Технология лазерной резки тонколистовых металлов

Термодеформационные процессы и превращения в металлах при лазерной обработке определяют технологическую прочность металла в различных зонах воздействия, т.е. стойкость против образования локальных разрушений при сварке, наплавке, резке, термообработке и других видах лазерной обработки.

Кроме того, термодеформационные процессы в значительной степени определяют эксплуатационные свойства деталей и конструкций, обработанных лазерным излучением, т.е степень соответствия механических и химических свойств условиям и требованиям эксплуатации. И, наконец, вопросы точности деталей и конструкций после лазерной обработки основаны на знании закономерностей образования деформаций и напряжений.

Механизм образования временных и остаточных деформаций и напряжений.

Если осуществлять равномерный нагрев материала, то его свободное расширение будет происходить без возникновения напряжений. При неравномерном нагреве тела связи между нагретыми и не нагретыми участками препятствуют свободному расширению тела. Вследствие этого в нем возникают собственные температурные напряжения, действующие при отсутствии внешних сил.

Температурные напряжения, возникающие и действующие в процессе тепловой обработки, принято называть временными. Таким образом, при лазерной обработке на стадиях нагрева, выравнивания температур и охлаждения имеют место временные напряжения.

Наряду с температурными деформациями и напряжениями в теле также могут возникать деформации и напряжения, обусловленные фазовыми или структурными превращениями, происходящими с увеличением или уменьшением объема.

Неравномерный нагрев и изменение объема тела вследствие температурного расширения, а также фазовых или структурных превращений приводят к возникновению упругих и пластических деформаций. Пластические деформации в теле после его полного охлаждения являются причиной действия собственных напряжений, называемых остаточными.

2.2 Используемое оборудование - комплекс лазерный FMark-20 RL

2.2.1 Внешний вид и структура комплекса

Все работы производились на лазерном маркирующем комплексе FMark-20RL, фотография которого приведена на рисунке 2.1. Данный комплекс предназначен для выполнения работ по маркировке и гравировке изделий из металлов, пластмасс, резины, окрашенных металлических поверхностей.

Комплекс работает под управлением специализированного программного обеспечения M-Script, описание которого можно узнать на официальном сайте и из «Пояснительная записка к подготовке данных для лазерных маркирующих и гравирующих комплексов DMark-06RL, FMark-10RL, FMark-20RL, BetaMark-RL».

Рисунок 2.1 Лазерный маркирующий комплекс FMark-20RL.

В состав комплекса входят: персональный компьютер, лазер, управляющая система, рабочий стол, штатив с червячным механизмом (для ручного перемещения сканатора по вертикальной оси), на который закреплена сканаторная система с коллиматором лазера. Так же имеется набор приспособлений для установки и закрепления деталей и настройки фокуса.

2.2.2 Сканаторная система комплекса

Сканаторная система состоит из двухосной системы дефлекции лазерного луча и объектива. Принцип работы сканирующей системы приведен на рисунке 2.2.

Лазерный луч исходит из коллиматора и падает на зеркала оптической системы (Galvanometer Scanner “Y direction”, “X direction”). Зеркала позиционируют луч по двум координатам. Далее луч проходит через фокусирующий объектив (F-Theta Objective) и падет на плоскость объекта, расположенную в фокальной плоскости.

Рисунок 2.2. Работа сканирующей системы

Данная система позволяет весьма точно позиционировать луч в фокальной плоскости, и производить его перемещение с большой скоростью (от 4 до 5000 мм/с).

Изображение объектива сканаторной системы представлено на рисунке 2.3. На рисунке изображено прохождение луча через оптическую систему. Луч выходит из сканаторной системы под углом, это необходимо для того, чтобы отраженное излучение не возвращалось в резонатор лазера.

Рисунок 2.3. Объектив сканаторной системы.

2.2.3 Настройка комплекса для работы

Работу на комплексе можно описать следующим образом. Деталь устанавливается в приспособление на рабочем столе. Далее, с помощью щупа, подвешиваемого на сканатор, и по средствам ручного перемещения сканатора по вертикальной оси, фокальная плоскость совмещается с плоскостью маркировки. Затем по габаритам контейнера (красный настроечный луч) деталь перемещается до достижения требуемого положения зоны маркировки. После чего осуществляется маркировка.

Данным методом можно обеспечить высокую точность расположения и высокую размерную точность, но это приведет к большой сложности в настройке. Во-первых, существуют отклонения положения технологических баз относительно осей поля маркировки. Это выражается как в неизвестности положения нулевой точки относительно баз, так и в расположении баз относительно осей под некоторым углом. Данный недостаток можно компенсировать настройкой, но это потребует сложных измерений и дополнения конструкции приспособления. Во-вторых, поскольку луч выходит из объектива под некоторым углом, при отклонениях фокальной плоскости от плоскости маркировки будет проявляться масштабирование маркируемого изображения. В-третьих, если оптическая ось системы не является строго перпендикулярной столу, возможны искажения формы изображения.

