Прецизионная лазерная резка строганого шпона для получения инкрустированной мебели Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Также разработан ряд алгоритмов, позволяющих выполнить сортировку примитивов с целью уменьшения холостых ходов установки и выполнения качественного резания лучом лазера.

Таким образом, использование графических редакторов, заслуженно пользующихся популярностью у пользователей РС,

облегчает проектирование траектории лазерной обработки. Однако, для обеспечения качественного технологического процесса (особенно это относится к процессу лазерной резки), данные, полученные из этих редакторов, необходимо дополнительно обрабатывать с использованием специализированного программного обеспечения.

ПРЕЦИЗИОННАЯ ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА СТРОГАНОГО ШПОНА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИНКРУСТИРОВАННОЙ МЕБЕЛИ

В.Ю. ВИНОГРАДОВ, начальник сектора лазерных технологий ОАО ТИП «Техпомаш», Е.П. ЧУБАРОВ, д. т. п., профессор кафедры АПП МГУЛа,

В.В. СЕДЫХ, аспирант кафедры АПП МГУЛа

В настоящее время на рынке России имеется большой выбор мебели как отечественного, так и зарубежного производства. В условиях острой конкуренции к продукции предприятий мебельной промышленности предъявляются все более жесткие требования, сводящиеся к необходимости обеспечить качество продукции, соответствующее мировому уровню.

Одним из путей повышения качества является применение на предприятиях мебельной промышленности новых технологий, в том числе лазерных. Применение прецизионной лазерной техники позволяет не только улучшить качество продукции, но и в ряде случаев использовать новые дизайнерские решения, неосуществимые при традиционной механической обработке. При резке такого хрупкого материала, как строганый шпон, лазеры, не оказывающие механического воздействия на материал, очень перспективны. С их помощью обеспечивается изготовление деталей очень малых размеров сложной формы. При этом достигаются высокие производительность и гибкость производства. Последнее важно при выполнении индивидуальных заказов.

Однако, при резке шпона возникает целый ряд проблем, требующих экспериментального исследования режимов обработки. Основная проблема связана с тем, что

при производстве мебели, инкрустированной строганым шпоном, а также в ряде других производств, необходимо, чтобы прилегающие элементы как можно точнее соответствовали заданному рисунку и прилегали друг к другу с очень малым зазором (менее 0,1— 0,05 мм).

Другим важным требованием является недопустимость почернения (обугливания) лицевой поверхности материала, которое может возникнуть в результате лазерного воздействия.

И, наконец, третья проблема связана с тем, что при инкрустации используются различные материалы, существенно отличающиеся своими свойствами, а именно: плотностью, цветом, коэффициентом поглощения лазерного излучения, шероховатостью, толщиной и некоторыми другими, не оказывающими большого влияния на ход процесса. В данной работе использовались образцы строганого шпона следующих пород древесины и толщин: красное дерево (1,2 мм), бук (1,5 мм), орех (2,8 мм), сосна (1,5 мм), красный дуб (1,5 мм), белый дуб (1,4 мм).

Описанные проблемы относятся к проблемам управления распределенными системами с подвижными источниками воздействия [1]. Их решение чрезвычайно сложно осуществить теоретически, поэтому

проведены серьезные экспериментальные исследования, позволяющие выявить основные закономерности изменения интересующих нас параметров.

Проведение экспериментов по резке строганого шпона проводились на установке, содержащей:

- газовый одномодовый непрерывный СО2-лазер мощностью 50-100 Вт;

- оптическую систему для фокусировки лазерного излучения;

- двухкоординатный стол с ЧПУ и специализированным предметным столиком;

- устройство продувки зоны реза сжатым воздухом;

- персональный компьютер, обеспечивающий проектирование процесса резки;

- специализированное программное обеспечение.

Выбранная мощность СОо-лазера позволяла производить резку как одиночных листов шпона, так и группы наложенных друг на друга листов (до шести).

Для фокусировки использовались ИК-линзы (из ЫаС1 и Zn.Se) с фокусным расстоянием 50, 65 и 100 мм.

Предметный столик представлял собой решетку из алюминиевых полос, заостренных в верхней части. Для уменьшения площади соприкосновения шпона со столиком ребра решетки, кроме заострения, имели также регулярные прорези.

Для продувки зоны реза использовалось сопло специальной формы, совмещенное с оптической системой. Давление при продувке регулировалось таким образом, чтобы обеспечить продувку сквозь рез продуктов горения и не допустить разрушения (сдувания) разрезаемой детали под действием сжатого воздуха.

Программное обеспечение основывалось на известных графических редакторах и специально разработанном пакете программ, позволяющем оптимизировать технологический процесс.

При проведении экспериментальной резки варьировались следующие технологические параметры:

- мощность лазерного луча;

- фокусировка луча (диаметр фокального пятна);

- скорость движения стола (скорость резания);

- расход воздуха, продуваемого через лазерный резак;

- направление движения лазерного луча относительно волокон древесины шпона.

Резание проводилось как по замкнутой, так и по разомкнутой траекториям.

Замеры получаемых в ходе эксперимента параметров зоны реза проводились с помощью измерительного микроскопа МБС-10.

