и формы пятна нагрева, числа оборотов, распределения мощности в пятне нагрева) имеется возможность управлять величиной избыточной упругой энергии и, следовательно, качеством резки.

7. Установлено, чго при резке кальций-натрий-силикатнных стекол, начиная с некоторой мощности источника нагрева, ее дальнейшее увеличение не приводит к снижению времени резки. При этом время резки для различных диаметров пятна становится практически одинаковым

8. Подтверждено существование верхней и нижней пороговых (критических) мощностей, выше и ниже которых обеспечение качества термической резки раскалыванием невозможно. Верхний порог связан с нагревом поверхности на линии разделения до температуры, большей температуры размягчения, и резким повышением вязкости стекла, препятствующим росту трещины. Нижний порог связан с нехваткой вводимой в изделие энергии для создания требуемого градиента температур вдоль образующей цилиндра и изгиба стенки.

9. Экспериментально установлено и теоретически обосновано, что технологические остаточные напряжения в стеклянных изделиях ухудшают качество поверхности реза, поскольку продвижение трещины приводит к снятию собственных напряжений, высвобождающаяся при этом энергия увеличивает скорость продвижения и способствует ветвлению трещины.

10. Экспериментально установлено, что размеры пятна нагрева, обеспечивающие минимальное время резки и минимальное отклонение из плоскости реза, для наиболее распространенных изделий из стекла с наружным диаметрами от 50 до 100 мм и толщиной стенок 1мм, лежат в пределах 2,0x3,2 мм. При этом разность толщин стенки до 30% от номинальной не снижает качество поверхности реза при использовании в качестве источника нагрева лазерный излучатель мощностью 100 Вт.

11. Разработанная технология прошла лабораторное и промышленное опробование при резке стеклянных изделий с толщиной стенки от 0,5мм до 10мм и соотношением толщины стенки к диаметру в пределах 0,02 - 0,15. При этом установлено, что зависимость времени резки от толщины стенки для изделий из кальций-натрий-силикатного стекла близка к квадратичной. Повышение качества поверхности реза обеспечило снижение вдвое расходов на последующую шлифовку кромок и повысило экологичность процесса изготовления изделий из стекла.

12. Эффективность разработанной технологии и оборудования термической резки тонкостенных цилиндрических изделий из стекла с использованием лазерного нагрева и методики оптимизации режимов резки подтверждена в условиях реального производства сортовой стеклянной посуды на Тверском, Дятьковском, Гусь-Хрустальном стекольных заводах и Хабаровском химфармзаводе при изготовлении жидких лекарственных форм в стеклянных ампулах. Экономический эффект от исполь-

зования одного лазерного модуля в поточной линии составил 32 тыс. руб. в год в ценах 1990 года.

13. Два технологических лазерных модуля для резки сортовой стеклянной посуды реализованы в фирме «Valter», ФРГ (контракты от 28 01.92 г. и от 03.07.92 г.). Объем контрактов 45 и 36 тыс. марок ФРГ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Прохоров H.H., Орлов A.C., Прохоров Н.Никол. Исследование свойств и применимости проб для оценки технологической прочности металлов в процессе кристаллизации при сварке / Сварочное производство. -1970. - №12.- С. 13-18.

2. Прохоров H.H., Орлов A.C. О влияние жесткости на сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке. / Физика и химия обработки материалов. - 1971. - №2.- С. 36-39.

З.Чабуркин В.Ф., Лившиц Л.С., Орлов A.C. и др. Оценка склонности к образованию горячих трещин при сварке магистральных трубопроводов / Сварочное производство. - 1972. №2.- С. 18-23.

4. Прохоров H.H., Орлов A.C., Прохоров Н.Йикол. Исследование деформаций в пробах, применяемых для оценки склонности металлов к горячим трещинам при сварке. / Сварочное производство. - 1973. - №4.-С. 17-22.

5. Гадалов В.Н., Орлов A.C. Использование метода внутреннего трения для исследования материалов, подвергнутых лазерному облучению / Известия вузов СССР. Физика. 1983. - №6.- С. 41-43.

б.Орлов A.C., Тараев С.П., Свиридов A.C. Лазерная резка стекля-ных капилляров // Лазерная технология в приборостроении: Сб. трудов Всесоюзного научно-технического семинара / Москва.- 1985.- С. 56-58.

7. Авторское свидетельство СССР, № 1295670. Способ обрезки ампул. /соавтор С.П. Тараев / опубл. 8.11.86. - БИ №24, 1986.

8.Авторское свидетельство СССР, № 1426023. Устройство для обрезки ампул. / соавторы С.П. Тараев, A.C. Свиридов и др. /опубл.

22.05.1988. - БИ №28,. 1988.

9.Авторское свидетельство СССР, № 1505381. Лазерная установка. / соавторы С.П. Тараев, А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов и др./ опубл.

01.05.1989. - БИ №29, 1989.

10. Авторское свидетельство СССР, №1492594. Способ выбора оптимального режима лучевой обработки. / соавторы С.П.Тараев, Ю.Г.Кабалдин, Н.А.Семашко и др. / опубл. 08.03.1989. - БИ № 20, 1989.

И. Орлов A.C., Чадин B.C., Сирота A.C., Орлов И.А. Установка для лазерной обрезки трубчатых стеклоизделий // Материалы и упрочняющие технологии: Сб. трудов Республиканской науч.-тех. конф. / Курск.-1991,-С. 121-126

12. Орлов A.C., Чадин В.И., Орлов И.А. Опытно-экспериментальная установка для лазерной резки термораскалыванием // Современные проблемы сварочной науки и техники: Материалы междун. науч.-тех. конф. / Ростов-на-Дону,- 1993.- С. 162-163.