2.3 Математическая модель и методика проведения измерений

2.3.1 Математическая модель получения изображения

В ходе эксплуатации комплекса FMark-20RL на производстве возникла необходимость в новых методах обеспечения точности лазерной обработки плоских деталей, основанных на анализе математической модели получения изображения. Рассмотрим маркирование окружности произвольного радиуса на плоской листовой заготовке. Точное положение изображения на заготовке не имеет значения. При построении модели будем считать, что неплоскостность и непараллельность заготовки близки к нулю и оптическая ось объектива строго перпендикулярна плоскости маркировки. Также примем, что отклонения движения луча близки к нулю.

Основная проблема заключается в том, что луч выходит из объектива под некоторым углом, а не строго параллельно оптической оси [2]. В таком случае, реальные размеры изображения совпадают с программными, если при настройке оборудования удалось точно совместить фокальную плоскость и плоскость маркировки. Однако на практике для ускорения процесса настройки совмещение плоскостей производят с помощью приспособления - пластикового щупа. Заведомая неточность такой настройки становится причиной относительного смещения фокальной плоскости и плоскости маркировки (см. рис. 2.4).

Рисунок 2.4. Смещение фокальной плоскости относительно плоскости маркировки. - фокусное расстояние объектива, P - расстояние от фокальной плоскости до оси вращения зеркала, - смещение, - программная длина радиуса окружности, - реальная длина радиуса окружности.

Кроме того, точность позиционирования по вертикальной оси составляет ±0,2, что ограничивает предельную точность съема фокуса. У комплекса существует механизм для настройки размеров получаемого изображения, однако его использование затруднено неопределенностью размеров корректировки и не решает задач резки [1, 3].Установим связь между величиной смещения и реальной длиной радиуса окружности , которую описывает луч на поверхности изделия. Из курса геометрии очевидно, что:

(1)

Следовательно, наблюдается масштабирование изображения. Очевидно, если фокальная плоскость выше плоскости маркировки, то изображение увеличивается, если ниже, то уменьшается.

При построении математической модели стоит учитывать ширину реза . Ширина реза определяется параметрами излучения, оптическими и теплофизическими свойствами материала заготовки и её поверхности. На поверхности будет образовываться кольцо, поскольку рез имеет некоторую ширину. Тогда реальный радиус , измеренный по большему размеру, будет определяться из следующей формулы:

(2)

Также можно учесть погрешность отклонения луча, которую дает сканатор. Для этого выразим реальную длину через угол отклонения оси луча относительно оптической оси объектива :

 (3),

Таким образом, по формуле (3) можно получить поле разброса размеров, зная позиционную повторяемость объектива. Но мы пренебрежем этим фактором, поскольку значение его чрезвычайно мало для решаемых задач.

Поскольку мы предполагаем, что заранее неизвестно, то задачей настройки будет являться установка такой программной длины, что длина реальная будет соответствовать требуемому размеру.

2.3.2 Параметрический метод проектирования управляющих программ

Опираясь на рассмотренную в пункте 2.3.1 математическую модель, предложим параметрический метод проектирования управляющих программ, который позволит упростить настройку оборудования.

Предположим, мы имеем два реальных размера и и некоторый параметр c, такой что:

(4),

Размерам и соответствуют программные размеры и . С учетом (1), верно утверждение:

(5),

Таким образом, выразив все размеры детали через один предварительно выбранный, мы можем подбирать только его значение, а все остальные получатся автоматически. При этом мы пренебрегли шириной реза. Ширина реза является малой величиной, но если необходимо учесть и её, то соответствующую корректировку можно внести непосредственно в необходимый параметр. Очевидно, что на охватываемых размерах она будет давать уменьшение размера, а на охватывающих - увеличение. Межцентровые расстояния при этом не корректируются на ширину реза. Также ширину реза необходимо учесть при измерении детали для последующего внесения корректировки.

Задача решается через применение языка программного обеспечения Mscript. Данное приложение используется для создания маркируемых моделей и задания режимов и схемы обработки. Язык является Basic-подобным. В нем есть операторы примитивов и булевы операции над ними, также возможны параметры и математические операции над ними. Данные функции можно использовать для создания моделей маркируемых изделий или вырезаемых. При этом между примитивами в явном виде привязки создать нельзя, создание привязок рассмотрено в [3].

Суть методики заключается в разработке управляющей программы, которая представляет собой параметрическую модель изделия, и управлении параметрами для точной настройки на необходимый размер:

1. Пересчитать размеры детали в середину допуска, они и будут параметрами.

