CC BY
54Параметр А характеризует начальную приспособленность, В - является коэффициентом перед 1г, характеризует наклон прямой затрат или затраты на каждый километр пробега. Чем меньше параметры приспособленности А и В, тем лучше приспособленность транспортного средства по дальности перевозок.
По формулам 9 и 10 могут быть рассчитаны удельные приведенные затраты на перевозку одной тонны груза как для бортовых автомобилей, так и для самосвалов. В первом случае следует принять Се = 0, во втором - Сткм = 0.
При использовании в качестве интегрального показателя удельные приведенные затраты на единицу транспортной продукции модель превращается в обратную:
Пткм = А Пг + В, руб./ткм. (11)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Афанасьев Л. Л., Островский Н. Б., Цукер-
берг С. П. Единая транспортная система и автомобильные перевозки: учебник для студентов вузов / Л. Л. Афанасьева, Н. Б. Островский, С. П. Цукер-берг. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1984. - 333 с.
2. Бутузов Ю. В. Исследование процессов обоснования состава автомобильного парка и повышения эффективности перевозок в сельскохозяйственных предприятиях: Дис. канд. техн. наук / Ю. В. Бутузов. - М., 1978. - 144 с.
3. Гоберман В. А. Автомобильный транспорт в сельскохозяйственном производстве: Эффективность и качество работы, оценка и разработка организационно-технических решений / В. А. Гобер-ман. - М.: Транспорт, 1986. - 287 с.
4. Лейдерман С. Е. Эксплуатация грузовых автомобилей / С. Е. Лейдерман. - М.: Транспорт, 1966. - 152 с.
5. Пехутов А. С. Формирование автомобильного парка для работы в условиях колхозов и совхозов: Дис. канд. техн. наук / А. С. Пехутов. - М., 1989. - 221 с.
COMPARISON OF PROGRESSIVE METHODS OF OBTAINING PLASMA AND LASER CUTTING TRAINS AND EXAMPLES OF THEIR PRACTICAL USE
Platonov A.
candidate of technological Sciences, associate Professor of the Department "Technology of mechanical engineering" Arzamas Polytechnic Institute (branch NGTU them. R. E.Alekseev)
MaresevV.
masterstudent, Department "Technology of mechanical engineering" Arzamas Polytechnic Institute (branch NGTU them. R. E. Alekseev)
Novikov K.
masterstudent, Department "Technology of mechanical engineering" Arzamas Polytechnic Institute (branch NGTU them. R. E. Alekseev)
Egorova T.
graduate student, Department "Technology of mechanical engineering" Arzamas Polytechnic Institute (branch NGTU them. R. E. Alekseev)
СРАВНЕНИЕ ПРОГРЕССИВНЫХ СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАЗМЕННОЙ И ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКОЙ И ПРИМЕРЫ ИХ ПРАКТИЧЕСКОГО
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Платонов А.В.
к.т.н., доцент кафедры «Технология машиностроения» Арзамасского политехнического института (филиала НГТУ им. Р.Е. Алексеева)
Маресев В.О.
студент магистратуры, кафедры «Технология машиностроения» Арзамасского политехнического института (филиала НГТУ им. Р.Е. Алексеева)
Новиков К.Н.
студент магистратуры, кафедры «Технология машиностроения» Арзамасского политехнического института (филиала НГТУ им. Р.Е. Алексеева)
Егорова Т.С.
магистрант, кафедры «Технология машиностроения» Арзамасского политехнического института (филиала НГТУ им. Р.Е. Алексеева)
Abstract
The purpose of the article is to select the optimal variant for obtaining blanks for parts such as "Rings". Two methods for obtaining annular preforms-plasma and laser cutting with the analysis of their physical and technological features-are considered. The characteristic features of the methods, general types of equipment and samples of products obtained with their use are shown. The samples of circular blanks obtained by the method of plasma and laser cutting are presented, in which the distinctive and qualitative features of the blanks.
Аннотация
Целью статьи является выбор оптимального варианта получения заготовок для деталей типа «Кольца». Рассмотрены два способа получения кольцевых заготовок - плазменная и лазерная резка с анализом их физических и технологических особенностей. Показаны характерные особенности способов, общие виды оборудования и образцы изделий, получаемых с их использованием. Представлены образцы кольцевых заготовок, полученных методом плазменной и лазерной резки, в которых наглядно отображены отличительные и качественные особенности заготовок.
Keywords: Plasma cutting, laser cutting, plasma cutting features, features of laser cutting, circular blanks, laser cutting equipment, preparation of a program for laser cutting.
Ключевые слова: Плазменная резка, лазерная резка, особенности плазменной резки, особенности лазерной резки, кольцевые заготовки, оборудование лазерной резки, подготовка программы для лазерной резки.
Правильный выбор заготовки является одним из главных факторов, определяющих себестоимость механической обработки детали (время обработки, расход инструмента, энергозатраты, заработная плата рабочих и др.). Вид заготовки и способ её получения определяет последовательность выполнения операций механической обработки, следовательно, состав оборудования применяемого при этом. Следующим критерием выбора заготовки является серийность производства - чем больше объём производства, тем более прогрессивным должен быть способ получения заготовки (с использованием инновационных технологий, обеспечивающим наименьшие припуски на обработку, исключающие некоторые операции и др.).