На рис. 1 представлены параметры зоны реза, замерявшиеся в ходе эксперимента.

По результатам эксперимента фиксировались следующие параметры: ширина реза «а» - ширина щели на нижней плоскости материала; конусность реза (к = Ъ - а) -разность между шириной реза в верхней и нижней плоскостях шпона; значение обугливания (с) - максимальное из значений с\ и С'2 (см. рис. 1).

Проведенные эксперименты в целом показали возможность достижения заданных целей путем использования инструментальных и программных средств. Причем именно программными средствами удалось достигнуть решения первой проблемы - уменьшения зазора между элементами инкрустации до величины 0,05-0,1 мм. Приведенные ниже данные не являются рекордными для лазерной резки. Полученные на имеющемся оборудовании результаты, несомненно, могут быть улучшены при применении более совершенных лазеров, обладающих меньшей расходимостью луча (и диаметром). Известна [2] следующая формула для расчета минимального диаметра с1 лазерного луча в фокальной плоскости:

¿ = 2Лё(Ф/2), где Р - фокусное расстояние оптической системы; ф - полный угол расходимости лазерного луча.

Как следует из этой формулы, оптика с меньшим фокусным расстоянием и лазеры с меньшей расходимостью луча дают меньшие размеры сфокусированного луча. Однако, не все так просто. Дело в том, что шпон обычно имеет коробление (в большей или меньшей степени). Поэтому необходимо обеспечить при реальной резке шпона достаточную (« 2 мм) глубину резкости фокусировки. А это достижимо при увеличении фокусного расстояния оптической системы. Описанное противоречие усугубляется при резке сразу нескольких листов шпона.

с!

Рис. 1. Контролируемые в ходе эксперимента параметры зоны реза: а - ширина реза в нижней плоскости шпона (при выходе лазерного луча); Ь - ширина реза в верхней плоскости шпона; сь с2 - почернение поверхности на верхней и нижней стороне шпона соответственно

При проведении экспериментов были встречены некоторые трудности, обусловленные особенностями разрезаемого материала - шпона. Во-первых, трудно найти оптимальный расход сжатого воздуха при продувке зоны реза. При увеличении расхода воздуха через лазерный резак, возрастает давление, оказываемое на поверхность шпона, и в результате вырезаемая деталь может сломаться. Особенно сильно это проявляется при изготовлении мелких деталей. Во-вторых, при проектировании схемы раскроя необходимо учитывать то, что шпон некоторых пород древесины имеет склонность к образованию трещин вдоль волокон. Особенно много трещин в этом случае располагается по краю материала и получить качественные детали для инкрустации из этой части шпона невозможно. В-третьих, если листы строганого шпона имеют сильно выраженную коробленность, то при одновременном раскрое нескольких слоев материала между заготовками возникают пустоты, приводящие к загрязнению продуктами горения поверхностей деталей, увеличению ширины реза и снижению производительности процесса резки.

В заключение приведем некоторые количественные характеристики процесса лазерного раскроя шпона.

Производительность

Эксперименты показали, что возможно разрезание шести слоев шпона одновременно. При этом скорость резания составляет 1-2 м/мин. Одиночные листы строганого шпона легко разрезались со скоростью 8 м/мин. Есть все основания предполагать, что и это не предел для выбранных мощностей лазера.

Ширина реза

Это один из самых важных параметров лазерной резки шпона. Ширина реза зависит от множества факторов, в том числе -

от параметров лазерного источника и оптической системы (см. выше). Ширина реза обычно несколько превышает величину фокального пятна. Значение ширины реза при различных параметрах резки приведены ниже в таблицах.

При резке шести листов шпона одновременно на верхнем образце наблюдалось увеличение ширины реза и конусности, на остальных образцах - рез нормальный.

Конусность

Этот параметр находится в сильной зависимости от скорости обработки и параметров фокусирующей системы. Повышение скорости обработки позволяет снизить величину конусности. При резке нескольких листов шпона одновременно сильно выраженная конусность, сопровождающаяся обугливанием поверхности, наблюдается на верхнем образце, на нижних листах кромки реза практически параллельны. При правильном подборе технологических режимов величина конусности незначительна и при изготовлении инкрустированной мебели ею можно пренебречь.

Таким образом, проведенные эксперименты подтвердили предположение о возможности использования лазерного луча для производства изделий, инкрустированных строганым шпоном ценных пород древесины. Опытная прецизионная лазерная резка вскрыла ряд специфических свойств материала и требований к технологическому оборудованию.

В приводимых ниже таблицах отражены основные результаты экспериментов. На фотографии показана простейшая инкрустация с шириной зазора между отдельными элементами, меньшей 0,1 мм.

