автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Технология изготовления деталей из толстолистовой стали методом размерной лазерной резки

На правах рукописи

АНАНИН ВЯЧЕСЛАВ НИКОЛАЕВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

ИЗ ТОЛСТОЛИСТОВОЙ СТАЛИ МЕТОДОМ РАЗМЕРНОЙ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ

05.03.01 - технологии и оборудование механической и физико-технической обработки 05.07.02 - проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Казань 2009

003469395

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Катаев Юрий Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Закиров Ильдус Мухаметгалеевич, кандидат технических наук, доцент Панченко Владимир Иванович.

Ведущая организация: ОАО "Казанский вертолётный завод".

Защита состоится 28 мая 2009 г. В'15 часов на заседании диссертационного совета Д212.079.05 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу; ул. К. Маркса, д.Ю, г. Казань-111, 420111, (Факс: (843) 236-60-32)-, E-mail: ktnuiikstit-kai.ru:; сайт: http://www.kai.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

Автореферат разослан 27 апреля 2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

Снигирев В.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью внедрения в авиационную промышленность нашей страны технологий, соответствующих современному этапу научно-технического прогресса.

Лазерная технология, несомненно, относится к разряду современных технологий, ведь сегодня степень насыщения лазерным оборудованием для всех передовых промышленных стран стала одним из важнейших критериев индустриального развития. При этом роль флагмана в процессах освоения новых типов лазерного оборудования и технологий в промышленном производстве играет машиностроение. Это обусловлено, во-первых, общей лидирующей ролью этой отрасли в мировом научно-техническом прогрессе, а во-вторых, высочайшей технико-экономической эффективностью внедрения здесь лазерных технологий.

Значительную долю в производстве лазерной техники составляют лазерные технологические установки для обработки различных материалов - резки, сварки, сверления, маркировки, локального модифицирования поверхностного слоя. Характерными особенностями всех видов лазерной обработки являются высокие точность и качество обработки, высокие скорости обработки. Большой экономический эффект возникает за счет экономии материалов и энергоресурсов при сварке и резке, повышения производительности труда при сварке, размерной обработке и маркировке. Немаловажное значение приобретают вторичные эффекты, которые реализуются при использовании конструкций, изначально ориентированных на лазерные технологии, например, достижение большей прочности конструкции при одновременном снижении их металлоемкости. Преимуществами этой технологии также являются экологическая чистота, возможность осуществления процессов, недоступных большинству других технологий и возможность полной автоматизации. Всё это возможно благодаря особенностям лазерного излучения.

В нашей стране в авиационном производстве технология лазерной обработки практически не применяется. В этой связи акту-

альна задача внедрения технологии лазерного раскроя толстолистового материала.

Объектом исследования является технология обработки листовой стали толщиной более 10 мм методом лазерной резки и оборудование для её осуществления.

Целыо работы является разработка технологии и совершенствование оборудования на базе СО2 лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором с выходной мощностью излучения более 5 кВт для резки тол стол исто вой стали.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Анализ исследований в области технологии и современного оборудования для лазерной обработки и резки толстолистовой стали.

2. Разработка технологии резки листовой стали толщиной более 10 мм с использованием лазерного технологического оборудования на базе С02 лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором и выходной мощностью более 5 кВт.

3. Совершенствование конструкции лазера с целью увеличения мощности, повышения качества генерируемого излучения и разработка устройства для подачи вспомогательного газа для обеспечения данной технологии.

Методы исследований

Основные задачи работы решались на основе сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Теоретическая часть базировалась на теориях напряжённо-деформированного состояния, газодинамики, гидродинамики и нелинейной оптики.

Достоверность и обоснованность научных выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, обеспечивается их экспериментальной проверкой.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана технология резки толстолистовой стали с использованием СО2 лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором.

2. Установлено, что оптимизация конструкции разрядно-резонаторной камеры путём изменения степени секционированио-сти электродных элементов позволяет повысить мощность и надёжность работы лазера.

3. Установлено, что повышение степени увеличения неустойчивого резонатора ССЬ лазера с 2,2 до 2,5 приводит к увеличению производительности резки при тех же режимах питания разрядно-резонаторной камеры.

4. Установлено, что для резки толстолистового материала эффективно подавать вспомогательный газ через сверхзвуковые сопла с малой степенью нерасчётности непосредственно в зону резки.

Практическая ценность

1. Разработаны рекомендации и технология резки толстолистовых материалов с использованием излучения быстропроточного С02 лазера с неустойчивым резонатором.

2. Разработана методика расчёта величины термического коробления заготовок, получаемых размерной лазерной резкой, которая используется для проектирования технологического процесса резки.

3. Повышена производительность резки толстолистового металла в результате расчётной оптимизации оптической системы лазерного технологического комплекса на отсутствие аберраций и астигматизма, а также за счёт модернизации конструкции разряд-но-резонаторной камеры лазера.

4. Выполнено устройство для подачи вспомогательного газа в зону лазерной резки со сверхзвуковыми соплами, направленными непосредственно в зону резки, которое позволило осуществлять лазерную резку более эффективно по сравнению с другими устройствами данного типа.

Апробация работы

Результаты исследований доложены на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-07», опубликованы в трёх статьях в журнале «Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева» и отражены в трёх патентах и одной заявке, получившей положительное решение.

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных работах: трёх статьях в журнале, рекомендованном ВАК, и трёх патентах.

Реализация результатов работы

Материалы работы использованы для создания оборудования технологических комплексов ООО "Гиперболоид" и ОАО "КМПО" и переданы для использования в ОАО "КФ КБ Туполев".

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Технология резки толстолистовой стали с использованием С02 лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором.

2. Устройство для подачи вспомогательных газов при лазерной резке.

3. Результаты экспериментов по изменению степени увеличения неустойчивого резонатора СОг лазера.

4. Результаты экспериментов по увеличению степени секционированное™ катодной платы С02 лазера.