2. Выбрать размер с наименьшим отношением допуска к номинальному размеру (R).

3. Выразить все параметры (остальные размеры детали) в долях от выбранного размера с учетом пересчета в середину допуска.

4. Записать в начале программы параметры, присвоить значение, выраженное через основной параметр формулой. Основному параметру присвоить номинальное значение.

5. С помощью параметров, примитивов и булевых операций над ними по чертежу или эскизу, учитывая базы для каждого размера, задать параметрическую модель изделия.



Рисунок 2.5. Прокладка.

Пятый пункт требует пояснения. Рассмотрим прокладку, изображенную на рисунке 2.5. За начало координат примем точку пересечения осей симметрии габаритного прямоугольника с длинами сторон a и b. Если в начале программы были перечислены все размеры, то расположение левого нижнего угла габаритного прямоугольника (примитив прямоугольника требует задавать его расположение из левого нижнего угла) определяется формулами . Тогда расположение центров отверстий на оси X определяется по формулам для левого и для правого соответственно. В данном случае определяет базу. Если будет изменен размер , то произойдет автоматический пересчет расположения и размеров примитивов, и мы получим гарантированное положение отверстий относительно базы, поскольку в программе их положение так же зависит и от размера габарита. Таким образом, будет сохраняться постоянная привязка центров отверстий к габаритному прямоугольнику. Сами эти формулы и параметры должны быть указаны в операторах программы.

2.3.3 Настройка оборудования для обработки по управляющей программе, составленной по параметрическому методу

Рассмотрим особенности настройки оборудования для обработки по управляющей программе, составленной по параметрическому методу.

После изготовления первой пробной детали деталь очищается и проверяется размер R, учитывается ширина реза.

По результатам измерений вносится корректировка в размер . Поскольку величина масштабирования мала, допустимо вносить корректировку, численно равную разности между размером программным и размером реальным. Это повторяется до достижения необходимой точности размера R. Также согласно формулам (4) и (5) остальные размеры, выраженные через R, будут изменяться пропорционально и приближаться к номинальному значению.

Далее на следующей пробной детали выполняется корректировка всех остальных размеров, не попавших в допуск или находящихся у края поля допуска, без изменения параметра . Если выполнялась гравировка или маркировка достаточно толстой детали, то, как правило, этот этап не требуется. Если же выполняется резка, то этот этап необходим, поскольку возникающие деформации имеют нелинейный характер и могул вносить достаточно большую погрешность в размеры.

Количество итераций будет зависеть от требуемой точности. Очевидно, результирующая точность ограничивается погрешностью измерительного инструмента, используемого в процессе настройки, и возможностями оборудования.

В основном, для решения задач, поставленных на предприятии, требуется 2-3 настроечных детали, и процесс настройки и написания управляющих программ занимает минимальное время.

Приведенная методика, основанная на математической модели возникающих отклонений, позволяет быстро и просто наладить оборудование для выпуска изделий. На предприятии с её помощью решаются задачи обеспечения точности как гравировки и маркировки, так и резки тонколистовых деталей. В рамках данной работы приведенная математическая модель и основанная на ней методика написания управляющих программ лежат в основе работ по изучению тепловых деформаций при резке тонколистовых изделий.

2.4 Экспериментальное исследование тепловых деформаций тонколистовых изделий с различной насыщенностью конструктивными элементами

2.4.1 Условия эксперимента

Исследование проводилось на лазерном комплексе FMark-20RL (подробно о комплексе см. п. 2.2).

В качестве материала образцов была выбрана бериллиевая бронза БрБ2. Это бронза безоловянная, обрабатываемая давлением. Она обладает высокой прочностью и износостойкостью; высокими пружинными свойствами; хорошими антифрикционными свойствами; средней электропроводностью и теплопроводностью; очень хорошей деформируемостью в закаленном состоянии.

Выбор данного материала для проведения эксперимента обусловлен тем, что из бериллиевой бронзы на предприятии изготавливаются детали типа «Прокладка контактная». Изготовление деталей данного типа предполагается производить с использованием лазерного комплекса, из проката Лента ДПРНТ 0,12 НД БрБ2 ГОСТ 1789-70. Чертежи деталей данного типа приведены в Приложении.

Толщина листов бронзы, используемых для эксперимента, составляет 0,12 мм.

Используются образцы двух видов:

1.Ненасыщенный конструктивными элементами, представляющий собой прямоугольник со скругленными углами и прямоугольным окном. Размеры прямоугольника выбраны в соответствии с типовыми размерами деталей типа «Прокладка контактная». Эскиз образца представлен на рисунке 2.6. На эскизе представлены номинальные размеры образца без отклонений.

