Влияние параметров лазерной резки на качество поверхности реза стальных листов

Научная библиотека Комментариев к записи Влияние параметров лазерной резки на качество поверхности реза стальных листов нет

И.В. Минаев, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, А.Е. Гвоздев, Д.М. Хонелидзе, И.В. Голышев // ЖУРНАЛ
Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2014

Разработана математическая модель, адекватно описывающая влияние параметров ЛР на шероховатость поверхности реза при отсутствии грата, и проведена оптимизация режимов ЛР с помощью методов теории принятия решений. Показано, что шероховатость уменьшается при увеличении скорости и уменьшении фокусного расстояния до металла. Повышение мощности излучения, давления газа и толщины листа также влияют на шероховатости. Получена номограмма, позволяющая назначать режимы ЛР для получения минимальной шероховатости на листах разной толщины стали марки Ст. 3.

INFLUENCE OF PARAMETERS OF LASER CUTTING BURR SURFACE CUTTING OF STEEL PLATES
A mathematical model that adequately describes the effect of LC parameters on the surface roughness of the cut with no burrs is worked out, and the optimization mode LC using the methods of decision theory is given. It is shown that the surface roughness decreases with increasing speed and focal length decreases. Increasing the radiation power of the gas pressure and the thickness of the sheet has a negative impact on the roughness.The nomogram, allowing LC to assign modes for minimum roughness on sheets of different thickness steel St. 3 is received.

К числу перспективных процессов разделения материалов следует отнести лазерную резку (ЛР) металлов, основанную на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны резки.

ЛР стальных листов по сложному контуру является наиболее распространенным технологическим процессом лазерной обработки в промышленности. Ее применяют для вырезки таких деталей, как прокладки, кронштейны, панели, приборные щитки, двери, декоративные решетки, дисковые пилы. Весьма эффективным оказалось применение лазерной резки фигурных изделий на стадии освоения новой продукции, так как из-за использования лазерного оборудования значительно сокращаются сроки освоения изделий. В этих условиях лазерная резка экономичнее резки водяной струей и эрозионной проволокой.

Основными направлениями развития ЛР являются повышение её эффективности (скорости резки, толщины разрезаемых листов Н) и достижение высоких показателей качества реза — низкой шероховатости поверхности реза, прямых стенок реза, отсутствия грата (застывших капель расплава на нижней кромки реза), малой зоны термического влияния. Полная и взаимосвязанная физическая картина образования лазерного реза к настоящему времени не создана [1]. Не разработаны надёжные методы прогнозирования результатов резки, оптимального выбора исходных параметров (мощности излучения ‘, скорости резки V, давления газа Р, фокусного расстояния Б) при различной толщине разрезаемых листов. Связано это, прежде всего, с многообразием и сложным взаимодействием протекающих при лазерной резке физических процессов.

В связи с вышеуказанным актуальным представляется поиск оптимальных условий для получения качественной поверхности реза. Целью настоящей работы явились разработка математической модели, адекватно описывающей влияние параметров ЛР на шероховатость поверхности реза при отсутствии грата и оптимизация режимов ЛР с помощью методов теории принятия решений.

Методика эксперимента

Раскрой стальных листов волоконным лазером производили с помощью комплекса,снабженного оптической головкой ЭИП1119 производства НТО “ИРЭ-Полюс”

Оптическая головка осуществляет принудительный обдув защитного стекла. Для обеспечения оптимальных режимов резки головка имеет две регулировки:

— продольную для изменения положения фокуса относительно сопла;

— поперечную для юстировки поперечного положения сопловой части относительно оси лазерного луча.

Оптическая головка ЭИП1119 позволяет регулировать такие параметры ЛР, как мощность излучения ‘ < 3000 Вт, давление газа Р < 2 МПа, фокусное расстояние 293 < Б < 307 мм.

Объектом исследования явились листы из углеродистой стали марки Ст.3 (ГОСТ 380-2005). Соосно с лазерным пучком в зону резки подавалась струя технологического газа (кислород). Комплексная методика исследования образцов после реза включает в себя:

— макрофрактографический анализ для определения наличия и количества грата и ширины зон лазерного воздействия и выдувания газом на

поверхности канала реза. Для этого использовали стереоскопический микроскоп, цифровой фотоаппарат и штангенциркуль;

— измерение шероховатости канала реза с целью определения качественной характеристики лазерной резки на портативном измерителе шероховатости ТЯ220. За параметр шероховатости приняли Яг — высоту неровностей профиля по десяти точкам [2];

— измерения шероховатости на квадратных образцах с отверстием по центру. Далее из всех полученных значений рассчитывали среднее арифметическое для каждого образца.