5. Методика расчёта величины термического коробления заготовок, получаемых размерной лазерной резкой.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объём работы 131 страница. Основной текст диссертации содержит 113 страниц машинописного текста, 38 формул, 73 рисунка и 22 таблицы. Список литературы содержит 52 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе приводится анализ состояния технологических процессов резки листового материала. Далее представлен обзор лазерного технологического оборудования, конструкции различных типов лазеров, их возможности в применении для резки толстолистовой стали.

Анализ показал, что в отечественной авиационной промышленности процесс внедрения лазерных технологий идёт медленнее, чем в других странах. Это притом, что в производстве авиационных двигателей в США, Японии и Германии - лазерная сварка и перфорация, резка и маркировка успешно применяются многие годы.

Предлагаемые на рынок зарубежными производителями лазерные технологические комплексы не обладают характеристиками, необходимыми для использования в авиационной промышленности. Они не обладают высокой мощностью, необходимой для выполнения широкого круга технологических задач. При их обслуживании, ремонте и переоборудовании необходимо привлекать зарубежных специалистов. Это увеличивает сроки ремонта, расходы на содержание и ограничивает возможности использования оборудования.

Применение лазера для технологии размерной резки толстых материалов накладывает повышенные требование к мощности и качеству генерируемого излучения. Существует два типа лазера, способных генерировать излучение высокого качества и повышенной мощности. Это волоконные лазеры с диодной накачкой и СО2 лазеры.

Разработками волоконных лазеров занимается американская фирма IPG, все разработки по оборудованию данного лазера защищены законом об авторских правах. К моменту написания работы не решён вопрос с коллимированием излучения нескольких секций генератора волоконного лазера, что необходимо для обеспечения повышенной мощности. А также не решён вопрос с фокусировкой излучения данного лазера для резки.

В нашей стране до 90-х годов прошлого века успешно велись разработки С02 лазеров, в том числе в области их технологического применения. Существуют очевидные перспективы развития конструкций лазерных технологических комплексов на базе СОг лазеров типа ЛИ для резки сталей толщиной более 10мм. Существуют перспективы развития систем накачки, средств слежения за качеством излучения, систем фокусировки излучения и систем подачи вспомогательных газов.

Сформулирована цель работы.

Во второй главе решаются вопросы увеличения выводной мощности ССЬ лазера, повышения оптического качества оптической системы технологического комплекса и повышения эффективности подачи вспомогательных газов в зону резки.

Для осуществления технологии резки толстолистовых сталей необходима высокая плотность мощности лазерного излучения. Плотность мощности зависит от мощности источника лазерного излучения и качества системы фокусировки и транспортировки излучения. Рассматривая быстропроточный С02 лазер с поперечной прокачкой рабочей смеси газов и неустойчивым резонатором имеется 2 направления повышения выводимой мощности лазерного излучения: совершенствование системы "накачки" лазерной смеси и совершенствование резонатора.

В первой части второй главы рассматривается совершенствование системы накачки генератора лазерного излучения ЛИ20-030 путём модернизации конструкции катодной платы разрядной камеры лазера. Модернизация заключается в увеличении степени секционированности платы путём увеличения количества электродов предионизационного ряда.

Для этого в диэлектрической плите выполняются отверстия для диэлектрических втулок. В диэлектрические втулки вставляются электродные элементы, выполненные в виде полых металлических стержней (рис. 1.)

На рабочей части стержней выполняется резьба для глухой гайки с эмиттерным участком. Внутренняя полость стержня содержит пластину, разделяющую полость на две части для втекающего и вытекающего потоков хладагента.

Рис.1 Разрез катодной платы в месте расположения электродного элемента: 1 - диэлектрическая плита; 2 - втулка из фторопласта; 3 - полый стержень; 4 - пластина для разделения потока хладагента; 5 - гайка с эмиттерной частью; 6 - уплотни-тельный элемент, 7 - трубка для подачи хладагента

На рабочей части стержней выполняется резьба для глухой гайки с эмиттерным участком. Внутренняя полость стержня содержит пластину, разделяющую полость на две части для втекающего и вытекающего потоков хладагента.

Во второй части проводилась экспериментальная проверка модернизированной разрядной камеры.

Данные, полученные путём снятия вольт-амперной характеристики разрядной камеры показали, что катодная плата с увеличенным в 2 раза количеством электродов на предионизационном ряде позволяет осуществить вложение на 18% большей мощности в рабочее тело - газ. Замер лучевой мощности показал, что данная модернизация позволила увеличить мощность выводимого лазерного излучения с 8,3 до 9,63 кВт (на 14 %) на двойной цепи и с 12,43 до 14,2 кВт (на 13%) на тройной цепи.

Вывод: имеется очевидная возможность увеличения мощности быстропроточного С02 лазера с самостоятельным тлеющим разрядом с поперечной прокачкой рабочей смеси газов путём увеличения степени секционированности электродных элементов. Однако при увеличении мощности возникает ряд проблем, которые

необходимо решать совместно для достижения положительного результата.

В третьей части главы приводится оптимизация параметров оптической системы лазерного технологического комплекса.

Применение лазера для резки толстолистовых сталей накладывает ряд условий к силовой оптике технологической системы. Самое главное из условий - использование зеркального объектива для фокусировки излучения. Причины применения зеркального объектива - повышенная мощность и большая апертура. Для обеспечения одномодового излучения большой мощности используется неустойчивый резонатор. Наличие неплоских поверхностей отражения в объективе и резонаторе лазера приводит к необходимости аберрационного расчёта при проектировании всей оптической системы.

Проводился расчёт с оптимизацией и экспериментальной проверкой оптической системы технологического комплекса на базе излучателя ЛИ20-030 с целью обеспечения минимальных сферических аберраций и наибольшей плотности мощности в фокусе объектива.

Расчёт проводился в три этапа. На первом этапе проводился расчёт резонаторов (рис.2).

