- •Введение
- •1. Технологии размерной лазерной обработки
- •1.1. Физические основы лазерной обработки
- •1.1.1. Актуальность применения лазерных технологий
- •1.1.2. Схема технологической лазерной установки
- •1.1.3. Физические основы работы лазера. Волоконные лазеры
- •1.1.4. Физическая модель лазерной обработки
- •1.1.5. Физические явления, ограничивающие качество лазерной обработки
- •1.2. Методы повышения качества лазерной обработки
- •1.2.1. Параметры технологических лазеров и лазерного излучения.
- •1.2.2.Влияние длительности и формы импульсов на качество лазерной обработки
- •1.2.3.Влияние оптической системы на качество и длительность лазерной обработки
- •1.2.4. Многоимпульсная обработка
- •1.2.5. Улучшение качества путем использования струи газа и струи воды
- •1.3. Лазерная резка металлов
- •1.3.1. Особенности и преимущества лазерной резки
- •1.3.2. Характеристики качества лазерной резки
- •1.3.3. Временно–энергетические характеристики типичного импульса и их влияние на качество лазерной резки металлов
- •1.3.4. Влияние оптической системы на лазерную резку
- •1.3.5. Обеспечение режима лазерной резки металлов с высоким качеством и разрешением
- •2. Деформация тонколистовых деталей в процессе лазерной резки
- •2.1. Термодеформационные процессы при лазерной резке тонколистовых деталей.
- •2.1.1. Неравномерный нагрев – причина возникновения напряжений
- •2.2. Используемое оборудование – комплекс лазерный fMark-20 rl.
- •2.2.1.Внешний вид и структура комплекса
- •2.2.2. Сканаторная система комплекса
- •2.2.3. Настройка комплекса для работы
- •2.3. Математическая модель и методика проведения измерений
- •2.3.1. Математическая модель получения изображения
- •2.3.2. Параметрический метод проектирования управляющих программ
- •2.3.3. Настройка оборудования для обработки по управляющей программе, составленной по параметрическому методу
- •2.4. Экспериментальное исследование тепловых деформаций тонколистовых изделий с различной насыщенностью конструктивными элементами.
- •2.4.1. Условия эксперимента
- •2.4.2. Эксперимент 1. Выбор оптимального режима обработки: эргономичность и скорость
- •2.4.3. Эксперимент 2. Выбор оптимального режима: точность и стабильность
- •2.4.4 Эксперимент 3. Связь насыщенности конструктивными элементами и деформаций.
- •2.5. Выводы
- •III. Обработка детали «прокладка контактная»
- •3.1. Проект модернизации технологического процесса детали типа «Прокладка контактная» с использованием лазерного комплекса
- •3.1.1. Существующая технология изготовления деталей типа «Прокладка контактная»
- •3.1.2. Модернизированный технологический процесс изготовления деталей типа «Прокладка контактная»
- •3.1.3. Преимущества предлагаемого технологического процесса
- •Заключение
1.1.4. Физическая модель лазерной обработки
Лазерная обработка материалов основана на том, что использование лазерного излучения позволяет создавать на малом участке поверхности высокие плотности теплового потока, необходимые для интенсивного нагрева или расплавления практически любого материала.
При воздействии на поверхность обрабатываемых металлов и сплавов часть потока лазерного излучения отражается от нее, а остальная часть проникает на малую глубину. Процессы распространения теплоты зависят от интенсивности теплового воздействия и в значительной степени – от теплофизических свойств материала: его теплопроводности и теплоемкости. Комплексной характеристикой теплофизических свойств материала является коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость выравнивания температуры при нестационарной теплопроводности. Он определяет, с какой скоростью в материале происходит передача тепловой энергии.
Таким образом, вне зависимости от применяемого типа лазера, в обрабатываемом лазерным методом материале наблюдаются некоторые физические процессы, связанные с передачей тепловой энергии: изменение фазового состояния и структуры, химические реакции, физические переходы – плавление, испарение и др.
Рассмотрим общую схему физических процессов при лазерной обработке.
| |
| |
| |
|
Существенное значение имеет расплавление материала и появление так называемой жидкой фазы, так как ее количество и распределение (удаление за счет испарения со стенок) оказывают непосредственное влияние на точность обработки.
Стоит также заметить, что физические процессы при импульсной периодической резке, являющейся предметом изучения в данной работе, во многом совпадают с таковыми при сверлении отверстий, так как рез образуется как совокупность отдельных отверстий.
1.1.5. Физические явления, ограничивающие качество лазерной обработки
Практически в любом реальном процессе формирования отверстий и резки существенная доля жидкой фазы остается на стенках после окончания лазерного импульса.
Формирование большого количества жидкой фазы и ее неполное удаление из отверстия – это наиболее неблагоприятный и трудноуправляемый фактор, который ведет к значительному уменьшению эффективности и ухудшению качества сверления отверстий.
Перераспределение жидкой фазы до кристаллизации оказывает решающее влияния на окончательную форму отверстия. В результате ее перераспределения, форма отверстия в момент отвердевания может существенно отличаться от формы, определенной геометрией луча, кинетикой испарения и гидродинамикой выброса жидкой фазы в конце лазерного импульса.
Основные причины увеличения количества жидкой фазы:
Уменьшение плотности светового потока из-за постепенной расфокусировки луча с ростом глубины отверстия.
Медленный спад мощности в конце импульса, что способствует увеличению объема остатка жидкой фазы в отверстии после окончания импульса.
Длительность действия.
Чем дольше время воздействия, тем больше объем жидкой фазы и, поэтому, больше разброс размеров отверстия и реза.
Кроме того, большое время воздействия вызывает увеличение глубины зоны теплового влияния (прогретого слоя), где происходят окисление и структурные изменения, и появление дефектов на поверхности отверстия.
Другими источники погрешности в лазерном формировании отверстия являются:
Неоднородность распределения по сечению интенсивности луча из-за модового характера лазерного излучения.
Размывание светового пятна при обработке в фокальной плоскости из-за отсутствия его резких границ.
Помимо этого, причиной снижения геометрической точности лазерной обработки являются тепловые эффекты в материале, а именно термодеформационные процессы в металле. При резке тонколистовых металлов они могут привести к искажениям вырезаемого контура и прогибам детали, выходящим за пределы допуска.
Таким образом, при рассмотрении вопросов точности и качества лазерной обработки и, в особенности, прецизионной резки металлов, следует обратить внимание на следующие аспекты:
параметры лазерного луча как инструмента формообразования:
временные и энергетические характеристики, зависящие от параметров лазера.
пространственно-геометрические характеристики, зависящие от оптических параметров системы.
процессы взаимодействия лазерного излучения с материалами, в частности, нагревание, испарение, появление жидкой фазы, реактивное давление паров и т.д.
дополнительные и сопутствующие факторы, влияющие на результат лазерной обработки: поддув газа и жидкости, пред- и постобработка, и т.д.