Использование прогрессивных методов пресу-щие и в условиях единичного производства - в опытном производстве. Например, при исготовле-нии детали типа «Кольца», которые имеют малые велечины толщин (разница диаметров) и высот, не целесообразно использовать круглый стальной прокат по причине высокой стоимости заготовки (в виде диска), отрезают на специальных отрезных станках.
В первом разделе статьи представлены материалы, характерезующие физические явления, происходящие при плазменной резке кольцевых заготовок из листового металла. Показаны виды оборудования, используемого для этих целей и образцы заготовок для деталей «Установочные кольца», 37 типоразмеров, которых используются для комплектации стенда для правки дисков автомобильных колес. Новый облегченный вариант такого стенда специально проектируется магистрантами института (филиала) НГТУ им. Р.Е. Алексеева и будет изготовлен в виде выстовочного образца, как
объект, характерезующих одно из практических направлений университета. Во втором разделе статьи представлены сведения, касающиеся получения кольцевых заготовок методом лазерной резки.
Технологическиережимы плазменной резки
Рабочие плазмообразующие среды должны обеспечивать:
• эффективное формирование режущей дуги
• получение высококачественных кромок
реза
• эффективную передачу разрезаемому металлу тепловой энергии, заимствованной в столбе дуги
• длительную работу формирующих элементов плазмотрона
• получение дополнительной энергии для резки за счет экзотермических реакций
• экономичность и безопасность работы.
Рабочие среды наиболее широко используются
в виде технических газов: азота, аргона, водорода, кислорода, сжатого воздуха и др.
Рабочую среду выбирают с учетом ее свойств (табл. 1) и свойств обрабатываемого материала. Инертные газы обеспечивают получение наиболее чистых поверхностей реза, что особенно важно для резки цветных металлов. Двухатомные газы улучшают передачу энергии дуги разрезаемому металлу за счет механизма диссоциации — рекомбинации. Кислородсодержащие среды повышают энергетическую эффективность резки металлов, экзотермически реагирующих с кислородом, что обеспечивает для них наиболее высокую производительность резки [4].
Таблица 1
Физико-химические свойства плазмообразующих сред
Среда m s £ О О & о о X od В S X % m c-i с, См/см Л 4 о 5 X W u, В
первый второй
N2 28,002 1,2505 1,05 231 1,23 30 714,84 14,51 29,41
Ar 39,94 1,783 0,53 280 0,702 30 - 15,7 27,64
H2O (вода, пар при 373 К) 18,016 0,598 2,02 - - - 485,52 - -
^ 2,016 0,084 14,3 91,4 3,58 65 435,96 13,54 -
Воздух - 1,293 1,01 260 2,60 30 - - -
O2 32,0 1,43 0,92 266 0,750 25 496,44 13,57 34,75
Примечание: М - атомная или молекулярная масса; у - удельный вес при 273 К и 101 кПа; c - теплоемкость при 273 К и 101 кПа; п - вязкость при 10*103 К и 101 кПа; X - теплопроводность при 10*103 К и 101 кПа; с - удельная электрическая проводимость при 10*103 К и 101 кПа; q - энергия диссоциации; u - потенциал ионизации. Источник: [1].
Наибольшее применение в РФ получила резка на основе использования плазмы кислородсодержащего сжатого воздуха (воздушно-плазменная
резка). Области рационального использования сред указаны в табл. 2.
Таблица 2
Области применения рабочих сред при пламенной резке
Основная рабочая среда Добавки Области применения
Сжатый воздух (ГОСТ 17433-72) Машинная и ручная резка углеродистых, низколегированных, коррозионностойких сталей, черновая резка цветных металлов
То же >> >> Кислород (ГОСТ 5583-78) Вода (ГОСТ 2874-82) Пропан-бутан (ГОСТ 2044880) с водой или без Высокопроизводительная машинная резка сталей Машинная резка сталей с уменьшением степени газонасыщения кромок Высокопроизводительная машинная резка меди и резка сталей с улучшенным свойством кромок
Кислород (ГОСТ 5583-78) - Высокопроизводительная машинная резка сталей с уменьшением газонасыщения кромок
Аргон (ГОСТ 1015779) Водород (ГОСТ 3022-79) без добавок, с водой или водородом Чистовая резка цветных металлов
Азот (ГОСТ 929374) Водород (ГОСТ 3022-79)без добавок, с водой или водородом Чистовая резка меди, ручная резка цветных металлов толщиной до 80 мм
Источник: [1].
Факторы, влияющие на выбор параметров режима плазменной резки
Технологический процесс плазменной резки включает в себя следующие операции: врезание (с кромки листа или, при необходимости, с пробивки исходного отверстия), резку прямолинейных и криволинейных участков заданного контура и завершение реза. Основной операцией является прямолинейная резка заготовок с вертикальными кромками.
В составе назначаемых режимов и условий резки указывают рабочую плазмообразующую
среду, рабочий ток, диаметр и длину сопла, расход рабочей среды, расстояние от рабочего торца плазмотрона до поверхности металла, а также рабочее напряжение дуги и скорость резки.