13. Орлов A.C., Орлов И.А. Влияние возмущающих факторов на качество лазерной резки термораскалыванием цилиндрических стеклоизделий / Сварочное производство. 1995.- № 3,- С. 9-11.

14. Орлов A.C., Орлов И.А. Особенности лазерной резки силикатных стекол // Современные проблемы сварочной науки и техники «Свар-ка-97»: Материалы Российской науч.-техн. конф./ Воронеж,- 1997,- С. 104105.

15. Орлов A.C., Хромых В.Г., Проскурин Д.К. Обоснование использования пространственного коррелятора при измерении макрогеометрии поверхности стекла после резки // Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка-97»: Материалы Российской науч.-техн. конф./ Воронеж.- 1997.- С. 132-134.

16. Орлов A.C., Орлов И.А., Яковлев М.В. Модернизация программного комплекса для анализа напряжений в трубчатых стеклоизде-лиях при лазерной резке термораскалыванием // Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка-97»: Материалы Российской науч.-техн. конф./ Воронеж.- 1997.- С. 134-136.

17. Орлов A.C., Хромых В.Г., Проскурин Д.К. Оценка качества поверхности реза стекла с помощью когерентной подсветки // Промышленность стройматериалов и стройиндусгрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений: Материалы междунар. науч-техн. конф. / Белгород.-1997.-С.4б-48.

18. Орлов A.C., Орлов И.А. Энергетические особенности лазерной резки испарением силикатных стекол / Сварочное производство.- 1997,-№11.- С. 28-30.

19. Орлов A.C., Орлов И.А. Лазерная резка стеклянных трубок// Прогрессивные технологии в сварочном производстве: Межвузовский сборник научных трудов / Воронеж.- 1998.- С. 46-55

20. Orlov A.S., Proskurin D.K., Khromykh V.G. Optoelectronic methods for detecting defect of a surface and estimation of their parameters by the use of coherent illumination // Proc of IX International Conference LaserAssisted Microtechnology / LAM-2000, St.Petersburg.- Russia.- 2000.- SPIE.-Vol. 4157.- p. 183-190.

21. Орлов A.C., Проскурин Д.К. Дистанционный анализ качества поверхностей после газотермического разделения материалов / Технология машиностроения,- 2002,- № 2.- С. 34-36

22. .Орлов A.C., Проскурин Д.К., Ожерельев И.В. Система позиционирования лазерным пучком на основе пространственного модулятора света // МАТИ-Сварка XXI век: Материалы науч.-техн. конф. / Москва,-МАТИ-РГТУ.- 2003.- С. 137-140.

23. 19. Орлов A.C. Термодеформационные процессы при термической резке тонкостенных цилиндрических сгеклоизделий / Монография: Ростов-на-Дону.- Изд.центр ДГТУ.- 2004.- 170 с.

24. 20. Орлов A.C. Термоупругие напряжения при термической резке цилиндрических полых сгеклоизделий // Вестник ДГТУ. Технология машиностроения: Ростов-на-Дону.-2004,- № 2(20).- С. 179-182.

25. Орлов A.C. Моделирование процесса термической резки раскалыванием трубчатых сгеклоизделий // Славяновские чтения. Сварка XXI век: Сб. науч. трудов / Липецк,- 2004,- С. 571-578.

26. Орлов A.C., Проскурин Д.К., Ожерельев И.В. Дистанционный контроль в реальном времени технологически обработанных поверхностей с использованием пространственной обработки сигналов рассеяния // Приборостроение 2004: Сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. / Винница-Ялта.- 2004.- С. 340-344.

27. Орлов A.C. Особенности теплового поля при термической резке цилиндрических полых сгеклоизделий // Сварка и контроль 2004 / Сб. докладов Всеросс. с междунар. участием науч.-техн. конф.: Том 2. Теория сварки. Пермь,- 2004.- С. 256-260.

ЛР №01779 от 18.05.01. В набор У С-Ч.ЛЪ печать У- СЭ Объем 2 2. усл.п.л., С уч.-изд.л. Офсет. Бумага тип №3. Формат 60x84/16. Заказ '№ £/ Ь Тираж ./СО.

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344010, г Ростов-на-Дону, пл.ГагаринаД.

РНБ Русский фонд

2005-4 45310

2 2 MAP Щ

Введение.

Глава 1. Способы резки тонкостенных цилиндрических изделий из хрупких неметаллических материалов.

1.1. Общие положения.

1.2. Механическая резка.

1.3. Термическая резка.

1.4. Лазерная термическая резка.

1.5. Выводы.

Глава 2. Механизм термической резки раскалыванием тонкостенных цилиндрических стеклоизделий.

2.1. Свойства стекла и других хрупких тел. Физические процессы в хрупких телах при термической резке раскалыванием.

2.2. Термическая резка раскалыванием как система взаимодействующих процессов.

2.3. Формулирование задачи лазерной термической резки раскалыванием тонкостенных цилиндрических изделий.

2.4. Физическая модель образования зародышевой трещины.

2.5. Основные дифференциальные уравнения, описывающие физические процессы при термической резке раскалыванием.

2.6. Расчетный метод и основные уравнения численного моделирования физических процессов.

2.7. Средства и технология моделирования физических процессов термической резки раскалыванием.

2.8. Особенности теплового поля при термической резке раскалыванием.98'

2.9. Развитие деформаций и напряжений.

2.10. Анализ процесса роста трещины.:.

• 2.11.Основные принципы управления производительностью и качеством процесса термической резки раскалыванием.

Глава 3. Теоретический анализ влияния параметров режима на производительность и качество лазерной термической резки раскалыванием.

3.1. Обоснование модели для теоретического анализа.

3.2. Выбор расчетных критериев для сравнения различных режимов лазерной термической резки раскалыванием.