Рис.2. Оптическая схема резонатора генератора ЛИ20-030

В качестве геометрических параметров системы задавались диаметры зеркал 1, 2 и 3, радиуса кривизны их отражающих по-

верхностей и расстояния между ними. После задания геометрических параметров проводилась оптимизация путём варьирования расстояний и радиусов кривизны оптических элементов для достижения наименьших значений аберраций.

Проводился расчёт резонаторов с увеличением М=2,2 и

На втором этапе проводился расчёт системы коллимирова-ния излучения (рис.3).

Расчёт проводился из условия компенсации зеркалом 3 астигматизма, вносимого в лазерный пучок зеркалами 1 и 2 (так как последние установлень! под углом к лазерному пучку). Компенсация астигматизма достигалась одновременным заданием определённого радиуса кривизны зеркала 3 и ориентацией его под заданным углом к лазерному пучку.

После этого рассчитывались и оптимизировались параметры фокусирующих объективов. Целью данного расчёта было опреде-

М=2,5.

¡А

А

Рис.3. Оптическая схема системы вывода и коллимирования установки ЛИ20-030

ление геометрических параметров отражателей объектива, при которых возможно получить наименьшее пятно фокусировки.

Расчёт и оптимизация параметров оптических элементов проводились в компьютерной программе 7ЕМАХ.

На основе выполненных расчётов были изготовлены отражатели лазерного технологического комплекса. Модернизация позволила увеличить производительность технологического комплекса на 10%.

В четвёртой части описана экспериментальная проверка влияния изменения степени увеличения резонатора на производительность резки и экспериментальная проверка резонатора со сплошным пучком.

Экспериментальным путём было установлено, что повышение степени увеличения неустойчивого резонатора СОг лазера с 2,2 до степени увеличения 2,5 позволило повысить производительность резки на 10%.

В пятой части второй главы рассматривается проектирование устройства подачи вспомогательного газа при газолазерной резке.

При осуществлении технологии лазерной резки толстолистовой стали для обеспечения оптимальных режимов процесса необходимо обеспечить эффективную подачу вспомогательного газа с учётом специфики задачи.

Для этого было необходимо разработать устройство, обеспечивающее эффективную резку в составе рассматриваемого в работе комплекса на базе лазера ЛИ20-030. . Основные требования, предъявляемые к устройству: обеспечение эффективной резки толстолистовой стали, возможность работать с зеркальным фокусирующим объективом в режиме, безопасном для отражающей поверхности фокусирующего зеркала объектива и возможность комбинировать состав режущего газа.

Рассмотрены устройства для подачи газов, содержащие сужающиеся и комбинированные сопла.

Выявлено, что при использовании сверхзвукового сопла, при обеспечении торможения сверхзвукового потока не в прямом скачке, а в системе косых скачков, возможно существенно снизить потери полного давления по сравнению с сужающимися соплами, где происходит торможение струи в прямом скачке уплотнения. Благо-

даря этому возможно получить положительный эффект от повышения давления вспомогательного газа перед соплом более 0,45 МПа, а также обеспечить эффективную работу сопла на расстоянии от обрабатываемой поверхности, обезопасив тем самым его от повреждений.

Разработано устройство (рис.4) содержащее корпус, конический патрубок для прохода лазерного излучения с заданным апер-турным углом. Вокруг конического патрубка расположены сопла, оси которых образуют угол с осыо объектива, для формирования сверхзвуковых струй с малой степенью нерасчётности. В патрубке выполнены кольцевые канавки с образованием полостей для распределения газа между соплами. Оси сопел пересечены с осью объектива в точке, являющейся точкой пересечения обрабатываемой поверхности с осыо фокусирующего объектива, с возможностью воздействия всей кинетической энергии сверхзвуковых струй на обрабатываемую поверхность.

Рис.4. Устройство для формирования струи смеси вспомогательных газов при лазерной резке: 1 - фокусирующий объектив; 2 - корпус; 3 - конический патрубок с отверстиями-соплами; 4 - полости для распределения газа между соплами; 5 - сопл а для формирования сверхзвуковых струй; 6- зона реза

В патрубке может быть две или несколько кольцевых канавок, образующих изолированные полости, для каждого газа от-

дельно, для подачи и смешения в зоне реза различных газов. Например, воздуха и кислорода.

Данное устройство работает следующим образом. Газы подаются в кольцевые полости 4, каждый газ, например воздух и кислород, в отдельную полость. В полости происходит распределение газов по сверхзвуковым соплам 5, в соплах газы ускоряются, направляются в зону реза и воздействуют на материал. Смешение газов происходит в зоне реза 6.

К преимуществам такой схемы подачи газов относятся низкий расход газа, хорошая энергетика струи на безопасном расстоянии от среза сопла и возможность осуществлять резку на инертном газе с добавлением кислорода. Больший по сравнению с прототипом кпд рабочей смеси газов обеспечивается за счёт исключения потерь, возникающих при развороте струи, и при торможении в прямом скачке уплотнения.

Также предложена схема подачи газа, использующая свойства вихревого потока (рис.5).

Рис.5. Устройство для формирования струи газов при лазерной резке, использующая свойства вихревого потока: 1 - фокусирующий объектив; 2 - корпус; 3 - конический патрубок; 4 - втулка; 5 - отверстия; 6-полость; 7- зона реза

Данное устройство придаёт потоку газа центробежную составляющую, обеспечивая высокую плотность потока. Высокая

плотность обусловлена вихревой структурой потока. Элемент газа, находящийся на внешней стороне вихря, стремится под действием внутреннего давления и центробежной силы оторваться, этому препятствует внешнее давление. Если внутренние силы превышают внешние, элемент газа отрывается от вихря, так как для газа никаких препятствий к тому нет. Сумма внутренних сил оставшегося в стенках газа меньше внешних или равна им. Последнее состояние является неустойчивым. Сжатие тела вихря давлением окружающей среды вызывает увеличение скорости вращения, причем внутреннее давление при этом падает, так что равновесие остается неустойчивым и вихрь продолжает сжиматься. Таким образом, газовый вихрь концентрирует в себе энергию окружающей среды, увеличивая проникающую способность газового потока, повышая эффективность устройства.

