ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛА НА ЧПУ СТАНКЕ

LASER CUTTING OF METAL ON A CNC MACHINE

Darina Shagayeva

student, department of mechanical engineering, Kostanay Regional University,

RK, Kostanay

Aruzhan Satubaldina

student, department of mechanical engineering, Kostanay Regional University,

RK, Kostanay

Kaliyev Beibit

scientific supervisor, Senior Lecturer, Department of mechanical Engineering, Kostanay Regional University,

RK, Kostanay

АННОТАЦИЯ

В промышленности широко применяются различные механические способы разделения металлов, в первую очередь резка ножовочными полотнами, ленточнопильными станками, фрезами и т. д. В производстве применяют различные станки общего и специального назначения для резки листовых, профильных и других заготовок из различных металлов и сплавы. В статье рассмотрены типы лазерной резки с различными металлами.

ABSTRACT

Various mechanical methods of metal separation are widely used in industry, primarily cutting with hacksaw blades, band saws, milling cutters, etc. Various general and special purpose machines are used in production for cutting sheet, profile and other workpieces made of various metals and alloys. The article discusses the types of laser cutting with various metals.

Ключевые слова: ЧПУ, лазерная резка, станок, металл.

Keywords: CNC, laser cutting, machine tool, metal.

Резка была одним из самых ранних обнаруженных процессов, в которых использовался лазерный луч, причем одновременно было изобретено несколько типов. Процесс лазерной резки с использованием смеси углекислого газа был впервые изобретен инженером-электриком Кумаром Пателем в 1964 году в лаборатории Bell Labs, штат Нью-Джерси. В том же году был разработан процесс лазерной резки кристаллом, который также был найден в Bell Labs, хотя и другим инженером по имени Дж. Э. Гойсич. Еще в 1960-х годах, после того как преимущества лазера были установлены, не потребовалось много времени, чтобы его можно было использовать в десятках отраслей для различных применений. Резка и бурение, два аналогичных процесса, использовались в 1965 году на алмазных шахтах. Различный процесс резки был принят уже в масштабе всей Британии в 1967 году [1].

Western Electric быстро производила лазерные режущие станки, и к 1970-м годам этот процесс вошел в аэрокосмическую промышленность. [2].

Примерно в конце 1960-х - начале 1970-х годов газовый лазерный вид использовался для резки различных материалов, включая металл, на что лазеры на диоксиде углерода изначально не были способны.  К 1980-м годам в различных отраслях промышленности по всему миру было установлено около 20 000 коммерческих станков для лазерной резки на общую сумму около 7,5 миллиардов долларов. Профессор Билл Стин написал в своей книге «Лазерная обработка материалов», что с момента изобретения лазера мы вступили в новую промышленную революцию. Вероятно, мы увидим, что лазерные технологии продолжат развиваться в ближайшие годы, и подумайте, куда этот выгодный процесс нас приведет. Так может начинаться светлое будущее человечества. [2].

Суть процесса. При лазерной резке участок материала нагревается и разрушается лазерным лучом. В отличие от обычного луча света, лазерный луч характеризуется такими свойствами, как направленность, монохроматичность и когерентность. Благодаря направленности энергия лазерного луча концентрируется на сравнительно небольшой площади. Направленность лазерного луча в тысячу раз больше, чем у прожектора. По сравнению с обычным светом лазерный луч является монохроматическим, что означает, что он имеет фиксированную длину волны и частоту. Это упрощает фокусировку с оптическими линзами. Лазерный луч обладает высокой степенью когерентности — согласованного протекания различных волновых процессов во времени. Когерентные колебания вызывают резонанс, усиливающий мощность излучения. Благодаря перечисленным свойствам лазерный луч можно сфокусировать на очень небольшой поверхности материала и создать там достаточную плотность энергии для нагрева и разрушения материала (например, около 108 Вт/см2 для плавления металла).[3].

Технология лазерной резки металла. Действие лазерного излучения металла при резке определяется общими параметрами, такими как поглощение, отражение и тепловыделение за счет объема материала за счет теплопередачи, а также рядом особенностей. конкретные характеристики. По направлению лазерного луча металл нагревается до первой удаляемой температуры – плавления. По мере дальнейшего поглощения излучения металл плавится, а граница плавления смещается вглубь материала. При этом воздействие энергии лазерного излучения повышает температуру и достигает второй температуры разрушения - кипения, при которой металл начинает активно испаряться. Таким образом, возможны два механизма лазерной резки - плавление и испарение. Однако последний механизм требует больших затрат энергии и возможен только для достаточно тонких металлов. Поэтому на практике резку производят оплавлением. При этом для резкого снижения энергозатрат используется вспомогательный газ для увеличения толщины и скорости резания обрабатываемого металла, который вдувается в зону резания для удаления продукта разрушения металла. В качестве вспомогательных газов часто используют кислород, воздух, инертный газ или азот. Такой разрез называется газовым лазером.