2. Насыщенный конструктивными элементами, представляющий собой прямоугольник со скругленными углами и прямоугольным окном, в котором расположены зубцы с шагом от 1 до 2,5. Эскиз образца представлен на рисунке 2.7. На рисунке представлены номинальные размеры образца без отклонений.

Рисунок 2.6. Образец 1.

В качестве основного средства измерения используется штангенрейсмас ШРЦ-250-0,01 ГОСТ 164-90 1 класса точности с допустимой погрешностью 0,03 мм.

Измеряемые параметры образца: фактические габаритные размеры и размеры окна.

Ведется учет времени обработки одной детали. Вычисление времени обработки автоматически производится программным обеспечением лазерного комплекса.

Дается качественная оценка эргономичности (удобству выемки готовой детали). Оценка проводится по пятибалльной шкале:

5 - отлично - деталь вынимается без усилий.

4 - хорошо - деталь вынимается с минимальным усилием.

3 - удовлетворительно - деталь вынимается с использованием инструмента.

2 - плохо - деталь очень сложно вынуть, не деформировав ее.

1 - очень плохо - деталь невозможно вынуть, не деформировав ее.

При подборе режимов резания варьируемыми параметрами являются скорость обработки (мм/с) и число проходов лазерного луча по заданной траектории . Мощность остается постоянной и равной 20 Вт, частота импульса 21 кГц.

2.4.2 Эксперимент 1. Выбор оптимального режима обработки: эргономичность и скорость

Подберем режимы резания, оптимально удовлетворяющие следующим требованиям:

- точность: допустимое отклонение реального размера от программного - 0,05 мм;

- эргономичность: готовая деталь должна легко извлекаться из заготовки без риска ее деформирования в процессе выемки;

- время обработки должно быть минимизировано;

- следует стремиться к уменьшению количества нагара.

Выберем режимы резания для исследования. Как было указано в пункте 2.4.1, варьируемыми параметрами являются скорость и число проходов лазерного луча по заданной траектории. Однако скорость перемещения лазерного луча при настройке технологических режимов задается не в явном виде, а вычисляется системой на основе введенных пользователем параметров.

Этими параметрами являются step_size и step_period. Они задаются в диалоговом окне Advanced controls, которое для волоконного лазера имеет вид, представленный на рис. 2.7.



Рис. 2.7 Окно настройки параметров режимов резания

Перемещение луча по длине вектора производится с помощью так называемых микровекторов. По длине вектора располагаются несуществующие точки с шагом, равным параметру step_size. Луч переходит последовательно из одной к другой такой точке с максимально возможной скоростью через равные интервалы времени, равные step_period. Таким образом, средняя скорость движения луча вдоль вектора составляет step_size/step_period.

Если бы механическая сканаторная система обладала нулевым моментом инерции, то мы бы наблюдали попадание импульсов лазера только в точки стояния, т.е. на границах микровекторов, т.к. импульсы модуляции не синхронны с движением зеркал. Но благодаря инерционности сканаторной системы, перемещение луча происходит более или менее равномерно, и импульсы лазера распределяются по длине вектора соответствующим образом.

Артефакты, связанные с только что описанным принципом работы системы управления, могут наблюдаться на скоростных сканирующих системах при задании чрезвычайно больших значений step_period и step_size, когда луч перепрыгивает относительно большие расстояния и находится относительно долго в одном положении, т.е. когда инерции отклоняющей системы недостаточно для сглаживании ступенчатого воздействия со стороны системы управления. При этом на маркируемой поверхности лазер оставляет отпечатки в виде неравномерно расположенных вдоль вектора точек, сгруппированных вокруг точек стояния луча. Так как одну и ту же среднюю скорость перемещения луча можно задать разными сочетаниями периода и размера микровекторов, производитель лазерной установки рекомендует задавать минимально возможный (100 мкс) период, и исходя из требуемой скорости, рассчитывать размер микровекторов. Для этого в меню программы предусмотрен соответствующий калькулятор скорости.

Что касается числа проходов, данная величина задается в тексте программы при организации цикла for. Переменная-счетчик изменяется от 1 (один проход) до n, где n - требуемое число проходов.

При выборе режимов для проведения эксперимента будем руководствоваться рекомендациями производителя, и установим step_period равным 100, изменение скорости будем производить за счет подбора значений step_period. Число проходов также будет изменяться в соответствии с изменением скорости: очевидно, что на высокой скорости при малом числе проходов деталь вырезана не будет, так как при данной мощности и скорости не будет обеспечена абляция материала по всей толщине заготовки.

Кроме того, при переборе режимов необходимо было в каждом случае передавать заготовке примерно одинаковое количество тепла. Это позволяет обеспечить объективность эксперимента, так как деформации зависят от количества переданного тепла.