Результаты и их обсуждения

Исследовали образцы из стали марки Ст.3 толщиной 6, 10, 14 мм. Параметры ЛР варьировали в пределах ‘ = 1200… 1900 Вт, V = 700… 1600 мм/мин, Р = 0,02.0,05 МПа, Б = 295.305 мм.

В каждом эксперименте на листе разной толщины меняли параметры ЛР таким образом, чтобы разрезать лист без получения гратов. Отсутствие гратов подтверждено макрофрактографическим анализом.

После измерения шероховатости на всех образцах с помощью пакета прикладных программ Statgraphics CenturionXV получали математические модели, описывающие влияние Н и параметров ЛР на шероховатость поверхности реза, а также взаимосвязь толщины листа и параметров ЛР.

Взаимосвязь толщины листа, которую можно разрезать без присутствия грата, с параметрами ЛР описывает следующая зависимость (в мм):

Н = 0,004 • Ш — 0,005 • V — 3,235 • Р + 0,034 • (1)

Уравнение (1) обладает удовлетворительной прогнозирующей способностью и использовано для последующего анализа. На рис. 1 и 2 представлены области значений толщин листов, которые можно разрезать с отсутствием гратов, для разных комбинаций параметров ЛР.

Комплекс полученных данных свидетельствует о том, что взаимосвязь шероховатости поверхности реза с толщиной и параметрами ЛР может быть адекватно описана следующей моделью (в мкм):

= 37,10 • 10“3(^ • Р) + 8,01 • 10“7(Я • F3 • У~°,3). (2)

На рис. 3 представлены области значений шероховатости поверхности реза, которую можно получить на листах разной толщины при различных комбинациях параметров ЛР.

Полученные результаты позволяют установить направления изменения основных параметров ЛР для разрезания листов различной толщины без получения гратов:

— уменьшение фокусного расстояния уменьшает возможную толщину разрезаемого листа, возможную скорость резки, возможное давление газа и увеличивает необходимую мощность для резки листа заданной толщины;

— уменьшение давления газа увеличивает возможную скорость рез-

ки, возможную толщину разрезаемого листа, но уменьшает фокусное расстояние для заданной толщины и позволяет уменьшить требуемую мощность для резки листа заданной толщины;

— увеличение скорости резки увеличивает требуемую мощность для резки листа определенной толщины, диапазон возможного фокусного расстояния, но уменьшает диапазон возможного давления газа для резки листа заданной толщины,минимизируя ее;

— увеличение мощности увеличивает толщину разрезаемого листа, возможную скорость резки, диапазон возможного давления газа, но уменьшает диапазон возможного фокусного расстояния для получения листа заданной толщины.

Граничные условия при оптимизации включали диапазоны варьирования параметров ЛР. Задачу решали многократно, меняя значения толщины листа в ограничении. Каждой конкретной постановке задачи оптимизации соответствовала комбинация параметров ЛР, которая на листе заданной толщины позволяет получать минимальную шероховатость поверхности реза с отсутствием грата. Минимальные значения шероховатости, которые можно достичь на листах разной толщины, приведены на рис. 4. Точки на графике обозначают номер режима ЛР, параметры которых приведены в таблице.

Выводы

Разработаны статистические модели, адекватно описывающие влияние параметров ЛР на толщину листов, которую можно разрезать без образования гратов, и на шероховатость поверхности реза.

Показано, что шероховатость уменьшается при увеличении скорости и уменьшении фокусного расстояния. Повышение мощности излучения, давления газа и толщины листа негативно сказывается на шероховатости.

Проведена оптимизация разработанных моделей, позволившая установить режимы ЛР для получения минимальной шероховатости на листах заданной толщины.

В условиях отсутствия физической модели образования реза использование разработанных статистических моделей для оптимизации позволяет выбирать рациональные режимы ЛР, обеспечивающие получение качественной поверхности реза (с минимальной шероховатостью и отсутствием грата).

Список литературы

1. Голубев В.С. Механизмы удаления расплава при лазерной резке материалов // Глубокое каналирование и филаментация мощного лазерного излучения в вещество / под ред. В.Я. Панченко. М.: Интерконтакт-наука, 2009. С. 102-143.

2. Крагельский И.В. Характеристики микрогеометрии, определяющие контактное взаимодействие шероховатых поверхностей. М.: НИМАШ, 1973, 32 с.

КиберЛенинка: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-parametrov-lazernoy-rezki-na-kachestvo-poverhnosti-reza-stalnyh-listov


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2016
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top