В шестой части представлен газодинамический расчёт устройства со сверхзвуковыми соплами, целью которого было определение параметров сопел, при которых получаются перерасширенные струи с небольшой степенью нерасчётности. Расчёт основывался на теории одномерного течения газа и осуществлялся с использованием газодинамических функций.

Схема расчёта показана на рис.6.

Рис.6. Схема расчёта геометрии сверхзвукового сопла:

Рк - давление в коллекторе резака. Рс - давление на срезе сопла, Ра - атмосферное давление, (1кр - критический диаметр сопла, с}ср - диаметр среза сопла

Выведена формула для определения с1ср\

^кр

0,994

пРа

0,4

пР„

N0,4

14,87

о,4 ^Уг

"¡'а

К?«

0,4

Из условия малой степени нерасчётности было принято п = 0,8 • Решено поддерживать давление в коллекторе резака равным Рк - 6 кг/см2. Рассчитан расход газа для сопел с критическими диаметрами 0,8 мм, 1мм, 1,2 мм, 1,4 мм и рассчитано количество сопел каждого номинала.

Из условия равномерного распределения сопел по окружности и технологичности изготовления детали, содержащей сопла, решено принять й =1 мм. Вычислено ёср= 1,9 мм.

В последней части главы проведены эксперименты по резке толстолистовой стали с использованием разработанного устройства. Устройство позволило повысить производительность резки толстолистовой стали примерно на 35%.

Третья глава посвящена разработке технологического процесса лазерной резки толстолистовых сталей. В главе рассматриваются зависимости технологических параметров лазерной резки, предлагается модель коробления материала при лазерной резке и приводятся рекомендации по составлению технологического процесса лазерной резки.

В первой части производится анализ моделей возникновения грата на кромках обрабатываемого материала.

Во второй части производится экспериментальная оценка соответствия данных моделей процессу возникновения грата при резке толстолистовых сталей с использованием исследуемого оборудования. Выведена экспериментальная зависимость величины грата от скорости резки на исследуемом технологическом оборудовании (рис.7).

400 800 1200 1600 Ы

Рис.7 Зависимость величины грата от скорости резания для двух толщин (крестиками показаны экспериментальные точки)

На рис.8 приведена экспериментальная зависимость шероховатости поверхности кромки от скорости резки С02 лазером с неустойчивым резонатором мощностью 15 кВт углеродистой стали СтЗ, с использованием в качестве вспомогательного газа воздуха.

Выявлено, что резка с кислородом даёт значительное увеличение производительности. Поэтому целесообразно использовать при резке углеродистых сталей кислород или воздух с повышенным содержанием кислорода. Соотношение необходимо определить под конкретный технологический процесс с учётом производительности и затрат на производство.

Рис.8. Зависимость шероховатости кромки от скорости резания

80 л

га

При резке нержавеющих сталей большой толщины предпочтительнее использовать в качестве вспомогательного газа воздух, или воздух с добавлением некоторого количества кислорода.

При резке с использованием кислорода в качестве вспомогательного газа, необходимо определить для различных металлов и толщин металлов нижний предел по скорости, ниже которого резка нежелательна.

В четвёртой части рассматривается модель процесса коробления листового материала при резке лазерным лучом. Предложенная математическая модель коробления учитывает характеристики материала, толщину металла и габариты вырезаемых заготовок. К характеристикам материала относятся коэффициент линейного расширения, напряжения предела пропорциональности и модуль упругости.

На основе анализа процессов, происходящих при резке, сделан вывод, что температурное поле по толщине заготовки в процессе резки неравномерное (рис.9).

Далее рассматривается деформация линейного элемента, которая представлена в виде нормальных напряжений.

Эти напряжения создают усилие Р, которое, в свою очередь, создаёт момент относительно нейтрального слоя заготовки (рис.10):

М = оЬк — (2)

Заготобка

Рис.9. Распределение зоны нагрева по толщине заготовки

Н - толщина разрезаемого материала Т - температура нагрева материала

Рис.10. Зона воздействия нормальных напряжений

Так как усилие Р прилагается только вдоль одной из граней вырезаемой заготовки, то изгиб происходит в двух плоскостях СС и Р (рис.11). Однако для упрощения расчётной схемы решено считать, что изгиб происходит в одной плоскости р .

Рис. 11. Изгиб заготовки (пунктиром показаны проекции заготовки на плоскости аир)

В общем случае распределение напряжений после изгиба носит характер, показанный на рис. 12.

Нейтральный слой

/

ШШ -Упругая зона

-Пластическая зона Рис.12. Распределение напряжений после изгиба заготовки: у - расстояние от нейтрального слоя до слоя, находящегося в пластическом состоянии

Выражение изгибающего момента через нормальные напря-

жения:

Н_ 2

М = 2В 1(Туус(у + 2В ^стпус1у,

(3)

У.

где: <ту - напряжения, не превышающие предел упругости, оп - напряжения, превосходящие предел упругости.

С использованием (2) и (3) получено уравнение:

я _ 1 1 О I ур

аЬИ— = 2ВЕ^~ + 2ВК 3 Р

(4)

п + 2

Используя это уравнение, зная размеры получаемых заготовок и параметры материала, можно вычислить кривизну изгиба.

С учётом дополнительных преобразований и с использованием экспериментальных данных получено уравнение:

Построены графики р = /(В) для двух марок сталей (рис.13).

Рис.13. Графики зависимости радиуса кривизны/? отрезаемых лазером полос от их ширины В для двух материалов: 1 - ЗОХГСА; 2 - СтЗ

Данная модель позволяет предварительно рассчитать предполагаемую величину термической деформации и на основе полученных данных проектировать технологический процесс резки.