Проведем эксперимент, выполнив пять образцов вида 1 на различных режимах (результаты эксперимента приведены в таблице). Визуально оценивается количество нагара на детали, дается качественная оценка эргономичности (см. пункт 2.4.1).

Опираясь на полученные результаты, можно выбрать наиболее подходящий для дальнейшей работы режим из опробованных.

Таблица 2

№	Режим	Время обработки	Качество обработки	Размеры
	Step_ period	Step_ size	Скорость	Число проходов		Нагар	Эргономика	Эталон	Результат
1	100	1	12,21	1	17	малое кол-во	2	41,95	41,89
								25,95	25,95
								23,51	23,43
								10,01	10,01
2	100	5	91,57	5	12	среднее кол-во	3	41,95	42,01
								25,95	26
								23,51	23,55
								10,01	10
3	100	10	183,15	10	12	среднее кол-во	4	41,95	41,95
								25,95	25,95
								23,51	23,51
								10,01	10,05
4	100	20	366	24	15	большое кол-во	5	41,95	41,92
								25,95	25,93
								23,51	23,49
								10,01	10,03
5	1000	1	1,83	1	108	малое кол-во	2	41,95	41,88
								25,95	25,95
								23,51	23,47
								10,01	10,03

Очевидно, что использование режима 5 дает неприемлемо длительное время обработки и несоответствие технологии требованиям эргономичности. Это может привести к деформациям детали и дополнительным временным затратам на ее извлечение.

Режим 1 также может быть исключен из рассмотрения вследствие недостаточной эргономичности.

Режим 4 обеспечивает извлечение готовой детали из листа без каких-либо усилий, однако ведет к образованию большого количества нагара, что, в свою очередь, усложняет процесс очистки детали после изготовления.

Сравнивая режимы 2 и 3, для проведения дальнейших экспериментов более предпочтительным является режим 3 как обеспечивающий лучшую эргономичность при небольшом объеме нагара и малом времени обработки.

2.4.3 Эксперимент 2. Выбор оптимального режима: точность и стабильность

Проведем эксперимент, позволяющий дать оценку точности и стабильности обработки при различных режимах изготовления деталей. Под стабильностью обработки понимается величина разброса полученных реальных размеров детали. Под точностью обработки будем понимать отклонение расчетных размеров окон в детали от реальных.

Будем изготавливать образцы вида 2 (с зубцами) по три штуки на каждом из режимов. Затем вычислим среднее значение полученных размеров и разброс каждого из размеров (разность наибольшего и наименьшего полученного размера). На основании полученных результатов сделаем вывод о стабильности того или иного режима обработки. Затем сравним ожидаемые размеры окна, вычисленные по пропорции, и полученные размеры заготовки, и сделаем оценочные выводы о деформациях детали в процессе обработки.

При выборе режимов обработки для исследования в рамках данного эксперимента будем исходить из того, что заготовке необходимо сообщать примерно одинаковое количество тепла для всех режимов. Подробно это положение объяснено в п. 2.4.2. В том же пункте работы представлена подробная информация о назначении режимов работы.

Результаты эксперимента представлены в таблицах [скорость в мм/с, все размеры в мм]:

Таблица 3. Режим 1

Скорость	36,6	Число проходов	2
Программный размер	1	2	3	Среднее	Разброс	Расчетный размер	Отклонение от реального
41,80	41,85	41,95	41,82	41,87	0,13
19,84	19,92	19,90	19,91	19,91	0,02
23,43	23,45	23,49	23,52	23,49	0,07	23,47	0,02
	9,19	9,23	9,15
	9,21	9,23	9,15
несимметричность	-0,02	0	0
9,95	10,03	10,06	10,05	10,05	0,03	9,99	0,06
	4,92	4,92	4,94
	4,97	4,92	4,92
несимметричность	-0,05	0	0,02

Таблица 4. Режим 2

Скорость	91	Число проходов	5
Программный размер	1	2	3	Среднее	Разброс	Расчетный размер	Отклонение от реального
41,80	41,93	41,87	41,88	41,89	0,06
19,84	19,89	19,86	19,87	19,87	0,03
23,43	23,54	23,51	23,54	23,53	0,03	23,48	0,05
	9,18	9,18	9,17
	9,21	9,18	9,17
несимметричность	-0,03	0	0
9,95	10,05	10,04	10,06	10,05	0,02	9,97	0,08
	4,90	4,94	4,91
	4,94	4,88	4,90
несимметричность	-0,04	0,06	0,01

