Технология изготовления деталей из толстолистовой стали методом размерной лазерной резки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Ананин, Вячеслав Николаевич

• Ананин, Вячеслав Николаевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ананин, Вячеслав Николаевич

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПУТИ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ РАЗМЕРНОЙ РЕЗКИ ТОЛСТОЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА.

1.1 Анализ состояния технологических процессов резки листового материала.

1.2 Конструкция и характеристики лазерных установок для резки листового материала.

Выводы по главе.

1.3 Задачи работы.

Глава 2. МОДЕРНИЗАЦИЯ ЛАЗЕРНОГО

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ РЕЗКИ ТОЛСТОЛИСТОВОЙ СТАЛИ.

2.1 Совершенствование конструкции разрядной камеры

2.2 Экспериментальная проверка модернизированной разрядной камеры.

2.3 Оптимизация параметров оптической системы лазерного технологического комплекса.

2.4 Экспериментальная проверка резонатора со сплошным пучком и резонатора с увеличением М=2,5.

2.5 Проектирование устройства подачи вспомогательного газа при газолазерной резке.

2.6 Определение параметров сверхзвуковых сопел устройства подачи вспомогательного газа при газолазерной резке.

2.7 Экспериментальная проверка устройств подачи вспомогательного газа при газолазерной резке.

Выводы по главе.

Глава 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ ТОЛСТОЛИСТОВЫХ СТАЛЕЙ.

3.1 Влияние параметров процесса резки на гратообразование.

3.2 Экспериментальная проверка зависимости величины грата от скорости резки.^

3.3 Влияние параметров процесса резки на чистоту поверхности кромки реза.

3.4 Расчёт коробления деталей, получаемых лазерной размерной резкой.

3.5 Составление технологического процесса лазерной резки.

Выводы по главе.

Глава 4. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.

Результаты работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология изготовления деталей из толстолистовой стали методом размерной лазерной резки»

Актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью внедрения в авиационную промышленность нашей страны технологий, соответствующих современному этапу научно-технического прогресса.

Главная черта данного этапа это применение в народном хозяйстве принципиально новых технологий, основанных на последних научных достижениях. Возникновение и развитие новых отраслей техники, таких как нанотехнологии, биомедицина, информатика, а также дальнейшее развитие традиционных отраслей машиностроения часто просто невозможны без применения принципиально новых технологий обработки материалов и изготовления изделий. Основные требования к новым технологиям в настоящее время заключаются, прежде всего, в их экологической чистоте, энергетической и ресурсной экономичности, полной автоматизации при высокой производительности и максимальном экономическом эффекте.

Лазерная технология, несомненно, относится к разряду современных технологий, ведь сегодня степень насыщения лазерным оборудованием для всех передовых промышленных стран стала одним из важнейших критериев индустриального развития. При этом роль флагмана в процессах освоения новых типов лазерного оборудования и технологий в промышленном производстве играет машиностроение. Это обусловлено, во-первых, общей лидирующей ролью этой отрасли в мировом научно-техническом прогрессе, а во-вторых, высочайшей технико-экономической эффективностью внедрения здесь лазерных технологий.

Значительную долю в производстве лазерной техники составляют лазерные технологические установки для обработки различных материалов -резки, сварки, сверления, маркировки, локального модифицирования поверхностного слоя. В основе использования лазерных технологий в первую очередь лежит экономическая выгода, которая проявляется через снижение стоимости технологического процесса и через более высокие потребительские качества продукции. Характерными особенностями всех видов лазерной обработки являются высокие точность и качество обработки, высокие скорости обработки. Большой экономический эффект возникает за счет экономии материалов и энергоресурсов при сварке и резке, повышения производительности труда при сварке, размерной обработке и маркировке. Немаловажное значение приобретают вторичные эффекты, которые реализуются при использовании конструкций, изначально ориентированных на лазерные технологии, например, достижение большей прочности конструкции при одновременном снижении их металлоемкости. Преимуществами этой технологии также являются экологическая чистота, возможность осуществления процессов, недоступных большинству других технологий и возможность полной автоматизации. Всё это возможно благодаря особенностям лазерного излучения.

В нашей стране в авиационном производстве технология лазерной обработки практически не применяется. Это обусловлено, в основном, отсутствием отечественных лазерных технологических установок, отвечающих требованиям авиационного производства, необходимостью сертификации подобного оборудования.