Рисунок 1. Схема лазерной резки [6]

Например, газовая лазерная резка кислородом играет троякую роль: во-первых, она способствует предварительному окислению металлов и снижает способность лазера отражать излучение; затем металл воспламеняется, сжигая кислородные струи, что приводит к дополнительному нагреву и усилению действия лазерного излучения; Струя кислорода выдувает расплавленный металл и его продукты из зоны резки, обеспечивая прямую подачу газа к фронту реакции горения. В зависимости от режущих свойств металла Gorenge использует два механизма газовой лазерной резки. В первом случае существенный вклад в общее тепловое равновесие вносит теплота реакции металлического ядра. Этот режущий механизм обычно используется в материалах, способных воспламеняться, гореть и образовывать жидкие оксиды при температурах ниже точки плавления. Примерами являются мягкая сталь и титан. При втором режущем механизме материал не горит, а плавится, а струя газа удаляет жидкий металл из зоны резки. Этот механизм используется при образовании тугоплавких оксидов при взаимодействии металлов, сплавов и кислорода с кислородом, который оказывает незначительное термическое влияние на реакцию. Например, расплавленная высокоуглеродистая сталь, алюминий, медь и т. д.

Рисунок 2. Схемы подачи вспомогательного газа в зону резки [6]:

а – центральная одним концентрическим потоком; б – центральная двумя концентрическими потоками; в – боковая; г – в подвижную камеру (насадку); 1 – электрод; 2 – защитный газ; 3,4 – наружный и внутренний потоки защитных газов; 5 – насадка; 6 – распределительная сетка

Типы лазеров. Лазер, как правило, состоит из трех основных узлов:

·источника энергии (механизма или системы накачки);

·активного (рабочего) тела, которое подвергается «накачке», что приводит к его вынужденному излучению;

·оптического резонатора (системы зеркал), обеспечивающего усиление вынужденного излучения активного тела.

Для резки обычно применяются следующие типы лазеров:

твердотельные и газовые - с продольной либо поперечной прокачкой газа, щелевые, а также газодинамические. В осветительной камере твердотельного лазера размещаются лампа накачки и активное тело, представляющее собой стержень из рубина, неодимового стекла (Nd-Glass) или алюмо-иттриевого граната, легированного иттербием (Yb-YAG) либо неодимом (Nd-YAG). Лампа накачки создает мощные световые вспышки для возбуждения атомов активного тела. По торцам стержня расположены зеркала - частично прозрачное (полупрозрачное) и отражающее. Лазерный луч усиливается в результате многократных отражений внутри активного тела и выходит через частично прозрачное зеркало.[5].

Лазерная резка алюминия и его сплавов. Для резки металлов обычно требуются мощности лазера 450-500 Вт и выше, а для цветных металлов - от 1 кВт и выше. Лазерная резка алюминия и его сплавов, меди и латуни требует большой мощности излучения из-за малой поглощающей способности этих металлов по сравнению с лазерным излучением, особенно на углекислом газе с длиной волны 10,6 мкм, лазер и поэтому твердотельные лазеры предпочтительнее; высокая теплопроводность этих материалов. Обработка малых толщин может осуществляться в импульсном режиме работы лазера, что позволяет уменьшить зону термического влияния, а больших толщин - в режиме микроплатформы. Обработка малых толщин может производиться в импульсном режиме работы лазера, что уменьшает зону термического влияния, а больших толщин - в режиме микроплатформы. Плазмообразование легкоионизируемых металлов - магния, цинка и др. Под действием лазерного луча в зоне резки образуется плазма, нагревающая металл до точки плавления и расплавляющая его. Воздушно-плазменная резка алюминия, как правило, выполняется отдельной частью при подготовке деталей к последующей их механической обработке. Хорошее качество реза обычно достигается только при толщине 30 мм при силе тока 200А.

При резке алюминия применяют вспомогательный газ с давлением более 10 атм. Окончательная структура поверхности реза пористая с легко удаляемым заусенцем на нижнем крае реза. По мере увеличения толщины металла ухудшается качество конечной поверхности реза. При резании латуни торцевая поверхность реза имеет шероховатую пористую структуру с легко снимаемым заусенцем на дне реза. По мере увеличения толщины металла ухудшается качество конечной поверхности реза. Лазерная резка термическая. В случае азотной лазерной резки лазерный луч плавится, и струя азота выносит расплавленный металл из реза. При резке лазером в кислороде лазерный луч расплавляет металл, а кислород сначала окисляет (прожигает) расплав, а затем уносит его от реза. Часть металла может испаряться напрямую.

Лазеры можно использовать для аккуратной и точной резки тонких листов металла. Точность лазерной обработки металла настолько высока, что зачастую деталь, выходящая из станка лазерной резки, может быть использована без какой-либо финишной обработки или передана на следующий этап производственного процесса.

Список литературы:

1. https://msd.com.ua/svarka-i-rezka-metallov/istoriya-poyavleniya-i-razvitiya-lazernoj-rezki/
2. Бергер И.И. Токарное дело. - М.: Высш. шк.., 1990. - 314 с.
3. Брунштейн Б.Е.; Дементьев В.И. Токарное дело, М.: Высшая школа, 1987.
4. Зайцев Б.Г., Завгороднев П.И., Справочник молодого токаря, М.: Высшая школа, 1976.
5. Захаров В.А., Чистоклетов А.С., Токарь, М.: Машиностроение, 1999.
6. Оглобин А.Н. Основы токарного дела, М.: Машиностроение, 1997.