Исследование режимов лазерного резания массивной древесины

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ЛАЗЕРНОГО РЕЗАНИЯ МАССИВНОЙ ДРЕВЕСИНЫ

RESEARCH OF MODES OF LASER CUTTING OF MASSIVE WOOD

Кузнецов А.И., Шимон Е.В., Новоселова М.В.

УГЛТУ, г. Екатеринбург, РФ

In work are considered speed and power modes of laser cutting of massive wood of various breeds: cherries, merbau, a maple, an ash-tree, an oak, a beech, an olive and a nut.

По сравнению с традиционными методами обработки древесины лазерное резание обладает рядом неоспоримых преимуществ:

· при лазерном резании отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал;

· сфокусированное лазерное излучение регулируемой мощности - инструмент, обеспечивающий качественную гладкую поверхность кромки реза материала независимо от его теплофизических свойств;

· точность позиционирования лазерной головки составляет 0,08 мм, за счет чего достигается высокая точность взаимного расположения элементов заготовки;

· применение лазерной резки возможно на легкодеформируемых и нежестких деталях;

· лазерный луч имеет диаметр около 0,25 мм, что позволяет создать отверстие диаметром от 0,50 мм;

· за счет большой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса лазерной резки;

· возможность получить качественный срез, не требующий дополнительной обработки.

Основной проблемой применения данного метода обработки в деревообрабатывающей промышленности и декоративно-прикладном искусстве является отсутствие научно обоснованной информации о режимах резания различных пород древесины.

При использовании одинаковых режимов для различных материалов происходит перерасход энергии, времени и понижение качества продукции. Применение несоответствующих породе древесины режимов обработки снижает качество обработанной поверхности: происходит сильный ожог, обугливание и даже возгорание поверхности либо обработка происходит не полностью и требует повторения. Экономическая эффективность лазерного резания повышается при выборе правильных режимов за счет улучшения качества обрабатываемой поверхности и минимального расхода энергии.

Цель работы: исследовать глубину резания массивной древесины при помощи лазерного излучения в зависимости от мощности лазерного излучения и скорости перемещения лазерного луча по прямолинейной траектории.

Экспериментальная установка включает в себя лазерно-гравировальный станок VL-4060, воздушный компрессор, ПК. ПО LaserCut 5.1, электронный штангенциркуль с ценой деления 0,01мм, сканер Xerox 3919 с разрешением 2400 dpi.

Толщина и длина образцов измерялась электронным штангенциркулем, скорость движения устанавливалась и контролировалась при помощи ПО LaserCut 5.1, глубина резания измерялась при помощи отсканированного изображения и ПО AutoCad 2009.

Образцы представляют собой бруски толщиной 10 мм, шириной 30 мм и длиной 200 мм восьми пород: бук, вишня, клен, дуб, олива, орех, ясень и мербау. Для получения одинаковой толщины образцы прошли технологическую операцию - рейсмусование.

Образцы древесины укладывались, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 - Образцы вишни, мербау, клена, ясеня, дуба, бука, оливу и ореха.

лазерное резание массивная древесина

Образцы укладывались на ячеистый стол станка, положение фокальной f плоскости было настроено на верхнюю поверхность (Рисунок 2) и в течение проведения эксперимента не изменялось.

Рисунок 2 - Положение фокальной плоскости 1-ячеистый стол лазерно-гравировального станка, 2- пакеты шпона.

Перед проведением эксперимента было проверено соответствие программно-установленной скорости каретки станка с фактической с помощью секундомера по изложенной ниже методике. Скорость измерялась косвенно путем вычисления отношения длины экспериментального участка к времени прохождения лазерным лучом этого участка, причем, для получения установившегося движения каретки она начинала движение с расстояния 200 мм до экспериментального участка. Проверка показала, что измеренная скорость соответствует программно-установленной скорости с помощью ПО LaserCut 5.1. В дальнейшем скорость контролировалась посредством ПО LaserCut 5.1.

В ходе проведения эксперимента скорость ступенчато менялась и составляла: 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 мм/с. Мощность ЛИ в ходе проведения эксперимента изменялась ступенчато и соответствовала: 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 процентам от максимальной мощности станка, составляющей 65 Вт.

Каждому из десяти значений мощности ЛИ соответствовали десять значений скорости (Рисунок 3).

Рисунок 3 - Упрощенная схема скоростно-мощностных режимов лазерного резания

Все резы были сделаны поперек волокон древесины при одном направлении движения лазерной головки (Рисунок 4).

Рисунок 4 - Лазерное резание образцов древесины

В результате было сделано 100 резов с различными скоростно-мощностными режимами. Образцы после проведения эксперимента приведены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Образцы после испытаний

Для удаления следов ожога с кромки все образцы были профрезерованы на станке Beaver 9AT.

Измерения глубины реза выполнялись на отсканированном изображении кромки образцов с помощью ПО AutoCad.

По результатам измерений построены графики, приведенные на рисунке 6.

Рисунок 6 - Зависимость глубины реза от скорости резания при мощности ЛИ 65 Вт

Глубина реза находится в обратно пропорциональной зависимости от скорости резания - на малых скоростях (10-30 мм/с) наибольшая глубина реза (1,5-4,5 мм). Это объясняется тем, что на малых скоростях воздух, подающийся компрессором на лазерную головку, более интенсивно участвует в процессе испарения (горения) и способствует процессу резания.

Легче всего лазерным излучением обрабатывается древесина вишни и клена - при скорости 10 мм/с глубина реза составляет 4,5 мм, сложнее всего - древесина оливы - глубина реза составляет 2,5 мм.

Литература

1. Обзорная информация. Мебель, № 2 «Лазерное технологическое оборудование для обработки древесины и древесных материалов» - Москва, 1989.

2. Бирюков М.В., Клеба Н.П., Сорокин Д.С., Росляков А.А. Лазерная установка для резания древесины и плит. Деревообрабатывающая промышленность, № 3, - М: Лесная промышленность, 1986 - 32с.

3. К вопросу о режиме резания шпона ценных пород древесины // Деревообработка: оборудование, менеджмент XXI века. Труды V международного евразийского симпозиума / Под научной ред. В.Г. Новоселова - Екатеринбург, 2010. С. 232 - 234, 310с.

4. К вопросу о технологическо-художественном потенциале лазерного резания древесины // Деревообработка: оборудование, менеджмент XXI века. Труды V международного евразийского симпозиума / Под научной ред. В.Г. Новоселова - Екатеринбург, 2010. С. 83 - 85, 310с.

5. Разработка алгоритмов преобразования растровых изображений в векторный формат для изготовления изделий в технике маркетри на лазерном оборудовании // Научное творчество молодежи - лесному комплексу России: матер. VII Всерос. науч. - техн. конф. / Урал. гос. лесотехн. ун-т. - Екатеринбург, 2011. - Ч. 2. - 367с.

Размещено на Allbest.ru