Научная статья на тему 'Влияние параметров лазерной резки на качество поверхности реза стальных листов'

Влияние параметров лазерной резки на качество поверхности реза стальных листов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
2200
288
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА / МОЩНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ / СКОРОСТЬ РЕЗКИ / ДАВЛЕНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ГАЗА / ФОКУСНОЕ РАССТОЯНИЕ / ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ / СТАЛЬНЫЕ ЛИСТЫ / LASER CUTTING / EMISSION POWER / CUTTING SPEED / THE PRESSURE OF THE AUXILIARY GAS / FOCAL LENGTH / SURFACE ROUGHNESS / STEEL SHEETS

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Минаев Игорь Васильевич, Сергеев Николай Николаевич, Тихонова Ирина Васильевна, Гвоздев Александр Евгеньевич, Хонелидзе Давид Мамукович

Разработана математическая модель, адекватно описывающая влияние параметров ЛР на шероховатость поверхности реза при отсутствии грата, и проведена оптимизация режимов ЛР с помощью методов теории принятия решений. Показано, что шероховатость уменьшается при увеличении скорости и уменьшении фокусного расстояния до металла. Повышение мощности излучения, давления газа и толщины листа также влияют на шероховатости. Получена номограмма, позволяющая назначать режимы ЛР для получения минимальной шероховатости на листах разной толщины стали марки Ст. 3.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Минаев Игорь Васильевич, Сергеев Николай Николаевич, Тихонова Ирина Васильевна, Гвоздев Александр Евгеньевич, Хонелидзе Давид Мамукович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INFLUENCE OF PARAMETERS OF LASER CUTTING BURR SURFACE CUTTING OF STEEL PLATES

A mathematical model that adequately describes the effect of LC parameters on the surface roughness of the cut with no burrs is worked out, and the optimization mode LC using the methods of decision theory is given. It is shown that the surface roughness decreases with increasing speed and focal length decreases. Increasing the radiation power of the gas pressure and the thickness of the sheet has a negative impact on the roughness.The nomogram, allowing LC to assign modes for minimum roughness on sheets of different thickness steel St. 3 is received.

Текст научной работы на тему «Влияние параметров лазерной резки на качество поверхности реза стальных листов»

This paper presents the methodology and results of studies of mineral motor to establish the basic operating parameters of quality lubricants that will simplify their choices and improve the system of classification.

Key words: lubricant, lubricant performance indicators of quality lubricants, destruction, temperature resistance.

Petrov Oleg Nikolaevich, Senior Teacher, petrov_oleq@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Shram Vyacheslav Gennadevich, Senior Teacher, Shram18rus@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Kowalski Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, Labsm@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas

УДК 621.791.72:621.375.826

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ РЕЗА СТАЛЬНЫХ ЛИСТОВ

И.В. Минаев, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, А.Е. Гвоздев,

Д.М. Хонелидзе, И.В. Голышев

Разработана математическая модель, адекватно описывающая влияние параметров ЛР на шероховатость поверхности реза при отсутствии грата, и проведена оптимизация режимов ЛР с помощью методов теории принятия решений. Показано, что шероховатость уменьшается при увеличении скорости и уменьшении фокусного расстояния до металла. Повышение мощности излучения, давления газа и толщины листа также влияют на шероховатости. Получена номограмма, позволяющая назначать режимы ЛР для получения минимальной шероховатости на листах разной толщины стали марки Ст. 3.

Ключевые слова: лазерная резка, мощность излучения, скорость резки, давление вспомогательного газа, фокусное расстояние, шероховатость поверхности, стальные листы.

К числу перспективных процессов разделения материалов следует отнести лазерную резку (ЛР) металлов, основанную на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны резки.

ЛР стальных листов по сложному контуру является наиболее распространенным технологическим процессом лазерной обработки в промышленности. Ее применяют для вырезки таких деталей, как прокладки, кронштейны, панели, приборные щитки, двери, декоративные решетки,

дисковые пилы. Весьма эффективным оказалось применение лазерной резки фигурных изделий на стадии освоения новой продукции, так как из-за использования лазерного оборудования значительно сокращаются сроки освоения изделий. В этих условиях лазерная резка экономичнее резки водяной струей и эрозионной проволокой.