3.3. Описание лазерных тепловых источников.

3.4. Влияние параметров режима обработки на процесс термической резки раскалыванием С02-азером.

3.5. Влияние геометрических размеров стеклоизделия и свойств стекол на процесс термической резки раскалыванием.

3.6. Влияние диаметра стеклоизделия на процесс термической резки раскалыванием.

3.7. Влияние толщины стенки на стеклоизделия на процесс термической резки раскалыванием.

3.8. Влияние свойств материала стеклоизделия на процесс термической резки раскалыванием.'.

3.9. Оценка возможности образования зародышевой трещины на основе аналитических методов теории теплопроводности.

ЗЛО. Выводы.

Глава 4. Экспериментальное исследование процесса лазерной термической резки раскалыванием.

1.1.Выбор экспериментальных критериев для сопоставления различных режимов лазерной термической резки раскалыванием.

1.2.Влияние параметров режима обработки на время резки.

1.3.Влияние технологических параметров обработки на точность резки.

1.4.Влияние возмущающих факторов на время и точность резки.

1.5.Вывод ы.

Глава 5. Разработка и реализация технологических решений и оборудования для лазерной резки раскалыванием изделий из стекла.

5.1. Методики выбора параметров режима лазерной резки раскалыванием.

5.2. Разработка технологии и выбор параметров режима лазерной резки раскалыванием.

5.3. Разработка технологических решений и оборудования лазерной резки раскалыванием изделий из стекла.

5.4. Выводы.

Актуальность проблемы. Хрупкие неметаллические материалы, типичными представителями которых являются стекло и керамика - одни из наиболее древних, но и в настоящее время распространенных материалов. Спектр их применения охватывает практически все сферы человеческой деятельности. Значительный объем в производстве этих материалов 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 последующим отламыванием. Существенными недостатками этого метода являются значительные колебания высоты неровностей в плоскости реза и уход линии реза от заданной 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 напряжений, 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 контроль», код проекта 01.0115.98П, (1998-1999 г.г.) и научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 201. «Производственные технологии», раздел 201.07. «Технология современного заготовительного производства. Сварка и диагностические комплексы». Код проекта 07.01.079 (2001-2002 г.г.) и раздел 201.02. Лазерные технологии. Код проекта 02.01.062 (2001-2002 г.г.)

Цель работы - Разработать научно-обоснованные технологические решения и оборудование для термической резки тонкостенных цилиндрических изделий из хрупких неметаллических материалов для обеспечения заданной производительности и качества резки.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие научно-технические задачи:

- Выявление и формулирование условий зарождения и развития разделяющей трещины на основе положений теории технологической прочности при сварке;

- Компьютерное моделирование процессов распространения тепла, развития деформаций и напряжений в зоне реза в условиях подвижного источника тепла и с учетом перехода материала выше температуры стеклования в вязкоупругое и 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 СО2- лазера в качестве источника нагрева;

- Разработка и внедрение новых технологических процессов и оборудования для термической резки изделий в промышленности.

На защиту выносится:

- рабочая гипотеза, описывающая механизм термической резки раскалыванием и состоящая в том, что для повышения качества поверхности реза необходимо за счет управления параметрами нагрева сформировать поверхностный осесимметричный инициатор разрушения и обеспечить прорастание трещины на всю толщину стенки изделия путем целенаправленного формирования полей термоупругих напряжений;

- трехмерная физикогматематическая 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 поверхности реза;

- результаты теоретического и экспериментального исследования влияния параметров технологического процесса (мощности лазерного источника нагрева, размеров, формы пятна нагрева и закона распределения мощности в пятне нагрева и скорости вращения изделия) на производительность и качество резки;

- методика и алгоритм обоснования оптимальных параметров режима лазерной термической резки изделий из стекла, удовлетворяющих требованиям производительности и качества резки в соответствии с заданным ритмом поточной линии и техническими условиями на изделие;

- новые способы и конструкции технических устройств, обеспечивающие существенное повышение производительности и качества резки.

Автор принимал непосредственное участие в научных разработках от постановки задачи до выполнения конкретных исследований, анализа и внедрения полученных 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 для изучения динамики развития собственных напряжений и деформаций при неравномерном нагреве в процессе резки;

- метод конечных элементов для численного моделирования кинетики температурных полей и полей деформаций и напряжений.

10

Расчеты МКЭ производились с использованием лицензионного пакета программ конечно-элементного анализа MSC/NASTRAN for Windows.

Основные экспериментальные исследования проводились с использованием углекислотных лазеров ИЛГН-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 и 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 врзникнове-нии на стадии нагрева в поверхностной зоне сжимающих напряжений, снижающихся по мере увеличения температуры вследствие перехода 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 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 зоны нагрева в окружном направлении. Величина изгиба стенки регулируется степенью неравномерности теплового поля вдоль образующей цилиндра и зависит от цилиндрической жесткости стеклоизделия в месте реза;

• связь качества поверхности реза с величиной разности между энергией, высвобождающейся при образовании разделяющей трещины, и энергией образования новых поверхностей. Уменьшение разности энергий приводит к улучшению качества резки;

• условия оптимизации качества реза, 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, за исключением локальной зоны вблизи действия источника нагрева, не должна превышать температуру стеклования для предотвращения перехода материала в вязкое состояние, что существенно увеличивает энергию деформации, необходимую для прорастания трещины, и приводит 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 резки от мощности лазерного теплового источника, размеров и формы пятна нагрева на поверхности стеклоизделия, скорости его вращения.

- Разработана методика выбора параметров режимов термической резки стеклоизделий с использованием лазерного 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 поточной линии составил 32 тыс.

