bushuev_v_v_i_dr_metallorezhushie_stanki_tom_2

тельных органов, системы управления, электропривода и оценивается так же, как у металлорежущих станков. Наиболее существенными факторами, влияющими на размерные характеристики резов — ширину реза и ее отклонения, шероховатость поверхности реза, являются энергетические параметры процесса, к которым относятся мощность и плотность мощности.

Удобной величиной, характеризующей эффективность и качество процесса обработки, является комплексный параметр, представляющий собой отношение мощности излучения Р к скорости резки: P/vp, или же P/h (где h — толщина разрезаемого металла).

В качестве примера рассмотрим основные параметры процесса лазерной резки. При обработке различных материалов (рис. 10.25) скорость резки vp пропорциональна мощности лазерного излучения. Зависимость скорости резки от толщины заготовки менее определена, поскольку допустимая скорость может ограничиваться качеством резки. Однако в общем случае выполняется соотношение vp ~ h–1 (рис. 10.26).

С ростом скорости параметр P/h, характеризующий затраты мощности на единицу глубины реза (параметр эффективности), возрастает (рис. 10.27). Важным фактором является плотность мощности E(f), зависящей не только от мощности лазерног,о излучения, но и от условий его фокусирования, расходимости, модового состава луча и др.

На рис. 10.28 показаны графики изменения максимально достижимой глубины hк качественно выполненного реза в углеродистых сталях в зависимости от скорости обработки при различных условиях фокусирования. Как

Рис. 10.34. Зависимость шероховатости поверхности реза в углеродистой стали от скорости резки при Р = 0,9 кВт:

зона I — на верхней кромке металла; зона II — внутри металла; зона III — на нижней кромке металла

видно из графика, уменьшение диаметра фокального пятна df вызывает возрастание глубины качественно выполненного реза. Основной причиной такого роста глубины реза является повышение плотности энергии в зоне обработки.

На рис. 10.29—10.35 показаны зависимости основных показателей лазерной обработки от скорости резки, условий фокусирования для различных материалов (где h — глубина реза с низким качеством поверхности, hк — глубина реза с повышенным качеством поверхности, df — диаметр фокального пятна, f — фокусное расстояние линзы, f — расфокусирование). В табл. 10.6 приведены основные технические характеристики отечественных лазеров.

254ГЛАВА 10. СТАНКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ И ВОДОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ

10.3.3.Технологическое оборудование для лазерной резки

Готовые детали с помощью лазерной резки получают на лазерных технологических комплексах, позволяющих в зависимости от назначения и состава входящих в него устройств обрабатывать изделия сложной, плоской и объемной форм. В общем случае комплекс для лазерной резки состоит из следующих частей (рис. 10.36): I — излучатель; II — координатное устройство (приводы относительных перемещений обрабатываемой заготовки и луча); III — система формирования и транспортирования излучения и газа; IV — автоматизированная система управления комплексом и технологическим процессом. Излучатель I предназначен для генерации лазерного излучения с необходимыми оптическими и энергетическими параметрами. В состав излучателя входят активная среда 1 (диоксид углерода, аргон и др.), зеркала резонатора 2, элементы системы накачки 3 и устройство модуляции излучения 4.

Координатное устройство служит для осуществления относительного перемещения луча и заготовки. В состав координатного устройства входят исполнительные органы — стол изделия и газолазерный резак, приводы подач, двигатели, датчики обратной связи.

Система формирования и транспортирования излучения осуществляет передачу пучка от излучателя к обрабатываемой заготовке 5 и с помощью фокусирующей системы 6 и системы 7 стабилизации f и (см. рис. 10.24) создает необходимую плотность мощности. Кроме того, эта же система служит для формирования необходимых параметров режущего газа, направляемого в зону обработки через сопло резака 8 (см. рис. 10.36). В состав системы входят: поворотные зеркала 9; оптические трансформаторы (объективы) 10; устройство вращения плоскости

Рис. 10.36. Структурная схема станка для лазерной резки:

I — лазер: 1 — активная среда; 2 — зеркала резонатора; 3 — элементы системы накачки; 4 — устройство модуляции излучения; II — координатное устройство: 5 — заготовка; III — система формирования и транспортирования излучения и газа: 6 — фокусирующая система; 7 — система стабилизации положения фокальной плоскости и зазора; 8 — резак; 9 — зеркала; 10 — объектив; 11 — устройство вращения плоскости поляризации; 12 — оптический затвор; 13 — система подачи газа; 14 — юстировочный лазер; IV — автоматизированная система управления параметрами станка: 15 — датчики параметров лазера; 16 — система измерения параметров лазерного пучка

поляризации 11; оптический затвор 12; фокусирующая система 6; система подачи газа 13; юстировочный лазер (канал визуализации) 14.