Ток I, напряжение и, тепловой к. п. д. п дуги, удельный вес у, толщина 5, энтальпия плавления S разрезаемого металла, ширина реза Ь определяют скорость резки:
W = 0,24Шп/^(см/с) (1)
При резке стали 5=1 см, у = 7,8 г/см3, S= 13,06 кДж/г током 1=300 А при и = 180 В с п = 0,3 и Ь=0,4
см W=4 см/с, или 2,4 м/мин. При резке в окислительных средах реакция окисления повышает скорость. При заданном режиме скорость резки можно регулировать (рис. 1).
5
О 20 ЬО 60 80 ЮО Тощина стали, мп
Рисунок 1. Влияние толщины металла на скоростьплазменной резки (а-е обозначают форму реза) а - зона непрорезания; б - предельная скорость сквозного прорезания, неустойчевый рез со сходящими кромками; в - высокая скорость резки, непараллельные кромки реза; г - ограниченная скорость резки, кромки реза близки к параллельным; скорости в зоне между г и д обеспечивают практическую кромок; е -скорости, при которых рез снова приобретает неустойчивую форму сечения, но срасходящимися кромками: ниже е - зона неустойчивой, некачественной резки.Ориентировочные режимы: ток 300 А, расход воздуха 90-120 л/мин, диаметр сопла 3 мм. Источник: [1].
Максимально возможная скорость резки на прямолинейных участках ограничивается уровнем, выше которого не достигается сквозное резание металла (рис. 1, а). При скорости ниже этого уровня металл прорезается полностью (рис.1, б), но качество резки характеризуется большой неперпендикулярностью кромок, шероховатостью поверхностей, большой глубиной литого участка зоны термического влияния и т. д.
С ограничением скорости резки (рис. 1, в, г) качество заготовок повышается, хотя затраты энергии
Ориентировочные режимы
и материалов возрастают, производительность резки снижается. При скоростях резки ниже максимальных в 1,5—2,5 раза (рис. 1, д) кромки реза становятся параллельными между собой и перпендикулярными к поверхности листа, шероховатость становится минимальной и вырезаемая заготовка по большей части может быть использована без дополнительной механической обработки. При дальнейшем снижении скорости резки (рис. 1, е) процесс и качество заготовок теряют стабильность, что неприемлемо.
Таблица 3
Толщина металла, мм Диаметр сопла, мм Длина сопла, мм Ток, А Расход воздуха, л/мин Скорость резки, м/мин
стали алюминия меди
5 2,5-2,8 3-4 200-260 80-100 4-6 4,5-5 1,7-3
10 2,5-2,8 3-4 250-290 80-100 1,9-3,6 2,4-4,2 1,1-2
15 2,5-2,8 3-4 250-325 80-100 1,2-3 1,6-3,5 0,65-1,6
20 2,5-3 3-4 270-325 80-100 1-2,3 1,3-3 0,45-1,2
40 2,8-3,7 4-7 300-400 100-120 0,60,9 0,9-1,2 0,3-0,6
60 3-3,7 4-7 350-400 100-135 0,3-0,4 0,4-0,6 0,1-0,3
100 4 6-8 400-450 135-140 0,1 0,1 -
Источник: [1]
Ориентировочные режимы и условия резки (для машинной прямолинейной резки) приведены в табл. 3. Скорость резки на криволинейных участках (с малыми радиусами кривизны) понижают на 30— 50 % во избежание искажения формы кромок в результате отставания режущей струи (аналогично газопламенной кислородной резке). Аналогично снижают скорость резки при завершении реза с целью сквозного прорезания металла на концевом участке у нижних кромок.
Если резку начинают на поверхности листа, начальное отверстие в металле пробивают вне контура детали (на отходе). При механизированной резке пробивку производят в движении машины с приподниманием и последующим опусканием плазмотрона. Пробивка производится при скорости движения машины меньшей против заданной в 1,5 —2 раза.
Врезание с кромки металла или начального отверстия при толщине металла 20—30 мм не требует специальных приемов и регулировки скорости. Контроль полноты прорезания можно вести наблюдая за отклонением от вертикали факела режущей струи на выходе из листа. Вначале врезания ось и передняя граница факела отклоняются в сторону, противоположную резке, но при правильно установленной скорости передняя граница факела вскоре занимает вертикальное положение или близкое к нему. Такое положение в процессе резки свидетельствует о рациональной скорости. При слишком малой скоростивесь факел ориентируется по вертикали, а его передняя граница неустойчива и отклоняется в направлении движения резака.
Тепловые модели плазменной резки
Учитывая определяющий характер тепловых явлений, для оценочных расчетов режимов резки
используют тепловые модели, созданные на основе теории теплопроводности. При этом не учитывается влияние газогидродинамических явлений в полости реза. Простейшей является одномерная модель резки с последовательным образованием отверстий и коэффициентом перекрытия. Для оценочных расчетов режимов резки применяются также модель линейного источника тепла в пластине. В параметрической форме основное ее уравнение имеет вид:
6,3/Р = 1п (4,5/У), (2)
Р = q/5ay (СТП + ш); Y = Vpb/a (3)
где:
Р— параметры соответственно мощности и скорости; q — эффективная тепловая мощность луча, Вт; 5 — толщина металла, м; а — коэффициент температуропроводности, м2/с; у — плотность, кг/м3; с — удельная теплоемкость, Дж/(кг*К); Тп — температура плавления. К; т — скрытая теплота плавления, Дж/кг; Vp — скорость резки, м/с; Ь — ширина реза, м.