13 руб. 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 поставленных задач, применением сертифицированного и многократно апробированного универсального пакета MSC/NASTRAN for Windows для конечно-элементного линейного и нелинейного термопрочностного анализа конструкций.

- Соответствием научных положений, выводов и 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

14 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.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ II ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил сформулировать следующие основные выводы и полученные результаты.

1. На основе трехмерного численного моделирования термомеханических процессов, с учетом кинетики изменения состояния материала при нагреве и охлаждении в условиях локального воздействия источника нагрева при термической резке тонкостенных цилиндрических деталей из хрупких неметаллических материалов сформулирован следующий основной принцип управления производительностью и качеством резки:

- технологические параметры режима резки должны обеспечить в течение заданного временного интервала согласованное протекание двух стадий процесса: образование кольцевого (осесимметричного) инициатора разрушения (первая стадия) и развитие осесимметричной трещины в направлении толщины стенки путем локального ее изгиба (вторая стадия).

На первой стадии кольцевой (осесимметричный) инициатор разрушения должен быть сформирован:

- при резке аморфных материалов - путем образования поверхностной трещины за счет действия временных термических напряжений, возникающих при нагреве локальной зоны стенки выше температуры размягчения материала,

- при резке кристаллических материалов - за счет удаления материала по механизму скрайбирования - испарением.

На второй стадии для развития разделяющей трещины в направлении толщины стенки формируется осесимметричный изгиб при выпучивании стенки в результате неравномерного ее нагрева вдоль образующей цилиндра.

278

При этом температура на поверхности изделия не должна превышать температуру стеклования для предотвращения появления вязкой компоненты деформации, приводящей к существенному росту энергии деформации, необходимой для прорастания трещины.

2. При резке аморфных материалов образование кольцевой поверхностной зародышевой трещины по линии реза происходит путем слияния трещин, возникающих позади источника нагрева вследствие развития растягивающих напряжений, обусловленных поперечной усадкой материала при нагреве выше температуры стеклования, а развитие их в глубину сдерживается образованием напряжений сжатия в подповерхностной зоне.

3. Методами численного анализа, с использованием разработанных трехмерной и осесимметричной моделей:

- установлены закономерности развития температурных полей, перел мещений, напряжений, образования зародышевой и роста разделяющей трещины по толщине стенки разрезаемого изделия;

- установлен механизм и условия образования поверхностной осесимметричной зародышевой трещины, заключающийся в возникновении на стадии нагрева в поверхностной зоне сжимающих напряжений, которые достигают максимума при температуре стеклования, затем снижаются с ростом температуры от температуры стеклования до температуры размягчения вследствие перехода материала сначала в вязкоупругое, а затем в вязкотеку-чее состояние. На стадии охлаждения от температуры размягчения до температуры стеклования и ниже происходит возникновение и нарастание осевых растягивающих напряжений, вызывающих формирование кольцевой зародышевой трещины вдоль траектории реза.

4. Кинетика развития осевых напряжений в плоскости разделения имеет две противоположные тенденции. Первая обусловлена неравномерным нагревом стенки по толщине, что создает в подповерхностной зоне сжимающие напряжения и тормозит развитие трещины по глубине. Вторая обусловлена неравномерным нагревом стенки вдоль образующей, что приводит к выпучиванию стенки и способствует развитию разрушения. Целенаправленное управление параметрами термического воздействия позволяет остановить рост трещины в глубину на первой стадии процесса резки и контролировать энергетические параметры ее продвижения на второй стадии.

5. Теоретически обосновано, что прорастание осесимметричной зародышевой трещины насквозь обусловлено развитием деформаций изгиба (выпучивания) стенки. Степень изгиба стенки определяется средней температурой в зоне нагрева, градиентом температур вдоль образующей цилиндрической поверхности и зависит от цилиндрической жесткости изделия в месте реза, что позволяет оптимизировать режимы резки с позиции производительности процесса и качества поверхности реза.

6. Качество резки зависит от величины разности между энергией, высвобождающейся при образовании разделяющей трещины, и энергией образования новой поверхности. Уменьшение разности энергий приводит к улучшению качества резки, что можно объяснить уменьшением степени ветвления трещины в результате снижения скорости ее развития. За счет изменения значений параметров режима резки (мощности источника, диаметра и формы пятна нагрева, числа оборотов, распределения мощности в пятне нагрева) имеется возможность управлять величиной избыточной упругой энергии и, следовательно, качеством резки.

7. Установлено, что при резке кальций-натрий-силикатнных стекол, начиная с некоторой мощности источника нагрева, ее дальнейшее увеличение не приводит к снижению времени резки. При этом время резки для различных диаметров пятна становится практически одинаковым.

8. Подтверждено существование верхней и нижней пороговых (критических) мощностей, выше и ниже которых обеспечение качества термической резки раскалыванием невозможно. Верхний порог связан с нагревом поверхности на линии разделения до температуры, большей температуры размягчения, и резким повышением вязкости стекла, препятствующим росту трещины. Нижний порог связан с нехваткой вводимой в изделие энергии для создания требуемого градиента температур вдоль образующей цилиндра и изгиба стенки.

9. Экспериментально установлено и теоретически обосновано, что технологические остаточные напряжения в стеклянных изделиях ухудшают качество поверхности реза, поскольку продвижение трещины приводит к снятию собственных напряжений, а высвобождающаяся при этом энергия увеличивает скорость продвижения и способствует ветвлению трещины.

10. Экспериментально установлено, что размеры пятна нагрева, обеспечивающие минимальное время резки и минимальное отклонение из плоскости реза, для наиболее распространенных изделий из стекла с наружным диаметрами от 50 до 100 мм и толщиной стенок 1мм, лежат в пределах 2,0x3,2 мм. При этом разность толщин стенки до 30% от номинальной не снижает качество поверхности реза при использовании в качестве источника нагрева лазерный излучатель мощностью 100 Вт.