Автоматизированная система управления (АСУ) служит для контроля и управления параметрами лазера, для передачи команд на исполнительные механизмы системы формирования и транспортирования излучения и газа, для управления относительным движением обрабатываемой заготовки и резака. В состав АСУ входят: управляющая ЭВМ; подсистема датчиков 15 внутренних параметров лазера (давления, температуры, состава рабочей смеси и т.д.); датчики 16 параметров излучения (мощности, расходимости луча и т.д.), зазора; подсистема управления оптикой, затвором, координатным устройством.

Системы транспортирования излучения. Для передачи излучения в зону обработки используются различные способы преобразования лазерного пучка с помощью оптико-механических систем. Эти способы можно условно подразделить на две группы: с постоянной (рис. 10.37) и переменной (рис. 10.38) длиной оптического тракта от излучателя лазера до зоны обработки. Установки с постоянной длиной оптического тракта используются в основном для обработки заготовок небольших габаритов и массы. Для таких установок характерна стабильность плотности мощности излучения в зоне обработки.

Наиболее простым способом повышения точности и динамической устойчивости системы автоматического управления при повышении ее быстродействия является уменьшение массы подвижных элементов кинематической цепи. При обработке крупногабаритных заготовок этого можно достичь в установках, в которых обрабатываемый материал и излучатель неподвижны, а лазерное излучение передается в зону обработки с помощью системы подвижных оптических элементов (см. рис. 10.38).

При использовании лазерных технологических установок с изменяемой длиной оптического тракта повышаются производительность обработки и кинематическая точность вследствие уменьшения инерционности кинематической цепи, снижается стоимость изготовления и эксплуатации за счет уменьшения массы подвижных узлов, общих габаритов и занимаемой производственной площади, уменьшается мощность электродвигателей приводов. В результате основные технико-экономические показатели таких установок растут, однако при этом изменяется плотность мощности излучения в зонах обработки, расположенных на различном удалении от излучателя, и, следовательно, снижается точность

256 ГЛАВА 10. СТАНКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ И ВОДОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ

ках показан на рис. 10.40. Относительное перемещение резака и заготовки при неподвижном лазере обеспечивается поступательными и вращательными движениями зеркал 4, 5 и объектива 2 (рис. 10.40, а—е). В некоторых случаях при обработке длинномерных материалов — в рулонах, легких длинных труб

и др. — целесообразно использовать и движение заготовки по одной из координат (рис. 10.40, ж—и). Для того чтобы осуществить обработку деталей объемной формы, необходимо обеспечить пять степеней свободы относительного перемещения резака и заготовки. Такие случаи можно реализовать комбинацией рассмотренных вариантов.

Несущие системы лазерных установок. Основные узлы установок для лазерной резки: приводы подач, технологическая оснастка, несущая система, система

управления. Приводы подач включают в себя регулируемые электроприводы, редукторы (безлюфтовые) и конечные кинематические пары (шариковинтовые передачи, реечные передачи и др.). Основные требования к приводам подач: высокие точность и жесткость, минимальные размеры и масса, технологичность.

Технологическая оснастка состоит из лазера, системы передач и фокусирования излучения, резака. В систему передачи и фокусирования излучения входят отражающие зеркала с юстирующими устройствами и фокусирующие объективы.

Несущая система включает в себя:

•основание сварное или литое, иногда из гранита или мрамора для снижения вибраций и влияния колебаний температуры на точность работы машины;

•направляющие продольного и поперечного перемещений, как правило, качения, для снижения сил трения и повышения точности позиционирования;

•портал (раму) для крепления направляющих и привода подач поперечного хода;

•каретку поперечного хода, на которой базируется резак, рабочий стол, поверхность которого выполняется в виде точечных или линейных элементов для защиты от воздействия лазерного излучения (рис. 10.41).