При Р>10 и Y>5 выражение (2) преобразуется в уравнение Y=0,48 Р для мощного быстродвижу-щегося линейного источника тепла в пластине, при Р<4 и Y<1 оно описывает предельное состояние теплового поля для линейного подвижного источника тепла. По (2) можно рассчитать скорость резки при заданной мощности излучения или требуемую мощность излучения при заданной толщине металла и скорости резки. В качестве примера рассчитаем минимальное значение q, требуемое для резки разных металлов толщиной 10-3 м при минимальной скорости резки 1,67*10-3 м/с и Ь=2*10-4 м. Ниже приведены данные по разрезаемости разных металлов
Таблица 4
Таблица по разрезаемости разных металлов
Металл Fe Al Ti Ni Cu W Mo
q, Вт, при резке в режиме: плавления 119,4 248,6 54,5 214,1 520,9 666,7 467,5
испарения 760,5 2748 312,6 1653,7 4393,4 6800,6 3660,6
Источник:[2].
Расчетные минимальные значения q характеризуют разрезаемость металлов в режиме плавления и испарения. При расчете q при резке в режиме испарения, согласно (3),
Р = q/5ay (сТк + г), (4) где Тк — температура кипения металла; г — скрытая теплота испарения, Дж/кг. Значения q рассчитаны из условия, что теплофизические свойства металлов не зависят от температуры и агрегатного состояния. Для определения требуемой мощности лазера необходимо учесть поглощательную способность металла.
Комбинированная модель описывает нестационарный периодический характер разрушения верхней кромки металла на малой скорости резки с
помощью механизма образования отверстий и стационарное разрушение металла по всей его толщине при большой скорости резки. Используя эту модель, можно объяснить наличие на поверхности реза зон с разной шероховатостью, выполнить оценочные количественные расчеты скорости резки и шероховатости поверхности кромки. Но в модели не учитываются изменение плотности мощности излучения по толщине металла и газодинамическое воздействие на металл струи вспомогательного газа.
Физические явления, происходящие в зоне реза при плазменной резке
Характер физических явлений на передней поверхности реза определяется плотностью мощности светового потока. С повышением плотности
мощности растет температура передней поверхности реза и средняя скорость ее перемещения. По сравнению с традиционными источниками тепла, которые используются в процессах кислородной, плазменной и электронно-лучевой обработки, сфокусированный лазерный луч обеспечивает на один — полтора порядка более высокую плотность энергии, передаваемой аномально малой площади воздействия (рис. 5). Такой световой поток за доли секунды не только расплавляет, но и частично испаряет поверхность любого, даже самого тугоплавкого, материала. В процессе резки падающий на материал световой поток частично поглощается поверхностью материала, расплавленной
пленкой и боковыми поверхностями реза, частично отражается. При большой плотности энергии часть излучения поглощается образующимися продуктами разрушения материала, вследствие чего снижается эффективность резки. Поглощательная способность конкретного металла зависит от длины волны, поляризации и угла падения излучения на поверхность. Она увеличивается при расплавлении и окислении металла, при увеличении толщины металла и может достигать >80%. В литературе отсутствуют конкретные коэффициенты поглощения применительно к многообразным условиям резки.
Рисунок 2. Энергетические параметры различных источников нагрева 1-лазерный; 2 - электронно-лучевой; 3 - плазменный; 4 - газоплазменный
Источник:[2].
Характер физических явлений в разрезе зависит от относительного энерговклада лазерного и химического тепловых источников. При высокой плотности мощности излучения резка идет с заметным испарением (сублимацией) материала, газ выполняет в основном функцию удаления из разреза продуктов разрушения. В этом случае скорость и качество резки определяются параметрами излучения. Если энерговклад химического источника сопоставим с лазерным или превышает его, то процесс резки идет в режиме плавления с экзотермическим окислением расплавленного металла на передней поверхности реза. В этом случае скорость и качество ниже и определяются параметрами химического источника тепла и процесс мало чем отличается от процесса кислородной резки стали.
При резке металлов механизм разрушения может быть стационарным, когда по всей длине канала реза существует ванна расплава, и нестационарным (неустановившимся), характеризующимся периодическим выносом расплавленного металла из полости реза. На практике имеет место нестационарный механизм.
Использование вспомогательного газа позволяет заметно снизить удельные затраты энергии излучения благодаря более интенсивному удалению из полости реза продуктов разрушения. При резке металлов применяют в основном кислород. На лобовой поверхности реза выделяется дополнительная теплота в результате окисления металла. Образуется оксидная пленка, которая значительно повышает коэффициент поглощения излучения. Применение импульсно-периодического излучения позволяет снизить удельные затраты энергии излучения, а также существенно повысить качество резки. Назначая определенные параметры излучения (пиковую мощность, форму, длительность и частоту следования импульсов) можно активно влиять на скорость резки, глубину зоны термического воздействия, толщину разрезаемого материала, количество грата на кромках. В литературе недостаточно внимания уделено теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса резки с использованием импульсно-периодического излучения.
Рисунок З.Общий вид установки для плазменной резки
Источник:[2].
Рисунок 4. Вырезание кольцевой заготовки методом плазменной резки Источник: [3].
Рисунок5. Вырезание прямолинейных конфигураций заготовок методомплазменной резки Источник:[4].