Целью работы является разработка технологии резки листовой стали толщиной более 10 мм с использованием С02 лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором с выходной мощностью излучения более 5 кВт.

Методы исследования. Основные задачи работы решались на основе сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Теоретическая часть базировалась на аппаратах теории гидродинамики, нелинейной оптики и теории напряжённо-деформированного состояния.

Теоретические расчёты оптической системы лазерного технологического комплекса проводились на основе аналитической модели, учитывающей аберрации и астигматизм оптических систем. Численный расчёт проводился с использованием специализированного пакета программ для расчёта оптических систем. Для определения вероятной температурной деформации заготовок использована модель, основанная на уравнениях напряжённо-деформированного состояния материала. Оценка вероятности образования грата на кромках получаемых деталей проведена из предположения распространения законов гидродинамики на течение расплавленного металла.

Экспериментальный метод исследования работы лазера состоял в снятии вольт-амперных характеристик разрядно-резонаторной камеры. Замер токов и напряжений при этом производился стандартными измерительными приборами - амперметром и вольтметром.

Для определения режимов лазерной резки проводился замер лучевой мощности СО2 лазера прибором COMET. Контроль скорости лазерной резки проводился системой числового программного управления типа FMS-3000.

Научная новизна работы.

Разработана технология резки толстолистовой стали с использованием С02 лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором.

Для этого проведены работы по увеличению выходной мощности лазерного излучения рассматриваемого лазера, совершенствованию оптической системы технологического комплекса и повышению эффективности устройства для подачи вспомогательных газов в зону резки.

Установлено, что оптимизация конструкции разрядно-резонаторной камеры путём изменения степени секционированности электродных элементов позволяет повысить мощность и надёжность работы лазера.

Повышение степени увеличения неустойчивого резонатора С02 лазера с 2,2 до 2,5 приводит к увеличению производительности резки при тех же режимах питания разрядно-резонаторной камеры.

Установлено, что для резки толстолистового материала эффективно подавать вспомогательный газ через сверхзвуковые сопла с малой степенью нерасчётности, непосредственно в зону резки.

Практическая ценность работы. Расчётная оптимизация оптической системы лазерного технологического комплекса на отсутствие аберраций и астигматизма позволяет повысить уровень производительности резки толстолистовых металлов.

Устройство для подачи вспомогательного газа в зону лазерной резки со сверхзвуковыми соплами, направленными непосредственно в зону резки позволяет осуществлять лазерную резку более эффективно по сравнению с другими устройствами данного типа.

Разработана модель термического коробления заготовок, получаемых размерной лазерной резкой.

Разработана технология резки толстолистовых материалов с использованием излучения быстропроточного СО2 лазера с неустойчивым резонатором.

Реализация результатов работы. Разработанная технология и оборудование прошли опытно-промышленное апробирование и внедрение на ООО "Гиперболоид", ОАО "КМПО" и ОАО "КЭМЗ".

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Ананин, Вячеслав Николаевич

Результаты работы

1. Разработана модель коробления металла при резке лазерным лучом большой мощности. Определена кривизна полосы в зависимости от толщины разрезаемого металла, механических свойств металла и коэффициента линейного расширения.

2. На основании экспериментальных исследований, связанных с увеличением степени секционированности электродной платы СОг лазера, удалось повысить мощность генерируемого излучения на 13 %. Получен патент на изобретение конструкции электродной платы.

3. Выполнены более совершенные расчёты оптической системы лазерного технологического комплекса, что позволило увеличить его производительность на 10 %. Экспериментальным путём установлено, что повышение степени увеличения неустойчивого резонатора СОг лазера с 2,2 до степени увеличения 2,5 позволяет повысить производительность резки на 10%.

4. На основании экспериментального исследования двух схем подачи газа в зону резки при газолазерной резке с использованием СОг лазера спроектировано новое устройство подачи газа, которое позволяет повысить производительность резки на 35%. Получен патент на полезную модель устройства подачи вспомогательного газа в зону резки.

5. Разработаны рекомендации по составлению технологического процесса лазерной резки толстолистовых сталей на исследуемом лазерном технологическом комплексе.

