Металлургические машины и оборудование расчет основных параметров лазерного технологического оборудования. Учебное пособие

Рис. 3.15. Сквозное отверстие с завышенным фокусом

На форму сквозных отверстий существенное влияние оказывает величина энергии излучения. При постоянном положении фокуса изменение энергии излучения вызывает изменение конусности обра- батываемого отверстия.

3.7. Лазерная разделительная резка материалов

Данные табл. 3.6–3.8 позволяют создать представление о пара- метрах резки и реза при лазерной обработке материалов различной толщины и различными лазерами.

Таблица 3.6

Ориентировочные скорости газолазерной резки излучением непрерывного СО2-лазера

Таблица 3.7

Результаты резки нержавеющей стали излучением непрерывного Nd:YAG-лазера

3.8.Определение технических требований

кпроцессу и инструменту при лазерной обработке

Формулы (3.8) – (3.10) и данные табл. 3.1 позволяют определиться с интервалом необходимой для решения технологической задачи об- работки конкретного материала плотности мощности. Посмотрим, как от найденных приемлемых значений плотности мощности для нужной технологической операции можно перейти к значениям не- обходимой мощности лазерного источника. Другими словами, как выбрать лазер.

Для этого вспомним, каким образом плотность мощности воздей- ствующего лазерного излучения связана с параметрами лазерного излучения.

62

Рср = fEимп,

имеем

q = 4Рср/τπfF2θ2.

Решим последнее уравнение относительно средней мощности (имея в виду, что величина плотности мощности нам известна из табл. 3.1):

Зная из опыта, что фокусное расстояние обычно имеет значение в диапазоне 100...400 мм, а расходимость 0,1...1 мрад, из формулы (3.20) получим четкий диапазон приемлемых уровней средней мощ- ности лазерного источника.

Следует заметить, что в конечной формуле (3.20) не учитывалось отражение материала на рабочей длине волны лазера. Такой учет не- много видоизменит формулу:

63

Чем больше коэффициент отражения материалом излучения, тем необходимее лазер большей исходной мощности. Стоимость лазеров одного типа (работающих на одинаковой активной среде) пропор- циональна его мощности. Стоимость лазеров из различных спек- тральных диапазонов может отличаться на сотни процентов. Самые дешевые лазеры ИК-диапазона. Видимые лазеры дороже. Самые до- рогие лазеры УФ-диапазона. Необходим компромисс. Из табл. П10 (см. прил.) можно выбрать конкретную модель и тип лазера, выяс- нить габаритные и посадочные размеры. Имея эти данные лазерного источника можно приступать к конструированию лазерного техноло- гического оборудования (ЛТО).

Выбор модели лазера

Исходные данные:

•известен материал, который будет подвергнут обработке;

•известен характер технологической операции. Рассмотрим этапы выбора типа и модели лазера.

1. По справочной литературе подбираем оптические и теплофизи-

ческие характеристики материала.

2.Выбираем спектральные диапазоны поглощения материала.

3.Выбираем тип лазера, генерация которого происходит в вы- бранных в п. 2 диапазонах.

4.Предпочтение отдаем типу лазера с большей длиной волны ге- нерации.

5.На основе характеристик материала рассчитываем критические плотности мощности материала по формулам (3.8)–(3.10) и данным табл. 3.1.

6.Характер технологической операции позволяет определить диа- пазон приемлемых плотностей мощности для нашей технологиче- ской операции.

7.По формуле (3.21) рассчитаем необходимую среднюю мощ- ность лазерного источника.

8.По линейке моделей выбранного типа лазера выбирем модель с определенной в п. 7 мощностью.

Как видно из табл. П4 (см. прил.), отражение ИК-излучения от большинства металлов превышает 90 %. Избежать расточительного использования лазерной энергии и связанных с ее получением затрат позволяет использование специальных поглощающих покрытий.

64

3.9. Поглощающие покрытия

Лазерная закалка осуществляется, как правило, без оплавления поверхностного слоя. Интенсивность излучения в зоне закалки со- ставляет 108...104 Вт/см2, а время локального воздействия обычно лежит в пределах 0,01...1 с. При этом приповерхностной плазмы нет; заметные оксидные пленки, имеющие большое поглощение, не успе- вают вырасти. Поверхности реальных металлов с определенной шеро- ховатостью, покрытые неоднородным слоем загрязнений, эмульсии, масла, окалины, имеют невысокую и сильно колеблющуюся погло- щательную способность A (обычно для λ = 10,6 мкм А лежит в диапа- зоне 5...15 %). Малое поглощение металлами излучения СО2-лазеров сильно снижает технологическую эффективность, производитель- ность и экономическую целесообразность лазерной закалки. Наконец, нестабильность поглощательной способности вообще не позволяет обеспечить требуемую повторяемость результатов обработки.