Основными направлениями развития ЛР являются повышение её эффективности (скорости резки, толщины разрезаемых листов Н) и достижение высоких показателей качества реза - низкой шероховатости поверхности реза, прямых стенок реза, отсутствия грата (застывших капель расплава на нижней кромки реза), малой зоны термического влияния. Полная и взаимосвязанная физическая картина образования лазерного реза к настоящему времени не создана [1]. Не разработаны надёжные методы прогнозирования результатов резки, оптимального выбора исходных параметров (мощности излучения ', скорости резки V, давления газа Р, фокусного расстояния Б) при различной толщине разрезаемых листов. Связано это, прежде всего, с многообразием и сложным взаимодействием протекающих при лазерной резке физических процессов.

В связи с вышеуказанным актуальным представляется поиск оптимальных условий для получения качественной поверхности реза. Целью настоящей работы явились разработка математической модели, адекватно описывающей влияние параметров ЛР на шероховатость поверхности реза при отсутствии грата и оптимизация режимов ЛР с помощью методов теории принятия решений.

Методика эксперимента

Раскрой стальных листов волоконным лазером производили с помощью комплекса,снабженного оптической головкой ЭИП1119 производства НТО “ИРЭ-Полюс”

Оптическая головка осуществляет принудительный обдув защитного стекла. Для обеспечения оптимальных режимов резки головка имеет две регулировки:

- продольную для изменения положения фокуса относительно сопла;

- поперечную для юстировки поперечного положения сопловой части относительно оси лазерного луча.

Оптическая головка ЭИП1119 позволяет регулировать такие параметры ЛР, как мощность излучения ' < 3000 Вт, давление газа Р < 2 МПа, фокусное расстояние 293 < Б < 307 мм.

Объектом исследования явились листы из углеродистой стали марки Ст.3 (ГОСТ 380-2005). Соосно с лазерным пучком в зону резки подавалась струя технологического газа (кислород). Комплексная методика исследования образцов после реза включает в себя:

- макрофрактографический анализ для определения наличия и количества грата и ширины зон лазерного воздействия и выдувания газом на

поверхности канала реза. Для этого использовали стереоскопический микроскоп, цифровой фотоаппарат и штангенциркуль;

- измерение шероховатости канала реза с целью определения качественной характеристики лазерной резки на портативном измерителе шероховатости ТЯ220. За параметр шероховатости приняли Яг - высоту неровностей профиля по десяти точкам [2];

- измерения шероховатости на квадратных образцах с отверстием по центру. Далее из всех полученных значений рассчитывали среднее арифметическое для каждого образца.

Результаты и их обсуждения

Исследовали образцы из стали марки Ст.3 толщиной 6, 10, 14 мм. Параметры ЛР варьировали в пределах ' = 1200... 1900 Вт, V = 700... 1600 мм/мин, Р = 0,02.0,05 МПа, Б = 295.305 мм.

В каждом эксперименте на листе разной толщины меняли параметры ЛР таким образом, чтобы разрезать лист без получения гратов. Отсутствие гратов подтверждено макрофрактографическим анализом.

После измерения шероховатости на всех образцах с помощью пакета прикладных программ Statgraphics CenturionXV получали математические модели, описывающие влияние Н и параметров ЛР на шероховатость поверхности реза, а также взаимосвязь толщины листа и параметров ЛР.

Взаимосвязь толщины листа, которую можно разрезать без присутствия грата, с параметрами ЛР описывает следующая зависимость (в мм):

Н = 0,004 • Ш - 0,005 • V - 3,235 • Р + 0,034 • (1)

Уравнение (1) обладает удовлетворительной прогнозирующей способностью и использовано для последующего анализа. На рис. 1 и 2 представлены области значений толщин листов, которые можно разрезать с отсутствием гратов, для разных комбинаций параметров ЛР.

Комплекс полученных данных свидетельствует о том, что взаимосвязь шероховатости поверхности реза с толщиной и параметрами ЛР может быть адекватно описана следующей моделью (в мкм):

= 37,10 • 10“3(^ • Р) + 8,01 • 10“7(Я • F3 • У~°,3). (2)

На рис. 3 представлены области значений шероховатости поверхности реза, которую можно получить на листах разной толщины при различных комбинациях параметров ЛР.

Полученные результаты позволяют установить направления изменения основных параметров ЛР для разрезания листов различной толщины без получения гратов:

- уменьшение фокусного расстояния уменьшает возможную толщину разрезаемого листа, возможную скорость резки, возможное давление газа и увеличивает необходимую мощность для резки листа заданной толщины;

- уменьшение давления газа увеличивает возможную скорость рез-

ки, возможную толщину разрезаемого листа, но уменьшает фокусное расстояние для заданной толщины и позволяет уменьшить требуемую мощность для резки листа заданной толщины;

- увеличение скорости резки увеличивает требуемую мощность для резки листа определенной толщины, диапазон возможного фокусного расстояния, но уменьшает диапазон возможного давления газа для резки листа заданной толщины,минимизируя ее;

- увеличение мощности увеличивает толщину разрезаемого листа, возможную скорость резки, диапазон возможного давления газа, но уменьшает диапазон возможного фокусного расстояния для получения листа заданной толщины.