Таблица 5. Режим 3

Скорость	183	Число проходов	10
Программный размер	1	2	3	Среднее	Разброс	Расчетный размер	Отклонение от реального
41,80	41,85	41,87	41,88	41,87	0,03
19,84	19,84	19,86	19,86	19,85	0,02
23,43	23,47	23,47	23,51	23,48	0,04	23,46	0,02
	9,18	9,20	9,19
	9,20	9,20	9,18
несимметричность	-0,02	0	0,01
9,95	10,04	10,05	10,04	10,04	0,01	9,96	0,08
	4,89	4,91	4,91
	4,91	4,90	4,91
несимметричность	-0,02	0,01	0

Таблица 6. Режим 4

Скорость	274	Число проходов	15
Программный размер	1	2	3	Среднее	Разброс	Расчетный размер	Отклонение от реального
41,80	41,84	41,85	41,85	41,85	0,01
19,84	19,87	19,86	19,87	19,87	0,01
23,43	23,51	23,49	23,49	23,50	0,02	23,45	0,04
	9,17	9,18	9,18
	9,16	9,18	9,18
несимметричность	0,01	0	0
9,95	10,06	10,07	10,07	10,07	0,01	9,97	0,10
	4,91	4,90	4,90
	4,90	4,89	4,90
несимметричность	0,01	0,01	0,00

Отметим, что при обработке со скоростью 36,6 мм/с за 2 прохода наблюдалась очень плохая эргономичность: детали не удалось извлечь из листа без механических повреждений.

По результатам измерений и расчетов видно, что разброс размеров готовых деталей уменьшается с увеличением скорости и числа проходов, то есть режим 4 (скорость 274 мм/с, 15 проходов) является наиболее стабильным. Разброс размеров составляет не более 0,02. Это объясняется тем, что при резке металла на высокой скорости и за большое число проходов нагрев заготовки является более равномерным, следовательно, возникают более предсказуемые деформации (см. п. 2.1.1).

Заметно, что деформации возрастают при увеличении скорости и кратном увеличении числа проходов, поскольку увеличивается часть тепла, отошедшая в заготовку, и уменьшается часть тепла, отошедшая на испарение и расплавление.

Для всех режимов отмечаются различные деформации по разным осям. Это связано со схемой размещения прижимов на заготовке при обработке.

Данный эксперимент дополняет итоги эксперимента 1 по выбору режимов обработки: при обработке на скорости 274 мм/с за 15 проходов наблюдается небольшой разброс размеров (следовательно, режим стабилен). Описанная в пункте 2.3 методика позволяет скорректировать получаемые размеры детали путем настройки, поэтому стабильность режима при малом времени обработки и хорошей эргономичности определяют выбор режима 4 в качестве оптимального. Однако для проведения эксперимента, иллюстрирующего связь насыщенности конструктивными элементами и деформаций, выберем режим ; . При обработке на этом режиме деформации будут более заметны, что облегчит их оценку. При этом достаточная стабильность данного режима обеспечит достоверность результатов.

2.4.4 Эксперимент 3. Связь насыщенности конструктивными элементами и деформаций

При изготовлении образца из тонколистового материала, а именно из бериллиевой бронзы толщиной 0,12 мм, неизбежно возникновение деформаций, которые могут стать причиной неверной настройки оборудования по методу, описанному в пункте 2.3.3. Чтобы устранить влияние деформаций и произвести максимально достоверную настройку, выполним по программе для изготовления образца 1(текст программы приведен в Приложении) маркировку на заготовке из шлифованной алюминиевой плиты толщиной 30 мм. Таким образом, полученную на алюминиевой плите маркировку можно будет считать идеальной прокладкой, так как за счет относительно большой толщины плиты она не деформируется при нанесении изображения.

Для обработки на лазерном комплексе алюминиевая заготовка была вставлена в уголок. Обработка производилась на следующих режимах: ; (см. пункт 2.4.2, 2.4.3).

Измерения проводились с помощью штангенреймаса ШРЦ_250_0,01 ГОСТ 164-90 1 класса точности с допустимой погрешностью 0,03 мм по полученным в результате маркирования рискам.

Результаты измерений фактических размеров и заданные программные значения размеров приведены в таблице.

Стоит отметить, что программные размеры окна высчитываются при выполнении программы по заданной формуле в зависимости от габаритных размеров.

Таблица 7

№ п.п.	Программный размер	Фактический размер
1	(габарит) 41.8	41.95
2	(габарит) 19.84	25.95
3	(окно) 23.43	23.51
4	(окно) 9.97	10.01

Поместим заготовку из бериллиевой бронзы на заготовке из алюминиевой плиты. Предположим, деформаций нет или они минимальны. Очевидно, что при этом плоскость фактического изображения сместилась вдоль вертикальной оси на величину, равную толщине бронзового листа - 0,12 мм. Следовательно, при обработке на тех же режимах, что были применены при маркировании алюминиевой плиты, размеры должны пропорционально измениться. Из технической документации на сканатор и объектив известно, что расстояние от центра зеркала до фокальной плоскости составляет 216,9 мм. В соответствии с моделью, предложенной в п.2.3, можно рассчитать ожидаемые размеры изображения на бериллиевой бронзе (размеры готовой контактной прокладки). Результаты расчета занесены в таблицу.