Сделать поглощательную способность высокой и стабильной по- могают специальные поглощающие покрытия, наносимые на поверх- ность металла. Выбор поглощающих покрытий для термообработки обусловлен рядом требований: температурная стойкость, высокий ко- эффициент поглощения лазерного излучения вплоть до температуры плавления металла, хорошая адгезия с металлом, высокая тепло- проводность, простота нанесения и удаления (если это необходимо), однородность и контролируемость толщины, нетоксичность покры- тий и продуктов их термического разложения, низкая стоимость, доступность (табл. 3.9, 3.10).

Таблица 3.9

Влияние поглощающих покрытий (1кВт, СО2-лазер, скорость сканирования 1,5 м/мин, чугун СЧ21)

65

Невозможно подобрать одно вещество, в полной мере удовлетво- ряющее всем перечисленным требованиям, поэтому в последнее время переходят от простых, но недостаточно эффективных поглощающих покрытий, к сложным. В этих многокомпонентных покрытиях каж- дый составной элемент предназначен для выполнения своей опреде- ленной функции.

Существуют различные способы определения эффективности по- глощающих покрытий: фотометрические методы измерения коэффи- циента отражения R = 1 – А; калориметрические методы нахождения поглощательной способности А; сравнительные металлографические исследования образцов с различными поглощающими покрытиями, прошедших лазерную обработку в одинаковых условиях. Одними из первых в практике лазерной закалки железоуглеродистых сплавов нашли применение химические фосфатные покрытия Мn3(РО4)2 или Zn3(РО4)2. Их поглощательная способность для λ = 10,6 мкм изменяет- ся от 90 до 55 % при увеличении температуры от 20 °С до температу- ры плавления железа ~1500 °С. Фосфатные покрытия, наносимые на деталь при погружении в раствор, покрывают всю ее поверхность. Важными преимуществами использования фосфатных покрытий яв- ляются: отработанный в промышленности технологический процесс их нанесения, контролируемость толщины по времени процесса нанесения, однородность слоя. Однако фосфатные покрытия ухудшают шероховатость поверхности, являются трудноудалимы- ми и не всегда могут быть нанесены на локальный участок детали.

Оксидные пленки толщиной в несколько микрометров, нанесен- ные химическими методами (Fe3O4 – при воронении стали, А12О3 – при анодировании алюминия) повышали поглощательную способ-

66

ность до 50 %. Поглощательная способность сульфидного покры- тия Fe2S3 на стали невысока (20...40 %). Кроме того, температурная стойкости этого покрытия низка.

Противоречивые данные имеются в отношении углеродистых покрытий на основе графита и сажи. Эффективность их невысока.

Изучение пригодности для лазерной закалки существующих лако- красочных материалов и композиций показало, что наиболее подхо- дящими являются цветные гуаши. Их высокое поглощение обусловле- но оксидами различных металлов, входящими в состав красок. Отме- тим малую адгезию гуаши с металлами, недостаточную технологич- ность и экономичность их использования для лазерной закалки.

В качестве поглощающих покрытий можно использовать эмалевые покрытия на основе различных оксидов. Грунтовая эмаль при толщи- не 20 мкм обеспечивает поглощение 80 % падающей энергии. При нагреве лазерным излучением эмаль плавится, образует капли и растекается по поверхности металла. После лазерной обработки эмаль с закаленной зоны можно удалить механическими методами.

Перспективными являются водорастворимые полимерные покры- тия, разработанные специально для лазерного упрочнения.

Изучены характеристики и взаимовлияние разнообразных свя- зующих, пленкообразователей, модификаторов, поглощающих пиг- ментов и наполнителей, поверхностно-активных веществ, пластифи- каторов. Разработанные покрытия дешевы, нетоксичны, не горят и не выделяют копоть при лазерном нагреве, легко наносятся на ме- таллы различными, хорошо отработанными методами: погружением, пневмораспылением, обливом; окраской кистью, валиком и т.п.; имеют высокое поглощение и обеспечивают хорошее качество уп- рочненной поверхности.

67

4. ЛАЗЕРНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

4.1. Состав лазерного оборудования

Универсальные свойства лазерного излучения позволяют осуще- ствлять широкий спектр технологических операций в машинострое- нии. Оборудование для выполнения этих операций может быть раз- лично как по составу, так и по назначению. В настоящее время нет четких классификационных систем лазерного технологического обо- рудования. По составу лазерное технологическое оборудование мо- жет быть: технологическим лазером (ТЛ), лазерной технологической установкой (ЛТУ), лазерным технологическим комплексом (ЛТК).

Осуществление большинства операций невозможно без использо- вания вспомогательной технологической оснастки (ВТО).

Технологический лазер – это источник лазерного излучения, соот- ветствующий заданным техническим требованиям с необходимым комплектом запасных частей. Технологическое назначение лазера и основные характеристики определяет заказчик исходя из условий производства. ТЛ является основным компонентом лазерного техно- логического оборудования, хотя самостоятельно в промышленности практически не применяется.