Пятая часть главы посвящена определению оптимальных параметров технологического процесса лазерной резки.

Для исследования были выбраны следующие параметры процесса лазерной резки: плотность мощности лазерного излучения, давление вспомогательного газа и скорость резания.

В технологии лазерной резки лазерное излучение служит для нагрева материала до определённой температуры. Степень концен-трированности излучения определяется плотностью. Для исследуемого в работе технологического оборудования плотность мощности при выходной мощности лазера 10кВт составила 108 Вт/см2. Данной плотности мощности достаточно для нагрева стали до температуры плавления (теплота плавления стали 205 кДж/кг).

В качестве вспомогательного газа использовался воздух. Скорость резания связана с расходом вспомогательного газа через канал реза. Практически расход газа через канал реза сложно оценить, так как он является комбинированным параметром и зависит

от давления торможения газа на поверхности разрезаемого материала, ширины канала реза, формы канала, газодинамических особенностей процесса продувки. Параметром, который поддаётся регулировке, является давление Рк вспомогательного газа в коллекторе газолазерного резака. Пользуясь зависимостями данного параметра от параметров технологического процесса необходимо учитывать, что данные зависимости справедливы лишь при использовании конкретной конструкции газолазерного резака. Такие конструктивные элементы резака, как диаметры сечений сопел, подающих газ в зону реза, их форма и количество, объём внутренней камеры резака, давление газа на входе в резак, а также расстояние от среза сопла резака до обрабатываемого материала могут оказывать значительное влияние на параметры технологического процесса.

Получена экспериментальная зависимость скорости V резания от давления вспомогательного газа при использовании оборудования лазерного технологического комплекса ЛИ20-030. (рис.14.)

Рис.14. Зависимость скорости и от давления вспомогательного газа Рк при резке углеродистой стали СтЗ: 1 - толщина 1 мм; 2 - толщина 10мм. (крестиками показаны экспериментальные точки)

Из приведённого графика видно, что скорость резки в значительной мере зависит от давления вспомогательного газа. Для тонких металлов в данном случае ограничениями по скорости резки

являются возможности приводов в обеспечении точного позиционирования инструмента в процессе резки на большой скорости.

Скорость лазерной резки является важнейшим параметром и в значительной степени зависит от плотности мощности и давления вспомогательного газа. Скорость резания и связана с объемом металла, удаляемого в единицу времени к следующим соотношением:

где: ширина реза, Я-толщина заготовки.

Объём V удаляемого в единицу времени металла и ширина реза с! величины постоянные для выбранного оборудования.

При этих условиях зависимость (6) при резке углеродистой стали СтЗ представлена на рис. 15.

Максимальная произбодитЕльность

/ мм I

2 4 б в V Н(мм)

Рис.15. Зависимость скорости резки от толщины металла

При разрезании фолее толстого материала максимальная скорость резки была меньше. Уменьшение скорости объясняется тем, что при увеличении толщины обрабатываемого материала расход газа через канал реза при том же давлении в коллекторе резака резко падает за счёт увеличения газодинамического сопротивления канала и выдув расплава из зоны резания значительно ухудшается.

В этом случае для поддержания расхода необходимо увеличение давления газа или ширины канала реза.

Это объясняется тем, что при длительном воздействии источника тепла и кислорода происходит интенсивное оксидирование стенок канала, а за счёт этого снижается теплоотвод и увеличивается поглощательная способность. В результате резко возрастает температура оксидированных слоев и в определённый момент возможен переход к бесконтрольному горению — автогенному режиму.

Это приводит к изменению коэффициента — в функции и = /(/г).

с/

В случае использования в качестве вспомогательного газа кислорода переход к бесконтрольному горению происходит значительно раньше. Именно поэтому при резке нержавеющих сталей большой толщины . предпочтительнее использовать в качестве вспомогательного газа воздух.

Далее даны ряд рекомендаций, которых следует придерживаться для снижения деформаций при лазерной резке, а также рекомендации для определения скорости и траектории резки при составлении технологического процесса.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана модель коробления металла при резке лазерным лучом большой мощности. Определена кривизна полосы в зависимости от толщины разрезаемого металла, механических свойств металла и коэффициента линейного расширения.

2. На основании экспериментальных исследований, связанных с увеличением степени секционированности электродцой платы С02 лазера, удалось повысить мощность генерируемого излучения на 13 %. Получен патент на изобретение конструкции электродной платы.

3. Выполнены более совершенные расчёты оптической системы лазерного технологического комплекса, что позволило увеличить его производительность на 10 %. Экспериментальным путём установлено, что повышение степени увеличения неустой-

чивого резонатора С02 лазера с 2,2 до степени увеличения 2,5 позволяет повысить производительность резки на 10%.

4. На основании экспериментального исследования двух схем подачи газа в зону резки при газолазерной резке с использованием С02 лазера спроектировано новое устройство подачи газа, которое позволяет повысить производительность резки примерно на 35%. Получен патент на полезную модель устройства подачи вспомогательного газа в зону резки.

5. Разработаны рекомендации по составлению технологического процесса лазерной резки толстолистовых сталей на исследуемом лазерном технологическом комплексе.

6. Отработан технологический процесс резки сталей толщиной свыше 10 мм с использованием лазерного технологического оборудования на базе быстропроточного СОг лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Анании В.К, Катаев Ю.П. Модернизация лазерного технологического комплекса для резки листового металла толщиной более 10мм. Вестник КГТУ им Туполева - Казань, Изд. КГТУ №4, 2007г., с. 11-13.

2. Ананин В.Н. Коробление листового металла при резке лазерным лучом. Вестник КГТУ им Туполева - Казань, Изд. КГТУ №1, 2008г, с.25-27.