6. Отработан технологический процесс резки сталей толщиной свыше 10 мм с использованием лазерного технологического оборудования на базе быстропроточного С02 лазера типа ЛИ с неустойчивым резонатором.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ананин, Вячеслав Николаевич, 2009 год

1. Кинкэйд К., С.Дж.Андерсон. Лазерный рынок в 2003 г. вырос на 15%. Обзор и прогноз. Часть 1. Недиодные лазеры // Лазер-Информ.-М.: ЛАС.-2004, N 8 (287). С. 1-11.

2. Li L.J., Mazumder J. Energy efficient laser machining // Proc. 2nd Int. Conf. Lasers Manuf., Birmingham, 26-28 March, 1985. P.23-26.

3. Гаврюшенко Б.С., Окоров Л.В., Рыкалин H.H. Лазерно-механическое резание металлов.- Физика и химия обработки металлов.-1985,- N 2.- С.4-7.

4. Die Kombination macht's // Produktion.- 1997.- 36, N 36. C.53.

5. Скрипченко А.И., Бойко C.B. Многопостовая лазерная технологическая система с транспортировкой излучения по общей оптической шине // Технология судостроения.- 1988.-N 8. С.17-21.

6. Справочник Технологические лазеры под ред. Г.А. Абильсиитова 1 том, М: Машиностроение, 1991 г. 432 с.

7. Грищенко Л.В., Козлов A.B., Скрипченко А.И. Прогнозирование развитьия лазерных сварочных и обрабатывающих систем в судостроении // Судостроительная промышленность. Серия: СВАРКА.-1986, вып.2. С.3-9.

8. Скрипченко В.И., Скрипченко А.И., Григорьев C.B. Принципы создания и развития лазерных обрабатывающих систем в машиностроении // Вестник машиностроения.- 1988.-N 10. С.35-38.

9. Газовые лазеры: Перев. с англ. / Под ред. И.Мак-Даниэля и У.Нигэна.- М.: Мир.-1986. 552 с.

10. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов: Пер. с англ. /М.: Мир.-1986. 504 с.

11. Физический механизм глубокого проплавления при лазерной сварке металлов / Н.Г.Басов, С.Г.Горный, В.А.Данилычев и др. // Письма в ЖТФ.-1985.- 11, №21. С.1337-1341.

12. Weber J. Laser Offers Key Economies in Heavy Section Welding // Welding Journal.-1983.-N 2. P.23-26.

13. Игнатов А.Г., Суздалев И.В. Состояние и перспективы применения лазерного технологического оборудования // Судостроительная промышленность. Серия: СВАРКА.-1989, вып.7. С.3-18.

14. Лазерная сварка со сквозным проплавлением сталей различных классов / А.Г.Игнатов, А.В.Козлов, А.И.Скрипченко и др. // Автоматическая сварка.1987, N9. С.26-29.

15. Отчёт. Анализ технологии лазерной резки и сварки излучением большой мощности. Экспертная оценка качества излучения и узлов технологической оснастки, оптической системы ЛТК "Исеть" / А.Г.Игнатов, Ю.Я.Усанов // СПб.: ЛИЦМНТГКНТ.- 1991. 163 с.

16. Лазерное технологическое оборудование для обработки материалов /

17. A.Г.Игнатов, А.В.Козлов, А.И.Скрипченко, Г.А.Соловьёв.-Л.: ЦНИИ РУМБ.1988. 118 с.

18. Отчёт. Лазерное технологическое оборудование для обработки материалов в СССР и за рубежом / Обзор // А.Г.Игнатов, А.И.Скрипченко,

19. B.ИЛукьянов, и др.- Л.:ЛазерИнформ.-1989. 225 с.

20. Проспекты фирм ESAB, Messer Griesheim, Trumpf, Rofïn-Sinar.

21. Косырев Ф.К., Косырева Н.П., Лунев Е.И. Экспериментальная установка ЛТ-1 // Автоматическая сварка.- 1976.- N 9. С.72.

22. Андрияхин В.М., Герб В.Я., Косарев Ф.К. Оптимизация режимов работы лазерной технологической установки ЛТ-1-2 // Сварочное производство.-19084.-N5. СЛ8-19.

23. Лазерная технологическая установка "Ижора-20". Технический отчёт Г-5644-86. Л.: НИИЭФА., 1986.