Физические основы лазерной резки
Лазерная резка, так же как и плазменная или газовая, является немеханическим способом раскроя металла, основанном на термическом воздействии. Лазерный луч, испускаемый специальным оборудованием, направляется и концентрируется на заготовке, достигая размеров площади контакта всего в несколько микрон. При этом кристаллическая решетка разрезаемого материала разогревается до температуры плавления.
В то же время, площадь луча настолько мала, что вся заготовка во время обработки остается практически холодной, а линия реза отличается минимальной погрешностью в десятые доли миллиметра. В месте резки металл плавится и может одновременно выкипать (испаряться). Расстояние между поверхностью заготовки и рабочим органом оборудования, испускающим лазерный луч, должно быть не более нескольких сантиметров. Ла-
зером можно выполнять точные, аккуратные разрезы металлических заготовок небольшой толЩИНЫ.
Рисунок 6. Фотография процесса лазерной резки при вырезании сложного профиля Источник:[5].
металл, но и фрезеровать, делать впадины, углубления заданного размера и многое другое. Только внутреннюю резьбу выполнить невозможно. Аппарат лазерной резки применяют и для гравировки. Процесс не требует использования сложного оборудования, мощность лазера не должна быть большой.
Рисунок7. Фотография процесса вырезания цилиндрических заготовоклазерной резкой Источник:[5].
Филигранность обработки настолько велика, что вышедшая из лазерной установки деталь обычно не нуждается в какой-либо завершающей обработке и может сразу использоваться или передаваться на последующий этап технологического процесса. Лазерным лучом можно не только резать
Ниже приводятся сведения по теоретическим основам, технологическим процессам и оборудованию для лазерной резки материалов, которая из всех технологий лазерной обработки получила наиболее широкое промышленное применение. Рассмотрены физические явления в полости реза, модели для расчета основных технологических параметров процесса. Даны рекомендации по выбору режимов резки разных металлов и неметаллических материалов с использованием непрерывного и им-пульсно-периодического излучения промышленных лазеров. В последних разделах описываются конструктивные схемы машин, автоматизированных комплексов и роботов для резки плоских и про-
странственных заготовок, а также приводятся типичные примеры промышленного применения техники лазерной резки.
Схема процесса лазерной резки листового материала
Процесс лазерной резки (рис. 4) характеризуется одновременным воздействием на разрезаемый материал сфокусированного линзой или объективом лазерного излучения и вспомогательного газа, в результате которого образуется в материале узкий разрез. Синхронно перемещению лазерного резака по всей толщине обрабатываемого материала движется нагретая до определенной температуры наклонная поверхность разрушения (передняя поверхность реза), взаимодействующая с излучением.
Рисунок 8. Схема процесса лазерной резки листового материала, ЛИ - лазерное излучение; Л- линза; Р - резак; М - разрезаемый материал; ПР - поверхность
разрушения; ВГ - вспомогательный газ.
Источник:[2].
Лазерная резка считается самой качественной и современной среди всех остальных вариантов раскроя металла. Этот новый способ позволяет выполнить разрез по заданным критериям. Лазером можно обрабатывать любые металлы, независимо от их теплопроводности.
Концентрация энергии, которую обеспечивает луч, настолько высока, что металл в месте резки плавится. При этом область термического воздействия настолько мала, что минимальна и деформация изготовленной детали. Благодаря этому лазерную резку возможно использовать в обработке нежестких металлов.
Рисунок 9. Фотография процесса лазерной резки тормозного диска велосипеда
Источник:[6].
Преимущества резки металлов лазером:
1. Заготовка не подвергается механическому воздействию - можно резать легкодеформируемые и хрупкие материалы.
2. Возможность работы с твердыми сплавами.
3. Высокая точность реза и идеально ровные края кромки, без заусениц, наплывов и иных дефектов.
4. Отсутствие потребности в последующей обработке изготовленных деталей.
5. Возможность вырезать детали любой формы, даже самой сложной.
6. Легкость управления лазерным оборудованием - достаточно в какой-либо чертежной программе подготовить рисунок будущего изделия и перенести его в компьютер установки для резки.
7. Высокая производительность (примерно в 10 раз быстрее, чем газовой горелкой).
8. Высокоскоростная обработка тонколистового проката.
9. Детали на листе металла можно разместить максимально компактно - высокая экономичность расхода материала.
10. Экономическая эффективность при изготовлении малых партий деталей, для которых делать формы для прессования или литья нецелесообразно.
Рисунок 10. Фотография процесса лазерной резки прямоугольных заготовок
Источник:[5].
Недостатки:
1. Высокая стоимость оборудования.
2. Низкая эффективность при работе со сплавами и металлами, обладающими высокими отражающими свойствами (к примеру, алюминий, нержавеющая сталь).
3. Максимальная толщина металла 20 мм.
Конструктивные особенности оборудования для лазерной резки металла
Оборудование для лазерной резки металла, как правило, состоит из ниже перечисленных основных узлов:
• излучателя;
• системы транспортировки и формирования излучения;
• системы формирования газа и его транспортировки;
• координатного устройства;
•системы автоматизированного управления (САУ).
Рисунок 11. Общий вид установки для лазерной резки
Источник:[5].
