CC BY
42
УДК 674.059
М.В. Новоселова
аспирант, кафедра инновационных технологий и оборудования деревообработки, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический
университет»
А.И. Кузнецов
ст. преподаватель, кафедра инновационных технологий
и оборудования деревообработки, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический
университет»
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ЛАЗЕРНОГО РЕЗАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ БЕРЕЗЫ
Аннотация. В ходе работы произведено исследование режимов лазерного резания древесины березы, обрабатываемой при помощи лазерного излучения. Выявлены зависимости свойств древесины березы от технологических параметров режима обработки.
Ключевые слова: лазерная обработка древесины, лазерное резание березы, режимы лазерного
резания.
M.V. Novoselova, Ural State Forest Engineering University
A.I. Kuznetcov, Ural State Forest Engineering University
RESEARCH OF MODES OF LASER CUTTING OF BIRCH WOOD
Abstract. During work research of the modes of the laser cutting of wood of birch, processed through a laser radiation, is produced. Dependences of properties of wood of birch are educed on the technological parameters of the mode of treatment.
Keywords: laser treatment of wood, laser cut of birch, modes of laser cutting.
В настоящее время известно, что лазерное излучение применяется для обработки различных материалов, в том числе древесины. Одним из способов обработки является лазерное резание. Применение лазерной техники позволяет улучшить качество продукции, использовать новые дизайнерские решения, которые при традиционной механической обработке невозможны.
При лазерном резании древесины возникает ряд вопросов, которые требуют экспериментального исследования режимов обработки. Так, при использовании одинаковых режимов для различных материалов происходит перерасход энергии, времени и понижение качества продукции. При неточно выбранных режимах лазерного резания возможны сильный ожог, обугливание и даже возгорание поверхности либо недообработка поверхности.
Необходимо отметить, что каждая порода древесины обладает своими свойствами, а именно: плотностью, цветом, коэффициентом поглощения лазерного луча, шероховатостью, толщиной. Тем самым экономическая эффективность лазерного резания повышается при выборе правильных режимов за счет улучшения качества обрабатываемой поверхности и минимального расхода энергии.
Цель работы: исследовать глубину резания березы при помощи лазерного излучения в зависимости от мощности лазерного излучения и скорости перемещения лазерного луча по прямолинейной траектории.
Экспериментальная установка включает в себя лазерно-гравировальный станок VL-4060 с ^2-лазером мощностью 65 ВТ, воздушный компрессор, ПК с ПО LaserCut 5.1, контактный влагомер Hydro CONDTROL, весы CAPTO ГОСМ СЕ623-С, электронный штангенциркуль ЦИ 0-150 мм с ценой деления 0,01мм, с цифровым индикатором «ЭНКОР», набор щупов ГОСТ 882-75. Толщина и длина образцов измерялась электронным штангенциркулем, скорость дви-
жения устанавливалась и контролировалась при помощи ПО LaserCut 5.1, глубина резания измерялась при помощи щупа и штангенциркуля.
Образцы древесины березы представляют собой бруски толщиной 15 мм, шириной 15 мм и длиной 138 мм, в количестве 15 шт. Образцы были высушены и имели влажность 8-10%, что было проверено контактным влагомером. Также образцы имели одинаковые массу, следовательно, и плотность.
Таблица 1 - Размеры, плотность, масса образцов
№ п/п Длина, мм Ширина, мм Толщина, мм Объем, см3 Вес, г Плотность, г/см3
1 138.00 14.15 15.13 29.54 21.360 0.72
2 138.00 14.33 15.21 30.08 17.050 0.57
3 138.00 14.39 15.12 30.03 15.270 0.51
4 138.00 14.17 15.09 29.51 17.840 0.60
5 138.50 14.34 15.16 30.11 15.210 0.51
6 139.00 14.28 15.16 30.09 17.820 0.59
7 139.00 14.38 15.05 30.08 20.340 0.68
8 138.00 14.25 15.07 29.64 19.600 0.66
9 139.00 14.19 15.11 29.80 16.770 0.56
10 139.00 14.38 15.12 30.22 16.420 0.54
11 138.00 14.28 15.03 29.62 17.120 0.58
12 138.00 14.12 15.09 29.40 14.900 0.51
13 138.50 14.19 15.17 29.81 16.750 0.56
14 137.50 14.17 14.90 29.03 21.580 0.74
15 138.00 14.37 15.05 29.85 15.090 0.51
Образцы древесины березы укладывались на ячеистый стол станка, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1 - Образцы древесины березы
Положение фокальной f плоскости было настроено на верхнюю поверхность (рис. 2) и в течение проведения эксперимента не изменялось.
Рисунок 2 - Положение фокальной плоскости
Перед проведением эксперимента было проверено соответствие программно-установленной скорости каретки станка с фактической с помощью секундомера по изложенной ниже методике. Скорость измерялась косвенно путем вычисления отношения длины экспериментального участка к времени прохождения лазерным лучом этого участка, причем, для получения установившегося движения каретки она начинала движение с расстояния 200 мм до экспериментального участка. Проверка показала, что измеренная скорость соответствует программно-установленной скорости с помощью ПО LaserCut 5.1. В дальнейшем скорость контролировалась посредством ПО LaserCut 5.1.