И. Разработанная технология прошла лабораторное и промышленное опробование при резке стеклянных изделий с толщиной стенки от 0,5мм до

281

10мм и соотношением толщины стенки к диаметру в пределах 0,02 — 0,15. При этом установлено, что зависимость времени резки от толщины стенки для изделий из кальций-натрий-силикатного стекла близка к квадратичной. Повышение качества поверхности реза обеспечило снижение вдвое расходов на последующую шлифовку кромок и повысило экологичность процесса изготовления изделий из стекла.

12. Эффективность разработанной технологии и оборудования термической резки тонкостенных цилиндрических изделий из стекла с использованием лазерного нагрева и методики оптимизации режимов резки подтверждена в условиях реального производства сортовой стеклянной посуды на Тверском, Дятьковском, Гусь-Хрустальном стекольных заводах и Хабаровском химико-фармацевтическом заводе при изготовлении жидких лекарственных форм в стеклянных ампулах. Экономический эффект от использования одного лазерного модуля в поточной линии составил 32 тыс. руб. в год в ценах 1990 года.

13. Два технологических лазерных модуля для резки сортовой стеклянной посуды реализованы в фирме «Уакег», ФРГ (контракты от 28 01.92 г. и от 03.07.92 г.). Объем контрактов 45 и 36 тыс. марок ФРГ.

1. Балкевич В.Л. Техническая керамика. М.:, Стройиздат, 1984.256 е., ил.

2. Кингери У.Д. Введение в керамику /Пер. с англ. М.: Мир, 1964.534 е., ил.

3. Окодзаки К. Технология керамических диэлектриков. /Пер. с япон. М.: Мир, 1976.-336 с.

4. Fryel R.W., Polk D.H. Laser drilling of ceramic for heat exchanger applications/Laser Weld., Mach. And Mater. Proc. Int., Conf. Appl. Lasers and Elec. Opt., San Francisco, Calif., 11-14, Nov., 1985". Kempston; Berlin., 1986, 37144.

5. Мачулка Г.А. Лазерная обработка стекла. M.: Сов. Радио, 1979.136 с.

6. Эспе В. Технология электровакуумных материалов./ Пер. с нем. Под общ. ред. P.A. Нилендера. и к.х.н. A.A. Котляра. Т.2. Силикатные материалы: М.: Энергия, 1968 448 с.

7. Зубаков В.Г., Семибратов М.Н., Штандель С.К., Кузнецов С.М. Технология оптических деталей. — М.: Машиностроение, 1985. - 368 с.

8. Бардин А.Н. Технология оптического стекла. М.: Высшая школа, 1963.-519 с.

9. Шапиро И.Е., Фролова Е.Г. Стеклянные трубы. (Производство и применение). М.: Госстройиздат, 1960 - 159 с.

10. Технология стекла / И.И. Китайгородский, H.H. Качалов, В.В. Вар-гин и др.; под общ. ред. И.И. Китайгородского. М.: Госстройиздат, 1960 -159 с.

11. Длугунович В.А., Спонко В.Н. Лазерная обрезка колпачков стеклянных стаканов // Стекло и керамика. 1976. — № 1. - с.12-14

12. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов A.C. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Л-д.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1978 - 335 с.

13. Патент 300014 США, МПК С 03 В 33 / 02. Способ отделения облоя от стеклоизделия / Дж. Э. Панкцерер (США) 2 с, илл.

14. Paek U. — С., Gagliano F.P. Thermal analis of laser drilling processes / IEEE J., 1972, v.QE- 8, № 2, p.31—36.

15. A.c. 289063, МПК С 03 В 33 / 06. Устройство для резки фарфоровых, стеклянных и керамических изделий / В.А. Надей, А.П. Теньков, П.М. Исаев и A.A. Титова (СССР) 2 с,: ил.

16. A.c. 862552 СССР, С 03 В 33 / 09. Способ резки стеклоизделий / B.C. Кондратенко (СССР) 4 с, ил.

17. A.c. 1203840 СССР, С 03 В 33 / 06. Способ резки стеклянных труб лазерным лучом и устройство для его осуществления / С.А. Болдырев, А.Е. Новик, Ю.М. Тумаркин (СССР) 4 с, ил.

18. A.c. 1100247 A SU, С 03 В 33 / 00. Способ резки стекла / A.A. Лисе-ненков, Г.Я. Гайсинский, Н.И. Кирпичев и P.M. Завистнова —3 с

19. A.c. 297599 СССР, МПК С 03 В 33 / 06. Устройство резки стекло-изделий / Н.И. Дедковский и Л.К. Захаров (СССР) 2 с.

20. A.c. 1357371 AI, SU, С 03 В 33 / 06. Устройство для резки стеклоизделий / B.C. Щепин — 2 с,: ил.

21. A.c. 966048, М Кл3 С 03 В 33 / 06. Способ резки стеклянных трубок / В.Н. Федорович, П.В. Грицан, Е.В. Продольнов и В.И. Борода (СССР) 3 с,: ил.

22. Chue G.K. Lasser cuttingof hot glass // Ceramik Bulletin., 1975. Vol. 45. №5. p. 56.

23. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. М.: Мир, 1974,391 с.

24. И.А. Орлов, A.C. Орлов. Энергетические особенности лазерной резки испарением силикатных стекол.//Сварочное производство. 1997. №11. с.28-30

25. Даньщиков Е.В., Лебедев В.Ф., Рязанов. A.B. Состояние плазмы вблизи поверхности металла, облучаемого СОг-лазером //Физика плазмы. 1984. т. 10. №2. с. 385-391.