1900 1800 1700 н 1600

оа

£

1500

1400

1300

1200

Рис. 1. Влияние Г и Г на толщину разрезаемого листа: а -¥=1200мм/мин, Р=0,02 МПа; б-¥=1200 мм/мин, Р=0,03 МПа; в -¥=1200мм/мин, Р=0,04 МПа; г -¥=1200мм/мин, Р=0,05 МПа;

(Н: 1-7...8мм; 2-8...9мм; 3-9...10мм;

4-10...11 мм; 5-11...12 мм)

Выполненный анализ показал следующее:

- чем больше толщина листа, тем больше шероховатость при сопоставимых режимахЛР;

- увеличение скорости уменьшает шероховатость и увеличивает диапазон мощности и давления с целью получения реза с минимальной шероховатостью;

- увеличение давления увеличивает шероховатость; уменьшает требуемую мощность и увеличивает требуемую скорость для заданного зна-

Р» мм р, мм р. мм Р, мм

а б в г

чения шероховатости;

- увеличение фокусного расстояния увеличивает шероховатость, но уменьшает требуемую мощность и увеличивает требуемую скорость для получения заданного значения шероховатости в меньшей степени, чем давление;

- увеличение мощности увеличивает шероховатость, уменьшая требуемое давление для заданного значения шероховатости.

а

б

в

Рис. 2. Влияние V и Р на толщину разрезаемого листа: а -¥=300 мм^=1200 Вт; б -¥=300 мм^=1550 Вт;

в -¥=300 мм^=1900 Вт;

(Н: 1-6...7мм; 2-7...8мм; 3-8...9мм; 4-9...10мм; 5-10...11 мм; 6 -11...12 мм; 7-12...13 мм; 8-13...14 мм)

Разработанные модели (1) и (2) использованы для оптимизации режимов ЛР с целью получения качественной поверхности реза на листах стали марки Ст.3 разной толщины. Оптимизацию проводили симплекс-методом при следующихдопущениях. Уравнение (2) представляли в виде целевой функции (при этом решали задачу минимизации шероховатости), уравнение (1) - в виде ограничения.

1900

|""|""|""|""|М"|""|""|""|

1800

1700

1600

1500

1400

1300

1200

| | |■ .1 ■ ■ ■ .1' ■ ■ ■ | | |

I111 Ч111 Ч111 Ч111 Ч111 Ч" "I " "I " "I

1111111 ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ I ■ ■ ■ ■ 11 ■ I ■ 11 ■ ■ ■ I

111 " 11 м Ч 1 " Ч " м 1111 Ч111 Ч 111 Ч 111 Ч I ПТ

,

ГО (Ч

Н. мм

Н. мм

Н. мм

а б в

Рис. 3. Влияние Н и Г на шероховатость реза: а - ¥=1200 мм/мин, Г=300 мм, Р=0,02 МПа; б - ¥=1200 мм/мин, Г=300 мм, Р=0,03 МПа; в - ¥=1200 мм/мин, Г=300 мм, Р=0,04 МПа; г - ¥=1200мм/мин, Г=300мм,Р=0,05 МПа (Яг: 1-20.40 мкм; 2-40.60 мкм; 3-60.80 мкм)

' о О1!

Н. мм

г

Рис. 4. Минимальная шероховатость для листов разной толщины (точки на кривой - номер режима ЛР)

Параметры ЛР для получения минимальной шероховатости на листах заданной толщины

Номер режима ЛР Н, мм Яг, мкм W, Вт V, мм/мин Р, МПа Р, мм

1 6 23,41 1200 1600 0,02 302

2 7 25,89 1300 1450 0,02 295

3 8 29,01 1300 1265 0,02 295

4 9 32,70 1400 1150 0,02 295

5 10 36,42 1400 1000 0,02 295

6 11 41,77 1450 850 0,02 297

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7 12 47,39 1600 700 0,02 295

8 13 50,51 1750 700 0,02 295

9 14 58,79 1900 700 0,02 305

Граничные условия при оптимизации включали диапазоны варьирования параметров ЛР. Задачу решали многократно, меняя значения толщины листа в ограничении. Каждой конкретной постановке задачи оптимизации соответствовала комбинация параметров ЛР, которая на листе заданной толщины позволяет получать минимальную шероховатость поверхности реза с отсутствием грата. Минимальные значения шероховатости, которые можно достичь на листах разной толщины, приведены на рис. 4. Точки на графике обозначают номер режима ЛР, параметры которых приведены в таблице.