24. Технологический лазер "Титан". Технический отчёт У 88419.-Л.:НИИЭФА.- 1988. 58 с.

25. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Лазерная техника и технология // Кн.З. Методы поверхностной лазерной обработки.- М.: Высшая школа,- 1987. 191с.

26. ГОСТ 15093-75. Изделия квантовой электроники. Лазеры и устройства управления лазерным излучением. Термины и определения.

27. Mazumder I. Laser Welding State of the art review // Journal of Metals.-1982.-32, N7. P. 16-24.

28. Справочник по лазерам / Под ред. А.М.Прохорова.- Т.1,2.-М.: Советское радио.- 1978. 800 с.

29. Голубев B.C., Лебедев Ф.В. Лазерная техника и технологии //Кн.1. Физические основы технологических лазеров.- М.:Высшая школа.- 1987. 191с.

30. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.:Наука. 1979. 328 с.

31. Гаращук В.П. Требования к параметрам светового пучка СО2 — лазера в сварочных установках // Автоматическая сварка.- 1980. -№ 2. С.49-52.

32. Андерсен Дж. Газодийамические лазеры. Введение: Пер. с англ.-М.:Мир.-1979. 202 с.

33. Борн М., Вольф Э. Основы оптики.-М.:Наука.- 1970. 720 с.

34. Olsen F/О/ Investigations in Optimizing the Laser Cutting Process // Laser in Materials Processing.- Amsterdam.- 1983. P.64-80.

35. Заявка 61-126989, Япония.- Опубл.- 14.06.86 г.

36. Голубев B.C., Лебедев Ф.В. Лазерная техника и технологии // Кн.2. Инженерные основы создания технологических лазеров.- М.:Высшая школа.-1988. 176 с.

37. Требования к технологическим лазерам для резки металлов / Н.С.Талала, Ю.А.Благоверов, В.А.Бровинский, А.А.Мильто // Технология судостроения.-1985.-№4., С.8-11.

38. Леонтьев П.А., Чеканова Н.Т., Хан М.Г. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов.- М. :Металлургия.- 1986. 142 с.

39. А.Г.Григорьянц Основы лазерной обработки материалов. — М.: Машиностроение. 1989г. 304с.

40. Ананин В.Н. Патент №2344527 от 20.01.2009 изобретение №2007132434 «Электродная плата быстропроточного лазера с поперечной прокачкой газа».

41. Ананин В.Н., Катаев Ю.П. Модернизация лазерного технологического комплекса для резки листового металла толщиной более 10мм. Вестник КГТУ им Туполева. №4 2007г., С. 11-13.

42. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука. - 1976. 888с.

43. Панченко В.И., Смородин Ф.К. Выбор параметров и режимов работы сопел для газолазерной резки. Изв.вузов. Авиационная техника. №2. 1992 г.,

44. Ананин В.Н., Катаев Ю.П. Патент №75343 от 10.08.2008 на полезную модель №2008106809 «Устройство для газолазерной резки материалов».

45. Ананин В.Н., Катаев Ю.П. Патент №79825 от 20.01.2009 полезную модель №2008106806 «Устройство для газолазерной резки материалов».

46. Чжен П. Отрывные течения: В 3 т./ Пер. с англ. М.: Мир -1972. Т. 1. 300 с.

47. Н.В.Карлов, Н.А.Кириченко, Б.С.Лукъянчук. Лазерная термохимия. М.: Наука 1992,2115 с.

48. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Механика жидкостей. -М.:Мир. 1971. 452 с.

49. Ананин В.Н., Катаев Ю.П. Зависимость качества и производительности лазерной резки от технологических параметров процесса. Вестник КГТУ им. Туполева. №2 2008 г., С. 19-21.

50. Коваленко B.C., Романенко В.В., Олещук Л.М. Малоотходные процессы резки лучом лазера. Киев: Техника. 1987. 112 с.

51. Ананин В.Н. Коробление листового металла при резке лазерным лучом. Вестник КГТУ им Туполева. №1, 2008г, С.25-27.

52. Косырев Ф.К., Косырева Н.П., Лунев Е.И. Экспериментальная лазерная установка ЛТ-1 Автоматическая сварка 9, С.72-73.1. С .54-57.