26. Даньщиков Е.В., Лебедев В.Ф., Рязанов A.B. Оптический пробой в эрозионном факеле //Квантовая электроника. 1984. т.11. №7. с. 1424-1430.

27. A.c. 455071 СССР, С 03 В 33 / 06. Устройство для резки стеклозаго-товок, имеющих форму тел вращения / B.C. Аксенов и Р.И. Алексеева (СССР) 2 с,: ил.

28. Борода В.И., Вартаньянц В.Ц., Карпов H.H., Мачулка Г.А. Термораскалывание стеклянных трубок лазерным излучением // Электронная про-: мышленность. 1976. № 1. с. 59 — 63.

29. Лабенко В.И., Кондратенко B.C., Филиппов В.К. Лазерная установка для резки стеклянных труб // Всесоюзн. н-техн. семинар «Лазерная технология в приборостроении»: Тез. докл.: М.: ЦП НТО Приборостроит. пром. Им. С.И. Вавилова, 1985. с. 53 - 54.

30. A.c. 598316, СССР, С 03 В 33 / 08. Способ резки стеклоизделий / Б.И. Антипов, В.Ф. Бабаньянц, Ф.Б. Вурзель и др (СССР) 4 с,: ил.

31. Кондратенко B.C., Танасейчук A.C., Шершнев Е.Б. Лазерная резкастеклоизделий в производстве цветных кинескопов. — В кн.: Сб. докладов285

32. Всес. н-техн. конф. «Лазеры в народном хозяйстве». — М.: МДНТП, 1986. с. 24-27.

33. Кондратенко B.C. Лазерное управляемое термораскалывание стекла в производстве изделий электронной техники // Электронная промышленность. 1988. № 1. с. 26 29.

34. Dziach R., Parys H., Rutkowski St. Banania nad zastosowaniem promieniowa nia lasera molekularnego do obrobki kwarci // Mater. Conf. EKON. 1986, Posnan, 146 c.

35. Солинов В.Ф., Сирота A.C., Чадин B.C. Лазерная резка стекла.// Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. №5 (64). ,2004. с.50-51.

36. Сурменко A.A. Розанов Т.Г. Некоторые технологические применения ОКГ на С02.-Л-д.: ЛДНТИ, 1971. с. 5-7.

37. Большов В.Ф., Гурьянов В.М., Мачулка Г.А., Муратова Л.П. Лазерная технологическая установка для резки профильного стекла // Квантовая электроника. 1971. № 6. с. 18-23.

38. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высш. Школа, 1967.599 с.

39. Шепелев Г.В., Малов Е.И., Шиганов И.Н. Технологические особенности разделения листового стекла излучением твердотельного лазера. //

40. Лазеры в науке, технике и медицине.: Тезисы докладов X международной конф. Сочи., 1999. с. 36.

41. Шепелев Г.В., Малов И.Е. Лазерные технологии обработки стекла. //Лазер информ: Науч информ. сб. /НТИУЦ ЛАС. М.: 1999. №1. с.30-34.

42. Шепелев Г.В., Шиганов И.Н., Малов И.Е. Раскрой листового стекла лучом твердотельного лазера // Сварочное производство, 2000. №6. с. 1217.

43. Новицки М. Лазеры в электронной технологии и обработке материалов: Пер. с польск. М.: Машиностроение, 1981. 152 с.

44. Метелкин И.И., Павлова H.A., Поздеева Н.В. Сварка керамики с металлами. М.: Металлургия, 1977. 166с., ил.

45. Новые материалы в технике / Под ред. Тростянской Е.Б., Колачева Б.А., Сильвестровича С.И. М.: Гостоптехиздат, 1962. 650 е., ил.

46. Прохоров H.H., Орлов A.C., Прохоров Н. Никол. Исследование свойств и применимости проб для оценки технологической прочности металлов в процессе кристаллизации при сварке / Сварочное производство. 1970. №12. с.13-18.

47. Прохоров H.H., Орлов A.C., О влиянии жесткости на сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке /Физики и химия обработки материалов. 1971, №2. с.36-39.

48. Чабуркин В.Ф., Лившиц Л.С., Орлов A.C. и др. Оценка Оценка склонности к образованию горячих трещин при сварке магистральных трубопроводов. / Сварочное производство. 1972. №2. с.18-23.

49. Винокуров В.А., Григорьянц А.Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1984.279 с. ил.

50. Махненко В.И., Расчетные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций. Киев: Наукова думка, 1976. 320 с.

51. Сварные конструкции: Прочность сварных соединений и деформации конструкции: Учеб. пособие для вузов. / Г.А. Николаев, С.А. Куркин, В.А. Винокуров. М.: Высш.шк., 1982. -272 с. ил.

52. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке: Учеб. пособие для машиностроит. вузов. М.: Машгиз, 1951. 296 с. ил.

53. Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения. Методы их устранения. М.: Машиностроение, 1968.235 с. с черт.

54. Прохоров H.H., Орлов A.C., Прохоров Н. Никол. Исследование деформаций в пробах, применяемых для оценки склонности металлов к горячим трещинам при сварке. / Сварочное производство, 1973. № 4. с. 17-22.

55. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн.4. Лазерная обработка неметаллических материалов.: Учеб. пособие для вузов / Григорьянц А.Г., Соколов A.A.; под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Высш. шк., 1988. 191 с. ил.

56. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/ NASTRAN for Windows. М.: ДМК Пресс., 2003.448 е., ил.

57. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости: Пер. с англ. М.И.

58. Рейтмана / Под ред. Г.С. Шапиро. М.: Наука, 1979. 560 с.j

59. Карслоу Г.И. и Егер Д. Теплопроводность твердых тел: Пер. со 2-го англ. Изд/ Под ред. A.A. Померанцева. М.: Наука, 1964. 467 с.