3. Ананин В.Н., Катаев Ю.П. Зависимость качества и производительности лазерной резки от технологических параметров процесса. Вестник КГТУ им Туполева - Казань, Изд. КГТУ №2, 2008 г., с. 19-21.

4. Ананин В.Н. Особенности резки легированных сталей. Материалы Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и

энергетики «АНТЭ-07» - Казань, Изд. КГТУ Том I, 2007г., с. 216221.

5. Патент №2344527 от 20.01.2009 на изобретение №2007132434 «Электродная плата быстропроточного лазера с поперечной прокачкой газа», автор Анании В.Н.

6. Патент №79825 от 20.01.2009 на полезную модель №2008106806 «Устройство для газолазерной резки материалов», авторы Ананин В.Н., Катаев Ю.П.

1. Патент №75343 от 10.08.2008 на полезную модель №2008106809 «Устройство для газолазерной резки материалов», авторы Ананин В.Н., Катаев Ю.П.

Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,5. Усл.печ. л. 1,39. Усл.кр.-отг. 1.39. Уч. изд. л. 1,03.

_ Тираж 100. Заказ MIO 1,_

Типография Издательства Казанского государственного

технического университета 420111, Казань, К.Маркса, 10

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПУТИ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ РАЗМЕРНОЙ РЕЗКИ ТОЛСТОЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА.

1.1 Анализ состояния технологических процессов резки листового материала.

1.2 Конструкция и характеристики лазерных установок для резки листового материала.

Выводы по главе.

1.3 Задачи работы.

Глава 2. МОДЕРНИЗАЦИЯ ЛАЗЕРНОГО

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ РЕЗКИ ТОЛСТОЛИСТОВОЙ СТАЛИ.

2.1 Совершенствование конструкции разрядной камеры

2.2 Экспериментальная проверка модернизированной разрядной камеры.

2.3 Оптимизация параметров оптической системы лазерного технологического комплекса.

2.4 Экспериментальная проверка резонатора со сплошным пучком и резонатора с увеличением М=2,5.

2.5 Проектирование устройства подачи вспомогательного газа при газолазерной резке.

2.6 Определение параметров сверхзвуковых сопел устройства подачи вспомогательного газа при газолазерной резке.

2.7 Экспериментальная проверка устройств подачи вспомогательного газа при газолазерной резке.

Выводы по главе.

Глава 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ ТОЛСТОЛИСТОВЫХ СТАЛЕЙ.

3.1 Влияние параметров процесса резки на гратообразование.

3.2 Экспериментальная проверка зависимости величины грата от скорости резки.^

3.3 Влияние параметров процесса резки на чистоту поверхности кромки реза.

3.4 Расчёт коробления деталей, получаемых лазерной размерной резкой.

3.5 Составление технологического процесса лазерной резки.

Выводы по главе.

Глава 4. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.

Результаты работы.

Актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью внедрения в авиационную промышленность нашей страны технологий, соответствующих современному этапу научно-технического прогресса.

Главная черта данного этапа это применение в народном хозяйстве принципиально новых технологий, основанных на последних научных достижениях. Возникновение и развитие новых отраслей техники, таких как нанотехнологии, биомедицина, информатика, а также дальнейшее развитие традиционных отраслей машиностроения часто просто невозможны без применения принципиально новых технологий обработки материалов и изготовления изделий. Основные требования к новым технологиям в настоящее время заключаются, прежде всего, в их экологической чистоте, энергетической и ресурсной экономичности, полной автоматизации при высокой производительности и максимальном экономическом эффекте.

Лазерная технология, несомненно, относится к разряду современных технологий, ведь сегодня степень насыщения лазерным оборудованием для всех передовых промышленных стран стала одним из важнейших критериев индустриального развития. При этом роль флагмана в процессах освоения новых типов лазерного оборудования и технологий в промышленном производстве играет машиностроение. Это обусловлено, во-первых, общей лидирующей ролью этой отрасли в мировом научно-техническом прогрессе, а во-вторых, высочайшей технико-экономической эффективностью внедрения здесь лазерных технологий.

Значительную долю в производстве лазерной техники составляют лазерные технологические установки для обработки различных материалов -резки, сварки, сверления, маркировки, локального модифицирования поверхностного слоя. В основе использования лазерных технологий в первую очередь лежит экономическая выгода, которая проявляется через снижение стоимости технологического процесса и через более высокие потребительские качества продукции. Характерными особенностями всех видов лазерной обработки являются высокие точность и качество обработки, высокие скорости обработки. Большой экономический эффект возникает за счет экономии материалов и энергоресурсов при сварке и резке, повышения производительности труда при сварке, размерной обработке и маркировке. Немаловажное значение приобретают вторичные эффекты, которые реализуются при использовании конструкций, изначально ориентированных на лазерные технологии, например, достижение большей прочности конструкции при одновременном снижении их металлоемкости. Преимуществами этой технологии также являются экологическая чистота, возможность осуществления процессов, недоступных большинству других технологий и возможность полной автоматизации. Всё это возможно благодаря особенностям лазерного излучения.

В нашей стране в авиационном производстве технология лазерной обработки практически не применяется. Это обусловлено, в основном, отсутствием отечественных лазерных технологических установок, отвечающих требованиям авиационного производства, необходимостью сертификации подобного оборудования.

Целью работы является разработка технологии резки листовой стали толщиной более 10 мм с использованием С02 лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором с выходной мощностью излучения более 5 кВт.

Методы исследования. Основные задачи работы решались на основе сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Теоретическая часть базировалась на аппаратах теории гидродинамики, нелинейной оптики и теории напряжённо-деформированного состояния.

Теоретические расчёты оптической системы лазерного технологического комплекса проводились на основе аналитической модели, учитывающей аберрации и астигматизм оптических систем. Численный расчёт проводился с использованием специализированного пакета программ для расчёта оптических систем. Для определения вероятной температурной деформации заготовок использована модель, основанная на уравнениях напряжённо-деформированного состояния материала. Оценка вероятности образования грата на кромках получаемых деталей проведена из предположения распространения законов гидродинамики на течение расплавленного металла.