Таблица1

Резание одновременно трех листов шпона (У= 1 м/мин)

Порода шпона Толщина шпона, мм Ширина реза, мм Почернение поверхности, мм Конусность, мм

Сосна 1,5 0,33 0,3-0,40 0,25-1,50

Белый дуб 1,4 0,28 0,25-0,50 0-0,50

Красный дуб 1,5 0,28 0,14-0,30 0-0,50

Таблица2

Резание одновременно трех листов шпона (У= 2 м/мин)

Порода шпона Толщина шпона, мм Ширина реза, мм Почернение поверхности, мм Конусность, мм

Сосна 1,5 0,3 0,25-0,40 0,25-0,75

Белый дуб 1,4 0,28 0,25-0,5 0-0,50

Красный дуб 1,5 0,28 0,20-0,40 0-0,50

ТаблицаЗ

Резание одиночных листов шпона

Порода шпона Толщина шпона, мм Скорость резания, м/мин Ширина реза, мм Почернение поверхности, мм Конусность, мм

Сосна 1,5 4 0,3 0,25 0,25-0,50

Сосна 1,5 8 0,25 0-0,1 0,15-0,25

Красный дуб 1,5 8 0,3 0-0,1 0,15-0,25

Таблица 4

Одновременная резка шести образцов шпона

Ширина реза, мм Конусность, мм Обугливание, мм

Порода Толщина

шпона шпона, мм У = 1 У = 2 У = 1 У—2 У= 1 К= 2

м/мин м/мин м/мин м/мин м/мин м/мин

Красное 1,2 0,6 0,56 0,42-0,5 0,3-0,42 0,2-0,56 0,3-0,60

дерево

Бук 1,5 0,42 0,42 0,14-0,28 0,3-0,42 0/35-0,70 0,2-0,45

Орех 2,8 0,35 0,3 0-0,14 0-0,20 0-0,21 0,15-0,30

Сосна 1,5 0,35 0,28 0-0,14 0-0,20 0,21-0,35 0,20-0,35

Красный дуб 1,5 0,35 0,30 0-0,14 0-0,14 0,14-0,30 0,20-0,30

Белый дуб 1,4 0,35 0,28* 0-0,20 0-0,14 0,14-0,30 0,20-0,30

* Отдельные волокна не перерезаны.

Таблица 5

Одновременная резка шести образцов шпона при различном расходе воздуха на продувку зоны реза*

Порода Толщина Ширина реза, мм Конусность, мм Обугливание, мм

шпона, мм N шах N max N max

Красное дерево 1,2 0,7 0,5 0,25-0,55 0,15-0,30 0,28-0,50 0,28-0,42

Бук 1,5 0,50 0,40 0-0,1 0-0,05 0,07-0,28 0,07-0,20

Орех 2,8 0,35 0,34 0-0,1 0-0,05 0,14-0,25 0,07-0,22

Сосна 1,5 0,35 0,34 0-0,15 0-0,05 0,28-0,56 0,07-0,22

Красный дуб 1,5 0,35 0,31 0-0,05 0-0,01 0,14-0,25 0,07-0,21

Белый дуб 1,4 0,35 0,35 0-0,14 0-0,05 0,14-0,28 0,07-0,14

* N - нормальный расход воздуха; шах — максимальный расход воздуха.

Литература

1. Чубаров Е.П. Управление системами с подвижны- 2. Рыкалин H.H. и др. Лазерная обработка материа-

ми источниками воздействия. - М.: Энергоатом- лов. - М.: Машиностроение, 1975.-296 с.

издат, 1985. - 289 с.

ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ ПРЕДМЕТА ТРУДА ПРИ РАВНОМЕРНОЙ ПЛОТНОСТИ НА ЛЕСОЗАГОТОВКАХ

Г.А. ИВАНОВ, доцент кафедры теории и конструирования машин МГУЛа

Вопросы, связанные с определением центра тяжести ствола, хлыста, дерева с кроной и пачки стволов, возникают из потребностей вычисления нагрузок в расчётных схемах на элементы лесных машин при решении задач механизации лесозаготовок.

Центр тяжести ствола и его частей при равномерной плотности древесины

Из курса механики известно, что на любую частицу тела, находящегося вблизи земной поверхности, действует направленная вертикально вниз сила тяжести. Из-за несопоставимости размеров предмета труда и радиуса земли, силы тяжести для каждой частицы имеют постоянную величину при любых поворотах тела и параллельны друг другу. Следовательно, равнодействующая этих элементарных сил проходит всегда через одну точку независимо от ориентации тела вблизи земной поверхности.

Для тела вращения, каковым и является предмет труда, на плоскости х - у образующая продольного сечения задаётся уравнением у = у(х), тогда масса элементарного

слоя поперечного сечения тела на расстоянии х от плоскости есть с1т = л ■ р ■ у2сЬс, его статический момент - с1М = х -п -р • у2ск,

так что, суммируя, получим расстояние £, центра тяжести вдоль оси тела от данной плоскости

ь /ь

£= |х-р-у2ёх / |р-уМх, (1)

а /а

где р - плотность древесины ствола.

Для ствола дерева, аппроксимируемого степенной функцией, положение центра тяжести при равномерной плотности древесины, согласно формулы (1), с нижним и верхним пределами интегрирования, соответственно а = 0 и Ь = Ьс, будет находиться от плоскости комлевого среза на расстоянии

где Ьс - длина ствола, ц - показатель степени уравнения аппроксимации ствола степенной функцией, зависящий от таксационных параметров ствола.

Из полученного выражения следует,