Таблица 8

Режимы обработки	Размер алюминиевого образца	Ожидаемый размер бронзового образца
Скорость	183	41.95	41.93
Число проходов	10	25.95	25.94
Время	12	23.51	23.50
Эргономика	5	10.01	10.00

Однако при вырезании образца из бериллиевой бронзы в соответствии с описанными условиями эксперимента наблюдается расхождение ожидаемых и реальных размеров образца. Это свидетельствует о деформации листа бериллиевой бронзы в процессе обработки. Поскольку механическое воздействие на образец отсутствует, деформация, очевидно, является следствием теплового воздействия на заготовку.

Количество тепла, сообщаемого заготовке в процессе обработки, зависит от длины траектории реза. На основании этого можно предположить, что при выполнении зубцов в окне (образец 2) деформации должны быть больше, чем при выполнении окна без зубцов, и увеличиваться с уменьшением шага.

Для подтверждения или опровержения данной гипотезы изготовим три образца первого вида и по три образца второго вида с шагом зубцов 1 и 2,5 на тех же режимах, что были использованы при вырезании образца первого вида: ; . Будем использовать единичные заготовки из бериллиевой бронзы.

После выполнения и измерения образцов, вычислим средние размеры полученных образцов и сравним их с эталонными. Рассчитаем разброс размеров деталей для различной конструктивной сложности. Обратим внимание на несимметричность расположения окон в готовых деталях. Затем вычислим реальное положение плоскости размещения изображения и сравним с расчетным. Положение плоскости размещения изображения, разумеется, будет условным, так как деформации неравномерны, имеют место прогибы. Кроме того, образец измеряется после охлаждения.

Полученные данные измерений и расчетные величины позволят сделать выводы:

- о связи насыщенности детали конструктивными элементами и деформаций;

- характере деформации деталей.

Измерения проводились с помощью штангенреймаса ШРЦ_250_0,01 ГОСТ 164-90 1 класса точности с допустимой погрешностью 0,03 мм по полученным в результате маркирования рискам.

Результаты измерений фактических размеров и заданные программные значения размеров приведены в таблицах 9-11.

Таблица 9 Образцы без зубцов

Эталон	программа	прокладка 1	прокладка 2	прокладка 3	среднее	разброс	разность с эталоном	расстояние от плоскости эталона
41,95	41,8	41,77	41,82	41,81	41,80	0,05	0,15	0,77
19,95	19,84	19,82	19,86	19,86	19,85	0,04	0,10	1,12
23,51	23,43	23,35	23,38	23,38	23,37	0,03	0,14	1,29
		9,22	9,23	9,23
		9,20	9,21	9,20
	несимметричность	0,02	0,02	0,03
10,01	9,97	9,94	9,96	9,99	9,96	0,05	0,05	1,01
		4,94	4,94	4,95
		4,94	4,96	4,92
	несимметричность	0,00	-0,02	0,03
Разность с эталоном	габарит x	0,18	0,13	0,14
	габарит y	0,13	0,09	0,09
	окно x	0,16	0,13	0,13
	окно y	0,07	0,05	0,02
					в среднем	0,04

Таблица 10 Образцы с зубцами с шагом 2,5

Эталон	программа	прокладка 1	прокладка 2	прокладка 3	среднее	разброс	разность с эталоном	расстояние от плоскости эталона
41,95	41,80	41,82	41,78	41,80	41,80	0,04	0,15	0,77
19,95	19,84	19,85	19,82	19,81	19,83	0,04	0,12	1,34
23,51	23,43	23,47	23,42	23,49	23,46	0,07	0,05	0,46
		9,18	9,18	9,16
		9,17	9,18	9,15
	несимметричность	0,01	0,00	0,01
10,01	9,97	10,06	10,03	10,00	10,03	0,06	-0,02	-0,43
		4,90	4,89	4,90
		4,89	4,90	4,91
	несимметричность	0,01	-0,01	-0,01
Разность с эталоном	габарит x	0,13	0,17	0,15
	габарит y	0,10	0,13	0,14
	окно x	0,04	0,09	0,02
	окно y	-0,05	-0,02	0,01
					в среднем	0,05