Экспериментальный метод исследования работы лазера состоял в снятии вольт-амперных характеристик разрядно-резонаторной камеры. Замер токов и напряжений при этом производился стандартными измерительными приборами - амперметром и вольтметром.

Для определения режимов лазерной резки проводился замер лучевой мощности СО2 лазера прибором COMET. Контроль скорости лазерной резки проводился системой числового программного управления типа FMS-3000.

Научная новизна работы.

Разработана технология резки толстолистовой стали с использованием С02 лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором.

Для этого проведены работы по увеличению выходной мощности лазерного излучения рассматриваемого лазера, совершенствованию оптической системы технологического комплекса и повышению эффективности устройства для подачи вспомогательных газов в зону резки.

Установлено, что оптимизация конструкции разрядно-резонаторной камеры путём изменения степени секционированности электродных элементов позволяет повысить мощность и надёжность работы лазера.

Повышение степени увеличения неустойчивого резонатора С02 лазера с 2,2 до 2,5 приводит к увеличению производительности резки при тех же режимах питания разрядно-резонаторной камеры.

Установлено, что для резки толстолистового материала эффективно подавать вспомогательный газ через сверхзвуковые сопла с малой степенью нерасчётности, непосредственно в зону резки.

Практическая ценность работы. Расчётная оптимизация оптической системы лазерного технологического комплекса на отсутствие аберраций и астигматизма позволяет повысить уровень производительности резки толстолистовых металлов.

Устройство для подачи вспомогательного газа в зону лазерной резки со сверхзвуковыми соплами, направленными непосредственно в зону резки позволяет осуществлять лазерную резку более эффективно по сравнению с другими устройствами данного типа.

Разработана модель термического коробления заготовок, получаемых размерной лазерной резкой.

Разработана технология резки толстолистовых материалов с использованием излучения быстропроточного СО2 лазера с неустойчивым резонатором.

Реализация результатов работы. Разработанная технология и оборудование прошли опытно-промышленное апробирование и внедрение на ООО "Гиперболоид", ОАО "КМПО" и ОАО "КЭМЗ".

Результаты работы

1. Разработана модель коробления металла при резке лазерным лучом большой мощности. Определена кривизна полосы в зависимости от толщины разрезаемого металла, механических свойств металла и коэффициента линейного расширения.

2. На основании экспериментальных исследований, связанных с увеличением степени секционированности электродной платы СОг лазера, удалось повысить мощность генерируемого излучения на 13 %. Получен патент на изобретение конструкции электродной платы.

3. Выполнены более совершенные расчёты оптической системы лазерного технологического комплекса, что позволило увеличить его производительность на 10 %. Экспериментальным путём установлено, что повышение степени увеличения неустойчивого резонатора СОг лазера с 2,2 до степени увеличения 2,5 позволяет повысить производительность резки на 10%.

4. На основании экспериментального исследования двух схем подачи газа в зону резки при газолазерной резке с использованием СОг лазера спроектировано новое устройство подачи газа, которое позволяет повысить производительность резки на 35%. Получен патент на полезную модель устройства подачи вспомогательного газа в зону резки.

5. Разработаны рекомендации по составлению технологического процесса лазерной резки толстолистовых сталей на исследуемом лазерном технологическом комплексе.

6. Отработан технологический процесс резки сталей толщиной свыше 10 мм с использованием лазерного технологического оборудования на базе быстропроточного С02 лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором.

1. Кинкэйд К., С.Дж.Андерсон. Лазерный рынок в 2003 г. вырос на 15%. Обзор и прогноз. Часть 1. Недиодные лазеры // Лазер-Информ.-М.: ЛАС.-2004, N 8 (287). С. 1-11.

2. Li L.J., Mazumder J. Energy efficient laser machining // Proc. 2nd Int. Conf. Lasers Manuf., Birmingham, 26-28 March, 1985. P.23-26.

3. Гаврюшенко Б.С., Окоров Л.В., Рыкалин H.H. Лазерно-механическое резание металлов.- Физика и химия обработки металлов.-1985,- N 2.- С.4-7.

4. Die Kombination macht's // Produktion.- 1997.- 36, N 36. C.53.

5. Скрипченко А.И., Бойко C.B. Многопостовая лазерная технологическая система с транспортировкой излучения по общей оптической шине // Технология судостроения.- 1988.-N 8. С.17-21.

6. Справочник Технологические лазеры под ред. Г.А. Абильсиитова 1 том, М: Машиностроение, 1991 г. 432 с.

7. Грищенко Л.В., Козлов A.B., Скрипченко А.И. Прогнозирование развитьия лазерных сварочных и обрабатывающих систем в судостроении // Судостроительная промышленность. Серия: СВАРКА.-1986, вып.2. С.3-9.

8. Скрипченко В.И., Скрипченко А.И., Григорьев C.B. Принципы создания и развития лазерных обрабатывающих систем в машиностроении // Вестник машиностроения.- 1988.-N 10. С.35-38.

9. Газовые лазеры: Перев. с англ. / Под ред. И.Мак-Даниэля и У.Нигэна.- М.: Мир.-1986. 552 с.

10. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов: Пер. с англ. /М.: Мир.-1986. 504 с.

11. Физический механизм глубокого проплавления при лазерной сварке металлов / Н.Г.Басов, С.Г.Горный, В.А.Данилычев и др. // Письма в ЖТФ.-1985.- 11, №21. С.1337-1341.

12. Weber J. Laser Offers Key Economies in Heavy Section Welding // Welding Journal.-1983.-N 2. P.23-26.

13. Игнатов А.Г., Суздалев И.В. Состояние и перспективы применения лазерного технологического оборудования // Судостроительная промышленность. Серия: СВАРКА.-1989, вып.7. С.3-18.