Система управления включает в себя устройство ЧПУ на базе микроЭВМ, датчики обратной связи, соединительные кабели, пульт управления.

Типовые схемы лазерных станков. Схемы типичных машин для лазерной резки приведены на рис. 10.42. В машинах, выполненных

Рис. 10.42. Типовые схемы станков для лазерной обработки плоских заготовок:

1 — лазер; 2 — затвор; 3 — излучение; 4 — резак; 5 — заготовка; 6 — станина; 7 — портал; 8 — неподвижное поворотное зеркало; 9 — подвижное поворотное зеркало; 10 — направляющая портала; 11 — каретка поперечного хода; 12 — пульт управления; 13 — УЧПУ; 14 — электрооборудование

258 ГЛАВА 10. СТАНКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ И ВОДОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ

по схеме (рис. 10.42, а), в продольном и поперечном направлениях перемещается заготовка 5. На станине 6 смонтирован неподвижный оптический резак 4 над подвижной заготовкой 5. Излучение 3 от неподвижного лазера 1 передается

воптический резак и фокусируется на поверхности заготовки. Для прерывания процесса резки служит затвор 2, который перекрывает луч. Приведенная схема реализуется на базе револьверных дыропробивных прессов или вертикальнофрезерных станков с ЧПУ. Преимущества описанной схемы — небольшая и постоянная длина оптического тракта, недостаток— ограниченные габариты обрабатываемых заготовок.

Встанках, выполненных по схеме (см. рис. 10.42, б), в продольном направлении перемещается лента — или лист — заготовка 5, в поперечном — оптический резак 4 по неподвижному порталу 7. Излучение от лазера 1 посредством зеркала направляется в оптический резак, в котором фокусируется на поверхности заготовки. Оптический затвор служит для прерывания процесса резки. Преимущества схемы — возможность обработки длинномерных заготовок при незначительном увеличении оптического тракта.

Вмашинах, выполненных по схеме рис. 10.42, в, оптический резак 4 перемещается по порталу 7, который движется по направляющим над неподвижным обрабатываемым листом 5, расположенным на рабочем столе. Излучение 3 от лазера 1 с помощью зеркал 8, 9 передается в оптический резак 4, где фокусируется на поверхность заготовки. Схема на рис. 10.42, в часто реализуется в конструкциях машин для лазерной резки, маркировки и разметки. Преимущества — возможность обработки крупногабаритных заготовок и высокая скорость перемещения, недостаток — большая и переменная длина оптического тракта.

Возможны различные модификации рассмотренных вариантов. Например,

встанках, выполненных по схемам рис. 10.42, б и в, можно изменять расположение лазера 1, установив его на портале 7 или даже на подвижной каретке поперечного хода 11 (в случае использования твердотельного лазера небольшой мощности). Для обработки объемных заготовок создают лазерные установки на базе промышленных роботов с соответствующим числом степеней свободы.

Следует отметить также использование лазера в качестве дополнительного инструмента в металлорежущих станках. Это позволяет не только расширить технологические возможности станков, но и существенно повысить производительность металлообработки, например, за счет совмещения операций механической обработки и термообработки (закалка, отпуск и т.д.). При работе на лазерных станках необходимо соблюдать повышенные требования к безопасности работы на них и соответствующие требования к конструкциям. Наличие мощного лазерного излучения, вредно влияющего на человека, требует полной и надежной защиты оптического тракта и зоны обработки. Наличие интенсивных испарений обрабатываемых материалов требует вытяжную вентиляцию. Эти факторы могут оказать решающее влияние при выборе конструктивной схемы лазерного станка.

Конструкция лазерного станка с ЧПУ мод. 4Р222Ф2. Лазерный станок мод. 4Р222Ф2 оснащен системой ЧПУ 2М43-22 на базе микроЭВМ «Электроника-60» и предназначен для размерной обработки металлов и различных заготовок из труднообрабатываемых материалов: алмазных волок, инструмента из эльбора,

керамики и др. В станке использован твердотельный оптический квантовый генератор (лазер) большой импульсной мощности. Фокусирование излучения на деталь позволяет достигать плотности мощности 107…108 Вт/см2, при которой происходит испарение практически любых материалов. Технические характеристики станка мод. 4Р222Ф2 приведены ниже.