Излучатель генерирует лазерный пучок с требуемыми для резки, оптическими, мощностными и пространственно-временными характеристиками. Он состоит из:
• системы накачки;
• активного элемента;
• резонатора;
• устройства модуляции лазерного излучения (при необходимости).
В качестве излучателя в оборудовании для обработки металла используются газовые и твердотельные лазеры, функционирующие в непрерывном и импульсном режимах. Система транспортировки и формирования излучения передает, фокусирует и направляет пучок от излучателя на деталь, подвергаемую резке. Состав системы:
• юстировочный лазер;
• оптические объективы (трансформаторы);
• оптический затвор; • система фокусировки;
• устройство изменения плоскости поляриза- • система стабилизации фокальной плоскости ции; и величины зазора до детали.
• поворотные зеркала;
Рисунок 12. Фотография процесса лазерной резки (вырезания отверстий в трубной заготовке) Источник:[5].
Система формирования газа и его транспортировки подготавливает состав требуемых параметров и подает его через сопло в зону реза. Координатное устройствообеспечивает относительное перемещение детали и лазерного луча в пространстве. Включает в себя привод, двигатели, исполнительные механизмы. САУ предназначена для управления и контроля параметрами лазера, формирования и передачи команд на предусмотренные исполнительные модули систем формирования и транспортировки излучения и газа, а также координатного устройства. САУ состоит из:
• датчиков параметров функционирования лазера (давления, состава рабочей смеси, температуры и других);
•датчиков рабочих параметров излучения (стабильности оси направленности, расходимости, мощности и других);
• систем управления затвором и адаптивной оптикой;
• системы управления работой координатного устройства.
Лазерные установки для резки металла -принцип действия
Твердотельные лазерные установки для резки металла конструктивно более простые, в тоже время, менее мощные, чем газовые. Величина этой характеристики для них составляет в среднем 1-6 кВт. Сердце излучателя твердотельного лазера -стержень (активный элемент) из алюмоиттриевого граната, рубина или неодимового стекла. Стержень непрерывно подвергается накачке (возбуждению) световым потоком от специальных мощных ламп. Система отражателей фокусирует лазерное излучение, резонатор его усиливает, луч передается через систему призм к головке, где происходит его окончательное формирование и подача на заготовку.
Управление всеми узлами оборудования происходит автоматически по заложенным в память станка программам.
В газовых лазерах активным элементом является углекислый газ, гелий или азот, закаченные в газоразрядную камеру. Возбуждение газа производится непрерывными электрическими импульсами высокой частоты. Такая конструкция позволяет при сравнительно небольших габаритах установки получать мощности 20 кВт и более, что необходимо для резки сверхпрочных сплавов.
Лазерная головка для резки металла, куда передается луч, обеспечивает его оптимальную стабильность при раскрое и резке, а также неизменность необходимого фокусного расстояния (даже при неровной поверхности металла). Заменой линзы головки можно менять толщину обрабатываемого материала (не на всех установках). Головка оснащена концентрическим соплом, через которое под давлением подается газ, выдувающий расплавленный материал из разреза и одновременно защищающий отпродуктов обработки линзу. В области резки может быть предусмотрено дымоулавлива-ние.
В случае обдува азотом луч расплавляет, а струя газа удаляет расплавленный металл из разреза. Азот используют, когда нежелательно окисление разрезаемого материала. Например, если подавать кислород при обработке нержавеющей стали, то ее сопротивляемость коррозии существенно понизится (для обработки нержавейки пригоден только чистейший азот). Резка алюминиевых деталей в кислороде сопровождается образованием неровных, с заусенцами срезов. При обработке в азоте материал только плавится, но не испаряется и не горит. Температура резки ниже, чем с кислородом, но
и меньше скорость работы. Фокус луча обычно должен находиться у противоположной от источника излучения стороны листа.
Рисунок13.Фрагмент вырезания сложного профиля в стеклянной заготовке
Источник:[7].
При использовании кислорода температура резки выше, чем с другими газами. Как следствие, увеличивается скорость обработки и возможная толщина листа металла, который при некоторых условиях частично испаряется. Все это является следствием того, что кислород, попадая на поверхность раскаленного лазерным лучом металла, вступает с последним в реакцию окисления, которая сопровождается выделением тепла. Скорость резки тем выше, чем чище кислород. Для лазерной резки
могут использоваться и другие газы - выбор зависит от вида и толщины металла, предполагаемой последующей обработки.
Особенности создания макета для лазерной резки заготовок из листовой стали[8]
Итак, Вы собираетесь сделать макет изделия, которое хотите вырезать на лазерном станке. Как это сделать?
Допустим, Вы хотите изготовить партию номерков для гардероба.
Рисунок14. Эскиз изделия (номерок для гардероба) для разработки раскройной карты лазерной резки Источник:[8].
Для начала вам нужно представить, как будет выглядеть номерок, возможно даже нарисовать тех. эскиз. Пускай он будет выглядеть как на рисунке 1. Небольшой, прямоугольный, со скругленными уг-
лами, размером 4 на 5,5 см, с награвированным номером. Теперь можно приступить к макету в CorelDraw.
Сначала создадим саму форму номерка: это прямоугольник со скругленными краями и окружность для отверстия:
Рисунок 15. Пример создания формы изделия (номерок для гардероба)
Источник:[8].