Выводы

Разработаны статистические модели, адекватно описывающие влияние параметров ЛР на толщину листов, которую можно разрезать без образования гратов, и на шероховатость поверхности реза.

Показано, что шероховатость уменьшается при увеличении скорости и уменьшении фокусного расстояния. Повышение мощности излучения, давления газа и толщины листа негативно сказывается на шероховатости.

Проведена оптимизация разработанных моделей, позволившая установить режимы ЛР для получения минимальной шероховатости на листах заданной толщины.

В условиях отсутствия физической модели образования реза использование разработанных статистических моделей для оптимизации позволяет выбирать рациональные режимы ЛР, обеспечивающие получение качественной поверхности реза (с минимальной шероховатостью и отсутствием грата).

Список литературы

1. Голубев В.С. Механизмы удаления расплава при лазерной резке материалов // Глубокое каналирование и филаментация мощного лазерного излучения в вещество / под ред. В.Я. Панченко. М.: Интерконтакт-наука, 2009. С. 102-143.

2. Крагельский И.В. Характеристики микрогеометрии, определяющие контактное взаимодействие шероховатых поверхностей. М.: НИМАШ, 1973, 32 с.

Минаев Игорь Васильевич, ст. науч. сотр., nyftelar@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,

Сергеев Николай Николаевич, д-р техн. наук, проф., technology@tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого,

Тихонова Ирина Васильевна, канд.техн. наук, доц., TichonovaIV@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф.,

gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого

Хонелидзе Давид Мамукович, студент, dato12122@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Голышев Иван Владимирович, ст. науч. сотр., Ivan.golyshev@,gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого

INFLUENCE OF PARAMETERS OF LASER CUTTING BURR SURFACE CUTTING OF

STEEL PLATES

I.V. Minaev, N.N. Sergeev, I.V. Tikhonova, A.E. Gvozdev,

D.M. Khonelidze, I.V. Golishev

A mathematical model that adequately describes the effect of LC parameters on the surface roughness of the cut with no burrs is worked out, and the optimization mode LC using the methods of decision theory is given. It is shown that the surface roughness decreases with increasing speed and focal length decreases. Increasing the radiation power of the gas pressure and the thickness of the sheet has a negative impact on the roughness.The nomogram, allowing LC to assign modes for minimum roughness on sheets of different thickness steel St. 3 is received.

Key words: laser cutting, emission power, cutting speed, the pressure of the auxiliary gas, focal length, surface roughness, steel sheets.

Minaev Igor Vasilievich, senior researcher, npftelar@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

Sergeev Nikolay Nikolaevich, doctor of technical science, professor, technolo-gy@tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

Tikhonova Irina Vasilievna, candidate of technical sciences, docent, Tichono-vaIV@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Gvozdev Alexandr Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, gwoz-dew.alexandr2013@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

Khonelidze David Mamukovich, student, dato12122@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Golyshev Ivan Vladimirovich, senior researcher, Ivan.golyshev@gmail. com, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University

УДК 621.892.1

МЕТОД КОНТРОЛЯ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ

Б.И. Ковальский, Е.Г. Кравцова, Ю.Н. Безбородов, М.С. Лысая

Представлены экспериментальные данные по влиянию температуры на процессы окисления минеральных моторных масел. Установлено, что при окислении образуются два вида продуктов, различающихся оптическими свойствами. Предложен критерий термоокислительной стабильности, учитывающий количество поглощенной тепловой энергии продуктами окисления и испарения. Установлена экспоненциальная зависимость скорости окисления и ресурса от температуры.

Ключевые слова: коэффициент поглощения светового потока, термоокислительная стабильность, испаряемость, скорость процесса окисления, потенциальный ресурс, продукты окисления.

При эксплуатации машин и агрегатов смазочные материалы подвергаются внешним воздействиям, под влиянием которых происходит изменение физико-химических свойств, которые можно разделить на четыре группы [1].

1. Изменения физического характера - испарение компонентов масла, накопление продуктов изнашивания, растворение газов, воды и эластомеров, изменение концентрации присадок.

2. Изменения химического характера - окисление углеводородов базового масла, реакции гидролиза базового масла и присадок вследствие присутствия воды и водных растворов, реакции ацидолиза при наличии карбоновых кислот, реакции присадок с металлами.

3. Изменения механического характера, связанные с процессами

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.