В ходе проведения эксперимента скорость ступенчато менялась и составляла: 10, 12, 18, 41, 90 мм/с. Мощность лазерного излучения (ЛИ) в ходе проведения эксперимента изменялась ступенчато и соответствовала 21, 24, 30, 35, 38 процентам от максимальной мощности станка, составляющей 65 Вт. Каждому из пяти значений мощности ЛИ соответствовали пять значений скорости (рис. 3). Все резы были сделаны поперек волокон древесины при одном направлении движения лазерной головки.
Рисунок 3 - Упрощенная схема режимов лазерного резания
В результате было сделано 750 резов с различными значениями скорости и мощности. Измерения глубины реза выполнялись на отсканированном изображении кромки образцов с помощью ПО AutoCad.
Измерения глубины реза образцов выполнялись с помощью щупа и штангенциркуля. В полученный рез глубиной h помещался щуп высотой Н и штангенциркулем измерялось расстояние S^ от верхней поверхности брусков древесины березы до верхней поверхности щупа,
а также высота брусков древесины березы (рис. 4).
Рисунок 4 - Измерение глубины лазерного реза Вычисление глубины реза образцов выполнялось по формуле 1:
h = (к + Н)-SUЗм .
(1)
Выбранная порода устойчиво режется при мощности 65 Вт и интервале 30-100 мм/с. Глубина реза находится в обратно пропорциональной зависимости от скорости резания - на малых скоростях (10-30 мм/с) наибольшая глубина реза (1,5-4,5 мм). Это объясняется тем, что на малых скоростях воздух, подающийся компрессором на лазерную головку, более интенсивно участвует в процессе испарения (горения) и способствует процессу резания.
Получено уравнение регрессии в кодированном виде глубины реза от скорости подачи при мощности 65 Вт для древесины березы:
у = 0,912 + 0,4х1 + 0,484х2 -0,211x2 -0,96х22 + 0,243х1х2, (2)
где у - кодированное значение глубины резания
х1 - кодированное значение мощности лазерного излучения, х2 - кодированное значение скорости лазерного резания.
Из уравнения регрессии можно оценить относительную степень влияния варьируемых факторов на изменение выходной величины (глубина резания). Чем больше фактор х2, тем сильнее его влияние на изменение выходной величины. Таким образом, наибольшее влияние на глубину резания оказывает время воздействия лазерного излучения на древесину (фактор х2), имеющую наибольшее значение коэффициента. При увеличении мощности лазерного излучения (фактор х1) значение глубины увеличивается, что и ожидалось.
Уравнение регрессии позволяет предсказать значение выходной величины для любой точки внутри области варьирования факторов. С его помощью можно строить графики зависимости выходной величины от любого фактора при фиксированных значениях остальных факторов.
По результатам опытов выявлены основные режимы резания древесины березы толщиной до 15 мм на станке VL-4060, при мощности лазерного излучения 65 Вт, положением фокальной плоскости на верхней поверхности брусков древесины березы.
Список литературы:
1. Бирюков М.В., Клеба Н.П., Сорокин Д.С., Росляков А.А. Лазерная установка для резания древесины и плит // Деревообрабатывающая промышленность. - М., 1986. - № 3.
2. Математическая модель режимов лазерного резания древесины березы // Деревообработка: оборудование, менеджмент XXI века: труды VIII междунар. евраз. симп. / под на-
уч. ред. В.Г. Новоселова. - Екатеринбург, 2013.
3. Исследование режимов лазерного резания массивной древесины // Деревообработка: оборудование, менеджмент XXI века: труды VI междунар. евраз. симп. / под науч. ред. В.Г. Новоселова. - Екатеринбург, 2011.
4. Рыкалин Н.Н. Лазерная обработка материалов. - М.: Машиностроение, 1975.
5. Чубаров Е.П. Управление системами с подвижными источниками воздействия. -М.: Энергоатомиздат, 1985.
List of references:
1. Biryukov M.V., Kleba N.P., Sorokin D.S., Roslyakov А.А. Laser setting for cutting of wood and flags // Woodworking industry. - Moscow, 1986. - № 3
2. Mathematical model of the modes of laser cutting of birch wood // Woodworking: equipment, management of the XXI century: Works VIII the international Eurasian symposium / under scientific to editor V.G. Novoselov. - Ekaterinburg, 2013.
3. Research of modes of laser cutting of massive wood // Woodworking: equipment, management of the XXI century: Works VI the international Eurasian symposium / under scientific to editor V.G. Novoselov. - Ekaterinburg, 2011.
4. Rykalin N.N. Laser treatment of materials. - Moscow: Engineer, 1975.
5. Chubarev E.P. Management by the systems with the movable sources of influence. - Moscow: Energoa-tomizdat, 1985.