Энергия излучения, Дж, не более . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Частота следования импульсов, Гц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5...20 Длительность импульса, мкс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150...250 Длина волны излучения, мкм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,6943 Диаметр обрабатываемых отверстий, мкм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 Глубина отверстий при многоимпульсной обработке, мм, не более. . . . . . 5 Глубина резания при многопроходной обработке, мм, не более . . . . . . . . . 3 Перемещение фокусирующего объектива, мм, не более . . . . . . . . . . . . . . . .50 Перемещения координатного стола, мм, не более . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300×100 Перемещение на 1 импульс, мкм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Рабочая скорость перемещения стола, мм/мин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,1...200

Основные узлы станка. Станок выполнен по принципу узловой сборки (рис. 10.43). Каждый узел собирается и отлаживается отдельно. На литую станину 23 устанавливается корпус с механизмом перемещения 15 правой 14 и левой 22 кареток зеркал резонатора, перемещающихся по направляющим скалкам. На скалках внутри резонатора установлена диафрагма (электромагнитный затвор) 18, которая перемещается вручную вдоль оси квантрона 16, установленного на корпусе механизма перемещения 15. Вне резонатора на скалках установлена призма Дове 20. Каретки 14 и 22 несут на себе механизмы юстирования зеркал резонаторов 13 и 19. Перевод излучения в вертикальную плоскость осуществляется зеркалом 11, установленным на кронштейне в передней части станины. Там же установлена система визуального наблюдения 10 и измеритель энергии 12. К нижней плоскости кронштейна крепится механизм 9 перемещения объектива с устройством защиты объектива 7. Вся оптическая система станка закрывается общим сдвигающимся кожухом 17.

Координатный стол 4 с приводами 3 расположен внутри шумопоглощающего кожуха 8. В кронштейне стола смонтирован дистанционный пульт управления 5. На столе устанавливается рабочий столик 2 для крепления заготовки. Для установки прибора (автоколлиматора), служащего для юстирования лазера, к станине крепится кронштейн 21.

Для соединения станка с блоком питания, системой охлаждения, УЧПУ, воздушной сетью на задней стенке станка имеются блок разъемов 26 и

панель штуцеров 27. Штуцер 24 пред- Рис. 10.43. Общий вид станка мод. 4Р222Ф2

260 ГЛАВА 10. СТАНКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ И ВОДОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ

Рис. 10.44. Кинематическая схема станка мод. 4Р222Ф2

Рис. 10.45. Оптическая схема станка мод. 4Р222Ф2

назначен для подключения станка к системе вытяжки. Внутри станины расположены электрооборудование станка 25 и устройство 1 для очистки и редукции сетевого воздуха.

Кинематика станка. Кинематическая схема состоит из трех самостоятельных схем, обеспечивающих наладку и эксплуатацию станка. Кинематическая схема перемещения кареток (рис. 10.44, а) обеспечивает наладку необходимой длины резонатора. Кинематическая схема координатного стола (рис. 10.44, б) обеспечивает перемещение обрабатываемой заготовки во взаимно-перпендикулярных направлениях в горизонтальной плоскости. Кинематическая схема перемещения объектива (см. ниже рис. 10.46) обеспечивает управление объективом от УЧПУ с одновременной защитой его от продуктов разрушения обрабатываемого материала.

Оптическая схема. Оптическая схема станка (рис. 10.45) состоит из двух каналов — силового и визуального. Силовой канал позволяет проводить обработку как с использованием проекционного метода (размер и форма обрабатываемого отверстия определяются размером и формой светового пятна на заготовке), так и при установке заготовки в фокальную плоскость объектива 1 (размер и форма обрабатываемого отверстия определяются траекторией относительного движения луча и заготовки).

При использовании проекционного метода излучение выходит через зеркало резонатора 9 с коэффициентом отражения 50% на длине волны λ= 0,69 мкм от активного элемента 11. С помощью призмы Дове 8 и зеркала 2 (крайнее верхнее положение) излучение подводится к фокусирующему объективу 1. Размер светового пятна на заготовке (размер обрабатываемого отверстия) определяется соотношением dсв = Df/(L – f), где D — диаметр отверстия в сменной диафрагме 10; f — фокусное расстояние объектива 1; L — расстояние (регулируемое) между объективом 1 и диафрагмой 10.

Плоскость заготовки расположена ниже фокальной плоскости на расстоянии