Таблица 11 Образцы с зубцами с шагом 1

Эталон	программа	прокладка 1	прокладка 2	прокладка 3	среднее	разброс	разность с эталоном	расстояние от плоскости эталона
41,95	41,80	41,77	41,80	41,79	41,79	0,03	0,16	0,84
19,95	19,84	19,81	19,80	19,82	19,81	0,02	0,14	1,52
23,51	23,43	23,41	23,42	23,44	23,42	0,03	0,09	0,80
		9,18	9,20	9,19
		9,18	9,18	9,16
	несимметричность	0,00	0,02	0,03
10,01	9,97	10,00	9,98	9,98	9,99	0,02	0,02	0,50
		4,91	4,91	4,92
		4,90	4,91	4,92
	несимметричность	0,01	0,00	0,00
Разность с эталоном	габарит x	0,18	0,15	0,16
	габарит y	0,14	0,15	0,13
	окно x	0,10	0,09	0,07
	окно y	0,01	0,03	0,03	в среднем	0,02

По результатам измерений и вычислений наблюдаются следующие закономерности.

Величина отклонения плоскости размещения изображения от плоскости эталона для габаритных размеров характеризует величину прогиба. Условная величина расстояния плоскости размещения изображения от плоскости эталона значительно больше толщины прокладки 0,12 мм и возрастает с увеличением насыщенности конструктивными элементами, что подтверждает выдвинутую ранее гипотезу. Это объясняется тем, что при вырезании детали с большей насыщенностью конструктивными элементами (меньшим шагом зубцов) лазерный луч проходит большее расстояние по поверхности детали, следовательно, детали сообщается большее количество тепла. Это, в свою очередь, становится причиной больших тепловых деформаций более сложных деталей.

Стоит обратить внимание на значительные различия расстояний плоскости размещения изображения от плоскости эталона для габаритных размеров по осям Х и У. Возможно, это объясняется такими факторами, как наличие нескорректированного наклона стола, неровность алюминиевой плиты, положение прижимов, ограничивающих изгиб детали в направлении одной из осей.

Величина отклонения плоскости размещения изображения от плоскости эталона для размеров окна характеризует характер прогиба заготовки в процессе обработки.

Рис. 2.8 Прогиб заготовки в процессе обработки

В образце с шагом 2,5 наблюдаются окна большие, чем окно эталонного образца. Рассматривая изготовление деталей лазерным методом, мы учитываем их деформацию, представляя ее себе как куполообразный изгиб заготовки в процессе резания (см. рис. 2.8 а, б). Однако при такой форме изгиба заготовки окно должно получаться меньшего размера, чем эталонное. Объяснить результаты, полученные для образца с шагом 2,5, можно, если предположить, что имеет место нелинейный характер деформаций - S-образный прогиб (см. рис 2.8 в). Кроме того, для образца с шагом 2,5 наблюдается больший разброс размеров.

Выводы

Во второй главе данной работы была приведена математическая модель получения изображения на лазерном комплексе. На ее основе был предложен параметрический метод разработки управляющих программ, описано его практическое применение при настройке оборудования.

С использованием данного метода было проведено три эксперимента. Первый из экспериментов позволил подобрать режим обработки деталей, обеспечивающий приемлемое качество (эргономичность, количество нагара, время обработки). Второй эксперимент проиллюстрировал стабильность режимов обработки и их точность. Третий эксперимент дал возможность оценить величины и характер деформаций детали при обработке на данном режиме в зависимости от ее насыщенности конструктивными элементами.

Оценка величин деформаций является, по ряду причин, относительной, и значение отклонения плоскости размещения изображения от плоскости эталона не может считаться абсолютной величиной. Это связано с недостатками схемы измерения и неточностью измерительного оборудования. Тем не менее, результаты эксперимента позволяют судить о нелинейном характере деформаций. В дальнейшем было бы интересно провести анализ обработки тонколистовых деталей с помощью систем инженерного анализа, что в настоящий момент остается за рамками данной работы.

Итак, результаты проведенных экспериментов позволяют говорить о том, что предложенный метод разработки программ и используемые режимы обработки пригодны для изготовления деталей на производстве:

1. Достижима высокая точность получаемых размеров, ограниченная только погрешностью используемого при настройке мерительного инструмента.

2. Результат обработки лежит в допуске для всех деталей, так как отклонение деталей от эталона (см. величину отклонения от эталона в табл. 1-3) вне зависимости от их конструктивной сложности не превышает допустимые отклонения для деталей типа «Прокладка контактная», которые предполагается изготавливать с использованием данного метода.

3. Обеспечивается достаточная эргономичность и малое время обработки при отсутствии нагара.

В заключительной главе работы будет проиллюстрирована возможность применения результатов данного исследования для изготовления деталей типа «Прокладка контактная» в условиях серийного производства на конкретном примере.

3. Обработка детали «прокладка контактная»

3.1 Проект модернизации технологического процесса детали типа «Прокладка контактная» с и...