Лазерная технологическая установка – это технологический лазер с внешним оптическим трактом, комплектом внешней оптики и со- ответствующим числом запасных частей. В некоторых случаях в ЛТУ имеется манипулятор изделий, работа которого не связана с ра- ботой технологического лазера. ЛТУ предназначены в основном для создания специализированных комплексов на предприятиях заказчи- ка. Технические требования к внешней оптике определяются обычно совместно заказчиком и изготовителем.

Лазерный технологический комплекс – это ЛТУ, снабженная ма- нипулятором изделия или оптики, ВТО и общей системой управле- ния для проведения технологических операций. Все части ЛТК функционально связаны между собой для выполнения технологиче- ского процесса. Практически, только при наличии ЛТК можно ус- пешно выполнять те или иные технологические операции в доста- точном объеме. В случае применения автоматизированного манипу- лятора изделия или оптики и наличия соответствующих систем связи между системами управления манипулятором и лазером комплекс

68

считается автоматизированным технологическим комплексом (АЛТК).

По назначению и способности выполнять то или иное число опе- раций лазерное технологическое оборудование принято делить на универсальное, специализированное, специальное. Соответственно этому, оно используется в мелком, серийном, массовом производстве.

Специализированный ЛТК создается на основе одного отработан- ного технологического процесса при обработке одной детали и пред- назначен для предприятий, выпускающих ограниченную номенкла- туру изделий крупными сериями. При смене технологического про- цесса большая часть такого оборудования, в частности манипулятор изделия или оптики, подлежит замене.

Специальные ЛТК создаются для решения специальных единич- ных крупных задач, возможно разового исполнения.

Универсальные ЛТК и АЛТК являются общепромышленнным оборудованием и предназначены для выполнения целого ряда опера- ций или для обработки нескольких деталей. Обычно универсальные ЛТК используются в мелкосерийном производстве, и при смене тех- нологического процесса они сохраняют свой состав и основные функции.

Гибкие производственные системы, в отличие от АЛТК, должны включать в свой состав автоматизированный склад с поиском, робо- кар, пресс, робот для загрузки и выгрузки, АЛТК с набором сменных оптических головок, датчиков и вспомогательных технологических приспособлений или набор АЛТК, центральную систему управления.

Вспомогательная технологическая оснастка является дополни- тельным оборудованием, обеспечивающим высокое качество техно- логических процессов. ВТО носит общепромышленный характер и может включаться в состав ЛТК по требованию заказчика в зависи- мости от выполняемой задачи. ВТО можно разделить на несколько групп.

1. Оборудование для подготовки технологического процесса. К нему относятся установки и приспособления для нанесения покрытий перед лазерной закалкой. Наиболее часто для этой цели применяют пневмораспылители, а для сушки покрытия – подогретый воздух. При нанесении поглощающих покрытий с помощью фосфатирования и оксидирования применяется типовое промышленное оборудование для осуществления этих процессов. Для загрузки деталей и заготовок большое распространение получили роботы-загрузчики со специаль-

69

ными захватными устройствами. Например, в качестве захватных устройств загрузки листов используются чашечные присосы.

2. Датчики и устройства контроля хода технологического процес- са. Это визуализаторы лазерного излучения, пирометры, датчики за- зора между обрабатываемым материалом и оптико-фокусирующей головкой. В установках и комплексах для маркировки изделий теле- визионные экраны визуализаторов имеют координатные сетки кон- троля процесса. ЛТК английской фирмы Laser Katting, оснащены системой слежения за линией шва и упрочненных полос на внутрен- ней поверхности втулки из феррито-перлитного ковкого чугуна.

ВРоссии в 1978 г. на АЗЛК был внедрен специализированный ла- зерный технологический комплекс для термоупрочнения опорных поверхностей корпуса коробки дифференциала заднего моста авто- мобиля «Москвич». На комплексе, который включал в себя два лазе- ра «Кардамон», манипулятор изделия, оптико-механическую систе- му, при двухсменной работе обрабатывалось 1200 деталей в сутки.

Вбывшей ГДР был создан специализированный комплекс для уп- рочнения валов для рифления картона на базе лазера SM-400. В нем оптическая головка перемещалась вдоль вала, упрочняя вершину зу- ба. Затем вал поворачивался на шаг зуба и упрочнение шло в обрат- ном направлении.

4.2. Координатные столы

Координатный стол – промышленная установка (ПУ), предназна- ченная для перемещения по заданной траектории рабочего механиз- ма станка или обрабатываемой детали.

Современный координатный стол – сложная мехатронная систе- ма, объединяющая несущую конструкцию опоры с электромеханиче- ским приводом и многоосной системой подачи, и исполнительный механизм произвольного назначения. Использование ПУ позволяет полностью автоматизировать процесс производства. Точность обра- ботки одной или нескольких деталей на прецизионном столе может составлять до единиц микрон по каждой оси даже на достаточно вы- соких скоростях.

На несущей раме монтируются приводы подачи для перемещения исполнительного механизма и рабочая плита (решетка), на которой крепится обрабатываемая деталь. Фиксация детали обеспечивается механическим или вакуумным прижимом, реже – под действием соб- ственного веса. Перемещение рабочего механизма по двум или трем

70