14. Лазерная сварка со сквозным проплавлением сталей различных классов / А.Г.Игнатов, А.В.Козлов, А.И.Скрипченко и др. // Автоматическая сварка.1987, N9. С.26-29.

15. Отчёт. Анализ технологии лазерной резки и сварки излучением большой мощности. Экспертная оценка качества излучения и узлов технологической оснастки, оптической системы ЛТК "Исеть" / А.Г.Игнатов, Ю.Я.Усанов // СПб.: ЛИЦМНТГКНТ.- 1991. 163 с.

16. Лазерное технологическое оборудование для обработки материалов /

17. A.Г.Игнатов, А.В.Козлов, А.И.Скрипченко, Г.А.Соловьёв.-Л.: ЦНИИ РУМБ.1988. 118 с.

18. Отчёт. Лазерное технологическое оборудование для обработки материалов в СССР и за рубежом / Обзор // А.Г.Игнатов, А.И.Скрипченко,

19. B.ИЛукьянов, и др.- Л.:ЛазерИнформ.-1989. 225 с.

20. Проспекты фирм ESAB, Messer Griesheim, Trumpf, Rofïn-Sinar.

21. Косырев Ф.К., Косырева Н.П., Лунев Е.И. Экспериментальная установка ЛТ-1 // Автоматическая сварка.- 1976.- N 9. С.72.

22. Андрияхин В.М., Герб В.Я., Косарев Ф.К. Оптимизация режимов работы лазерной технологической установки ЛТ-1-2 // Сварочное производство.-19084.-N5. СЛ8-19.

23. Лазерная технологическая установка "Ижора-20". Технический отчёт Г-5644-86. Л.: НИИЭФА., 1986.

24. Технологический лазер "Титан". Технический отчёт У 88419.-Л.:НИИЭФА.- 1988. 58 с.

25. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Лазерная техника и технология // Кн.З. Методы поверхностной лазерной обработки.- М.: Высшая школа,- 1987. 191с.

26. ГОСТ 15093-75. Изделия квантовой электроники. Лазеры и устройства управления лазерным излучением. Термины и определения.

27. Mazumder I. Laser Welding State of the art review // Journal of Metals.-1982.-32, N7. P. 16-24.

28. Справочник по лазерам / Под ред. А.М.Прохорова.- Т.1,2.-М.: Советское радио.- 1978. 800 с.

29. Голубев B.C., Лебедев Ф.В. Лазерная техника и технологии //Кн.1. Физические основы технологических лазеров.- М.:Высшая школа.- 1987. 191с.

30. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.:Наука. 1979. 328 с.

31. Гаращук В.П. Требования к параметрам светового пучка СО2 — лазера в сварочных установках // Автоматическая сварка.- 1980. -№ 2. С.49-52.

32. Андерсен Дж. Газодийамические лазеры. Введение: Пер. с англ.-М.:Мир.-1979. 202 с.

33. Борн М., Вольф Э. Основы оптики.-М.:Наука.- 1970. 720 с.

34. Olsen F/О/ Investigations in Optimizing the Laser Cutting Process // Laser in Materials Processing.- Amsterdam.- 1983. P.64-80.

35. Заявка 61-126989, Япония.- Опубл.- 14.06.86 г.

36. Голубев B.C., Лебедев Ф.В. Лазерная техника и технологии // Кн.2. Инженерные основы создания технологических лазеров.- М.:Высшая школа.-1988. 176 с.

37. Требования к технологическим лазерам для резки металлов / Н.С.Талала, Ю.А.Благоверов, В.А.Бровинский, А.А.Мильто // Технология судостроения.-1985.-№4., С.8-11.

38. Леонтьев П.А., Чеканова Н.Т., Хан М.Г. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов.- М. :Металлургия.- 1986. 142 с.

39. А.Г.Григорьянц Основы лазерной обработки материалов. — М.: Машиностроение. 1989г. 304с.

40. Ананин В.Н. Патент №2344527 от 20.01.2009 изобретение №2007132434 «Электродная плата быстропроточного лазера с поперечной прокачкой газа».

41. Ананин В.Н., Катаев Ю.П. Модернизация лазерного технологического комплекса для резки листового металла толщиной более 10мм. Вестник КГТУ им Туполева. №4 2007г., С. 11-13.

42. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука. - 1976. 888с.

43. Панченко В.И., Смородин Ф.К. Выбор параметров и режимов работы сопел для газолазерной резки. Изв.вузов. Авиационная техника. №2. 1992 г.,

44. Ананин В.Н., Катаев Ю.П. Патент №75343 от 10.08.2008 на полезную модель №2008106809 «Устройство для газолазерной резки материалов».

45. Ананин В.Н., Катаев Ю.П. Патент №79825 от 20.01.2009 полезную модель №2008106806 «Устройство для газолазерной резки материалов».

46. Чжен П. Отрывные течения: В 3 т./ Пер. с англ. М.: Мир -1972. Т. 1. 300 с.

47. Н.В.Карлов, Н.А.Кириченко, Б.С.Лукъянчук. Лазерная термохимия. М.: Наука 1992,2115 с.

48. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Механика жидкостей. -М.:Мир. 1971. 452 с.

49. Ананин В.Н., Катаев Ю.П. Зависимость качества и производительности лазерной резки от технологических параметров процесса. Вестник КГТУ им. Туполева. №2 2008 г., С. 19-21.

50. Коваленко B.C., Романенко В.В., Олещук Л.М. Малоотходные процессы резки лучом лазера. Киев: Техника. 1987. 112 с.

51. Ананин В.Н. Коробление листового металла при резке лазерным лучом. Вестник КГТУ им Туполева. №1, 2008г, С.25-27.

52. Косырев Ф.К., Косырева Н.П., Лунев Е.И. Экспериментальная лазерная установка ЛТ-1 Автоматическая сварка 9, С.72-73.1. С .54-57.