60. Малинин М.Н. Прикладная теория ползучести и пластичности. М.: Машиностроение, 1975. 400с., ил.

61. Разрушение. Т.7. Разрушение неметаллов и композиционных материалов. 4.1. Неорганические материалы (стекла, горные породы, композиты,керамика, лед): Пер. с англ./ Ред. Г. Лившиц. М.: Мир, 1976. 634 с.288

62. Griffith A.A. The phenomen of repture and flow in solids / Phil. Trans. Royal. Soc. of London, 1920, ser. A, v. 221, p. 1235 -1238.

63. Разрушение. T.2. Математические основы теории разрушения: Пер. с англ./Ред. Г. Либовиц. М.: Мир, 1975. 764 с.

64. Хеллан К. Введение в механику разрушения: Пер с англ.А.С. Крав-чука./Под ред. Е.М. Морозова. М.: Мир, 1988. 364 с.

65. Сегерлинд Л.Дж. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ. A.A. Шестакова / Под. ред. Б.Е. Победри. М.: Мир, 1979 - 392 с.

66. Метод конечных элементов в механике твердых тел. / Под ред.Сахарова A.C. и Альтенбаха И. Киев: Вища школа, 1982 и Лейпциг ФЕБ Фахбахфергал, 1982.

67. Галлагер Р. Метод конечных элементов: Основы: пер. с англ. В.М. Картвелишвили / Под ред. Н.В. Ваничук. М.: Мир, 1984. 428 с.

68. Солнцев С.С., Морозов Е.М. Разрушение стекла. М.: Машиностроение, 1978. 152 е., ил.

69. А.Н. Тихонов, В.Я. Арсенин. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1986. - 286 с.

70. Орлов A.C., Орлов H.A. Лазерная резка стеклянных трубок // Прогрессивные технологии в сварочном производстве: Межвузовский сборник научных трудов. / Воронеж., 1998. с.46-55.

71. Баренблатт Г.И. Математическая теория равновесных трещин, образующихся при хрупком разрушении// Прикл. Механ. И техн. Физ., 1961. №4. с. 19-22.

72. Монов М.Я., Панасюк В.В. Развитие мельчайших трещин в твердом теле // Прикладная механика. Т.5. 1955. №4. с. 17-19.

73. Kroenke W. J., The Research of Fracture Glass Fibre./ G. Cer. Soc., v.45. p.768-781.

74. Большов В.Ф., Гурьянов B.M., Мачулка Г.А., Муратов JT.П. Лазерная технологическая установка для резки профильного стекла // Квантовая электроника. 1971. №6. с.84-86.

75. A.A. Аппен, М.С. АслановаНюП. Амосов и др. Стекло: Справочник. Под ред. И.Н. Павлушина. М.:Стройиздат, 1973.487 с.

76. Гадалов В.И., Орлов A.C. Использование метода внутреннего трения для исследования материалов, подвергнутых лазерному облучению / Известия вузов СССР. Физика. 1983. №6. с. 41-43.

77. Орлов A.C. Термодеформационные процессы при термической резке тонкостенных цилиндрических стеклоизделий : Ростов на - Дону, Изд. Центр ДГТУ, 2004. 170 е., ил.

78. Орлов A.C. Термоупругие напряжения при термической резке цилиндрических полых стеклоизделий // Вестник ДГТУ. Технология машиностроения: Ростов-на-Дону, 2004. №2 (20). с. 179-182.

79. Орлов A.C. Моделирование процесса термической резки раскалыванием трубчатых стеклоизделий. / «Славяновские чтения. Сварка XXI век»: Сб. науч. трудов/Липецк, 2004. с. 571-578.

80. Финкель В.М. Физика разрушения. М.: Металлургия, 1970. 376 с.

81. Орлов A.C. Особенности теплового поля при термической резке цилиндрических полых стеклоизделий // Сварка и контроль 2004. /Сб. докладов Всеросс. с междунар. участием науч.-техн. конф.: Т.2. Теория сварки. Пермь, 2004. с. 256-260.

82. Орлов A.C., Орлов И.А. Особенности лазерной резки силикатных стекол. // Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка-97» : Материалы Росс, науч.-техн. конф. / Воронеж, 1997. с. 104-105.

83. Анищенко JI.H. Лавренюк С.Ю. Математические основы проектирования высокотемпературных технологических процессов. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, 1986. Проблемы науки и технического прогресса. 30 с.

84. Weitman P., Holloway J. Slow crack propogation in glass / J/ Phys. and Chem. Of Glasses, 1974. № 5, p. 1221-1223.

85. Лазерная техника и технология. В 7 кн. — Кн.2. Инженерные основы создания технологических лазеров: Учеб. пособие для вузов / B.C. Голубев, Ф.В. Лебедев. Под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Высш. шк., 1988. 176 е., ил.

86. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для вузов — изд. 6-е, пер. и доп. М.: Наука, гл. ред. физ-мат. литер., 1987. — 840 е., ил.

87. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисление: Учеб. пособие для вузов в 2-х томах. 13-е изд. М.: Наука, 1985. т.2. 560 с.

88. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов : Справочник / П.П. Рыкалин, A.A. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. М.: Наука. 1985. 496 с.

89. Брычков Ю.А. Маричев О.И., Прудников Ä.H. Таблицы неопределенных интегралов: Справочник. М.: Наука, 1986. 191 с.

90. B.C. Коваленко, В.В. Романенко, Л.М. Олещук. Малоотходные процессы резки лучом лазера. — Киев:- Технжа, 1987 — 112 с.

91. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений: Справочное пособие / Б.С. Касаткин, А.Б. Кудрин, И.М. Лобанов, Пив-торак В.А. и др. Киев: Наукова думка, 1981 - 583 с.

92. ГОСТ 26821-86. Посуда и декоративные изделия из натрий-кальций-силикатного стекла. Общие технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1986- 19 с.

93. ТУ 21-РСФСР-73-87. Емкость для сыпучих продуктов. М.: Гос-стройиздат, 1987-4 с.

94. A.c. СССР. № 1492594. Способ выбора оптимального режима лучевой обработки. / Тараев С.П., Кабалдин Ю.Г., Орлов A.C. и др. БИ № 20, 1989.

95. Наладка стекольных автоматов и полуавтоматов: Учеб. для ПТУ / В.М. Будов, Е.А. Чугунов, В.В. Янтарев. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 1986. - 254 е., ил.

96. Орлов A.C., Орлов И.А. Влияние возмущающих факторов на качество лазерной резки термораскалыванием цилиндрических стеклоизделий / Сварочное производство. 1995. №3. с.9-11.

97. Орлов A.C., Чадин B.C., Сирота A.C., Орлов И.А. Установка для лазерной обрезки трубчатых стеклоизделий // Материалы и упрочняющие технологии : Сб. трудов республиканской науч.-техн. конф. Курск. 1991. с. 121-126.

98. Орлов A.C., Чадин В.И,. Орлов И.А, Опытно-экспериментальная установка для лазерной резки термораскалыванием // Современные проблемы сварочной науки и техники : Материалы международной науч.-техн. конф / Ростов-на-Дону, 1993. с. 162-163.

99. Орлов A.C., Проскурин Д.К. Дистанционный анализ качества поверхностей после газотермического разделения материалов / Технология машиностроения. 2002. №2. с. 34-36.

100. Орлов А.С., Проскурин Д.К., Ожерельев И.В. Система позиционирования лазерным пучком на основе пространственного модулятора света // МАТИ-Сварка XXI век : Материалы науч.-техн. конф. /М.: МАТИ — РГТУ, 2003. с.137-140.

101. А.с. СССР. №1505381. Лазерная установка / соавторы С.П. Тара-ев, А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов и др, опубл.01.05.1989. БИ № 29. 1989.

102. A.c. СССР, №1426023. Устройство для обрезки ампул. / соавторы С.П. Тараев, A.C. Свиридов и др. / опубл. 22.05.1988. БИ № 28. 1988.

103. Аматуни А.Н., Малютина Т.И., Шевченко Е.Б., Трофимова Л.А. Термическое расширение некоторых марок электровакуумных стекол / Электронная техника. Серия 14. Материалы. Вып.5. (13). 1968.

104. Бартенев Г.М. Механические свойства и тепловая обработка стекла. М.: Госстройиздат, 1960. 166 с.

105. Мазурин О.В., Тотеш A.C., Стрельцина М.В., Швайко-Швайковская Т.П. Тепловое расширение стекла. М.-Л.: Наука, Ленингр. отд-ние, 1969. 375 с.

106. Самарский A.A. Теория разностных схем. М.: Наука, 1989. 614 с.

107. Гранино А. Корн, Тереза М. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы: Пер. со 2-го амер. перер. изд. И.Г. Арамановича и др. / Под общ. ред. И.Г. Арамановича. М.: Наука. 1984. 831 с.

108. Паркус Г. Неустановившиеся температурные напряжения: Пер. с нем. В.И. Розенблюма / Под ред. Г.С. Шапиро. М.: Физматгиз. 1963.252 с.

109. Миркин Л.И. Физические основы обработки материала лучами лазера. М.: Изд-во МГУ. 1975. 383 с.

110. Кондратенко B.C., Танасейчук A.C. Лазерное разделение труб изстекла С52-1. / Электронная техника. Сер. 7. ТОПиО. 1932. вып.6. с.5-6.294

111. Карташов Э.М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа. 1979. 415 с., ил.

112. Самарский A.A., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики: Учеб. пособие для вузов по спец. «Прикладная математика. 2-е изд.: испр. и доп. М.: Наука, 1990. 352 е., ил.

113. А.Г. Григорьянц, A.B. Захаров, A.M. Трофимов. Численное моделирование тепловых процессов при лазерной сварке с глубоким проплавле-нием. ИПМ им. М.В. Келдыша АН СССР, препринт № 154. 1984. 27с.

114. Temer M.J., Clough R.W., Martin N.C., Topp L.J. Stiffness and Def-fection Analisis of Complex Structures / J.Alronout Sei. 23. (1956). P. 805-824.

115. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. M.: Мир. 1975.462 с.

116. Бребия К., Уокер С. Применение метода граничных элементов в технике: Пер. с англ. Л.Г. Корнейчука / Под ред. Э.И. Триголюка. М.: Мир. 1982. 248 с.

117. Бенарджи П., Баттерфилд Р. Метод граничных элементов в прикладных науках: Пер. с англ. М.: Мир. 1984.494 е., ил.

118. Oden J.T., Branchli H.J. On the Calculation of Consistent Stress Distributions in Finit Element Approximations /Intern. J for Mumerical Methods in Engineering. №3 (1971). P. 317-325.

119. Сиратори M., Миеси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения: Пер. с японск. С.Л. Масленникова / Под ред. Е.М. Морозова. М.: Мир. 1936. 334 е.

120. Партон В.З. Осесимметричная температурная зависимость для пространства с дискообразной трещиной // Прикладная матем. и механика. 1972. т.36.№1.с.117-124.

121. Промышленное применение лазеров /Под ред. Г. Кебнера : Пер. с англ. АЛ. Смирнова / Под ред. И.В. Зуева. М.: Машиностроение, 1988. 280 е., ил.