Особое внимание: Толщина линии - Hairline, или «сверхтонкий абрис» в русифицированной версии. Заливки - нет.Цветлинии - черный.
Источник:[8].
Рисунок16.Вид контура эскиза изделия (номерок для гардероба)
Теперь перетащите окружность на прямоугольник, в то место, где должно быть отверстье. Чтобы выровнять отверстье по центру, выделите и прямоугольник и окружность, и нажмите латинскую клавишу «С» (или Arrange ->AlignandDistributive ->Aligncenter).
Теперь можно объединить все в одну кривую: выделите все и нажмите ctrl+L
Все. Макет номерка готов, и можно уже сохранять и резать, но нам еще нужно награвировать номер. Да и делать ихпо одному слишком долго. Итак, номер:
Рисунок 17.Пример создания номера на эскизе изделия (номерок для гардероба)
Источник:[8].
Создав номер нужного размера, разместите его слишком долго, проще сразу сделать макет на все на номерке. 35 штук.
Мы не планируем делать один номерок, нам нужно, допустим, 35. И делать их по одному -
-
Л4.
Выбрать этот режим
134
134
направлен* копирования (горизон^льно во)
134(Г0РШ
134
134
134
Ste> and Reowt
syzz^at Sertngs I *
МСиМЛ ( T--1 »Ж!» v
«^jter^^ 1.0 rr. Drertr V N * яние между
Pa:C:o
КОПИЯМИ
1 34«оличество
копий_
'trer о':»« 6
134
Источник:[8].
Рисунок 18.Пример создания макета из 35 изделий (номерки для гардероба)
\
И, конечно, можно вручную нарисовать все 35 штук, но проще скопировать наш номерок 34 раза, а еще проще воспользоваться функцией 81ераМЯе-реа! (ЕШ1->81ерапЖереа1 или просто нажать сЫ+БЫЙ+Б)
В появившемся докере (боковом окне) введите параметры копирования: сначала 6 копий по горизонтали, а затем получившуюся строку еще 4 раза скопировать вниз.
Теперь у нас есть 35 номерков с одинаковыми номерами. А нужны разные: от 1 до 35. Так что вручную меняем текст на всех номерках.
Особое внимание: минимальное расстояние между объектами зависит от материала, но в любом случае не должен быть менее 1-1,5 мм. Подробнее - во второй части, ниже.
Итак, теперь у нас есть макет номерков. Однако, этот макет не подходит для работы на лазерном станке, т.к. не отвечает ряду требований.
2. Подготовка макета для загрузки в лазерный станок Условия для подготовки файлов в к лазерной резке и гравировке:
Файл должен состоять из кривых.Все числа у нас на номерках написаны шрифтами, и их необходимо перевести в кривые.Выберите все объекты рамкой и щелкните правой кнопкой ->Соп\ сгиоС'111Л С5 (или просто нажмите сШ+С>).
Источник:[8].
Рисунок 19. Пример создания кривых на макете
Толщина всех линий - Hairline (сверхтонкий абрис). Толщину линий можно поменять у каждого объекта вручную, но у нас их уже более ста, так что проще - через ObjectProperties. ( Это - тоже докер, если он у вас не включен, то Window->Dockers->Properties или просто Alt+Enter). Выделите все объекты, щелкните на вкладку с пером, затем задайте толщину Hairline (см рисунок). Контур резки и контур гравировки должны быть выделены разными цветами, заливка везде прозрачная.
Нужно выделить все цифры и перекрасить их, например, в красный. Для этого: выделяем все числа на боковой панели цветов правой кнопкой жмем на красный - у чисел появится красный контур левой кнопкой жмем на прозрачный (в виде крестика) - все числа потеряют заливку Особое внимание: Станок различает далеко не все цвета. Например, все оттенки серого для него - чер-ный.Используйте основные цвета: черный, красный, синий, зеленый, желтый, сиреневый, циановый, оранжевый, белый.
ЛОЛ л
Рисунок 20. Пример выбора цвета на макете
Источник:[8].
Минимальное расстояние между объек-тами.Ниже представлена таблица минимальных зазоров между деталями. Толщина материала Минимальный зазор менее 1 мм, ткани или бумага/картон 1,5 мм Менее 1 мм, пластик 2 - 2,5 мм 1-3 мм 3-4 мм 3-6 мм 4-4,5мм Более 6 мм 5 мм и более Нарушение этих норм приведет к деформации края реза.
Также несколько важных правил:
В файле все линии не должны быть прозрачными. В файле должна быть одна страница, или все фигуры для резки должны быть размещены на первой. Все контуры должны быть замкнуты (если, конечно, это возможно) в случае с резкой, и они должны быть обязательно замкнуты в случае гравировки (гравировка незамкнутых линий может быть осуществлена только в виде резки не насквозь). Модель должна быть выполнена в масштабе 1:1, т.е. в
натуральную величину. Если вы планируете заказать гравировку, помните: минимальный размер символа текста - 1*1 мм. Если для Вас очень важна точность (например, при изготовлении сборных конструкций), учитывайте, что толщина луча составляет 0,1мм, т.е. если в файле отверстье диаметром 5 мм, то на практике он выйдет 5,1 мм. Если все эти условия соблюдены - тогда файл готов к работе. Можно запустить резку прямо из Corel, предварительно установив специальный плагин, или же сохранить файл в формате .plt и загрузить его в специализированную программу LaserCut, идущую вместе со станком.
3. Мелкие хитрости. Как подготовить файл так, чтоб порезалось быстрее? На рисунке видны некоторые хитрости.
Рисунок 21. Вид макета состоящего из 35 изделий (номерки для гардероба)
Источник:[8].
Сращивание контуров.Детали могут соприкасаться вплотную и иметь общую стенку. Например, наши номерки. У номерка 9 общая стенка с четырьмя другими номерками, т.е. все его стенки можно удалить, оставив лишь скругленные углы.Такой подход уменьшает метраж реза почти на треть. И экономит материал. Цветовая градация гравировки.Лазерная гравировка делается построчно: головка проходит строку слева направо, а затем поднимается вверх и проходит следующую строку. Зачем же мы раскрасили цифры разными цветами? Чтобы укоротить строку. Ведь станок не начнет гравировать новый цвет, пока не закончит старый. Т.е. если залить их одним цветом, то головка будет проходить расстояние вдоль всего листа, а если сделать как на рисунке, то она сначала будет колебаться между первыми двумя столбцами номеров, потом - между третьим и четвертым, т.е.
расстояние между вторым и третьим проходить уже не будет.Такой подход может сократить время гравировки вдвое, а ведь гравировка может занимать до нескольких часов. Порядок резкиразными цветами можно также помечать и фрагменты резки, что определить очередность резки. Например, у нас отверстья выделены желтым, и режутся отдельным циклом, сначала. Сделано это для того, чтобы исключить возможность брака: если сначала вырезать внешний контур, то номерок может вывалиться из листа и отверстье в нем уже не прорежется. Также разные цвета можно использовать, например, для разных настроек мощности резки: насквозь и не насквозь. Также различные цвета можно включать и выключать: сейчас мы режем красный, синий и желтый контур, а в следующий заход отключает красный и режем только синий и желтый.
Таблица 5
Сравнительные показатели качества поверхностей заготовок при лазерной и плазменной резке
Показатель качества Лазерная резка Плазменная резка
Разрезаемый материал металлы, пластики, дерево Металлы
Конусность кромки 0...2° 0.10°
Минимальный диаметр отверстий 0,3.. .0,4 от толщины детали 0,9 .1,4 от толщины детали
Шероховатость поверхности Ra, мкм 1,25.2,5 6,3.12,5
Окалина (грат) минимально отсутствует
Оплавление врезок, углов минимально присутствует
Максимальная толщина резки, мм до 40 мм до 150 мм
Источник:[9].
Приведенные в табл. 5 сведения подтверждаются представленными фотографиями образцов кольцевых заготовок. На рис. 22 показаны кольцевая заготовки, полученные плазменной резкой, где
наблюдается явно выраженная конусность кромки по наружному диаметру 9°. Отсутствие конусности кромки показана на рис. 23, где кольцевые заготовки получены лазерной резкой.
Г» %
I В
Рисунок 22. Пример кольцевых заготовок полученных плазменной резкой
Рисунок 23. Пример кольцевых заготовок полученных лазерной резкой
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Технология и выбор параметров режима плазменной резки[Электронный ресурс]. - Режим до-ступа:https://www.autowelding.ru/publ/1/plazmenno_ dugovaj а_ге7ка_теШ1оуЛекМо^у а_^ууЬог_раг-ате!гоу_ге7Ыта_р1а7теппо_|_ге7Ы/20-1 -0-221
2. Лазерная резка. Схема процесса, физические основы, модели лазерной резки[Электронный ресурс]. - Режим до-ступа:https://www.autowe1ding.ru/pub1/1/gazo1azernaj а_ге7ка/1а7е1^а_ге7ка_8№ета_ргосе88а_йМЛе8-kie_osnovy_mode1i_1azernoj_rezki/21-1-0-222
3. Технология плазменной резки[Электронный ресурс]. - Режим до-ступа:http://nerzhaveyka-spb. ru/p1azmennai a-rezka-meta11a/
4. Услуги плазменной резки [Электронный ресурс]. - Режим до-ступа:http://www.optoviki.kz/6472/goods/group-3940/10387/
5. Оборудование для лазерной резки металла - современная обработка материалов[Электронный ресурс]. - Режим до-ступа:Шр:/Ли1те1.ги/оЬогМоуате-ш1апоук1-golovka-lazernoj -rezki-metalla. html
6. Krystle Richardson The Future of Lasers: What You Need to Know [Электронныйресурс]. - Ре-жимдо-
стvпа:https://www.machines4u.com.au/mag/the-future-of-lasers-what-you-need-to-know/
7. Почему за услугой лазерной резки нужно обращаться в организацию «МосЛазер» [Электронный ресурс]. - Режим до-ступа:https://www.arsvest.ru/rubr/4/39948
8. Создание макета для лазерной резки [Электронный ресурс]. - Режим доступа:http://samara.all-ready.ru/stati/stati-o-lazernyh-stankah/kak-podgotovit-fayl-v-coreldraw/amp
9. Основы технологии лазерной резки ме-талла[Электронный ресурс]. - Режим до-стvпа:https://wikimetaЦ.ru/metaЦoobrabotka/lazernay a-rezka-metalla.html (Дата обращения: 12.03.2018).
