Лазерный мир

Кисель А.Г., Белан Д.Ю., Тодер Г.Б // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты, — Т. 22, № 3. — С. 33-43. — Б01: 10.17212/1994-6309-2020-22.3-33-43.

Введение: Одна из важнейших задач при производстве металлических деталей — обеспечение необходимого качества обработанной поверхности. Существует множество способов достижения требуемого качества, но наименее исследованным является лазерная микрообработка. Цель работы — экспериментальное определение возможности снижения шероховатости поверхности заготовки с помощью лазерной обработки. Методы. Лазерная обработка в данных исследованиях выполнялась с помощью системы лазерной маркировки (СЛМ) «ТурбоМаркер-В20». Идея исследований состоит в том, что с помощью лазерной обработки с рациональными режимами возможно уменьшить шероховатость поверхности заготовки за счет удаления вершин микронеровностей. При проведении исследований в качестве режимов лазерной обработки выбраны плотность линий r, описываемых лазером при обработке, линий/мм, и мощность лазера N , %. Результаты и их обсуждение. В результате проведенных экспериментов и выполненных расчетов была построена поверхность отклика и установлена формула зависимости Ra ср = f (r; N ). Оценка установленной зависимости показала, что снижения шероховатости можно достичь при следующих режимах: r = 120 линий/мм; N = 1…5 %. Затем выполнена лазерная обработка предварительно фрезерованных и шлифованных заготовок с полученными режимами. Основываясь на результатах экспериментальных исследований, представленных в данной статье, можно сделать следующие выводы: 1) лазерная обработка может быть применена с целью окончательной (финишной) обработки, так как позволяет снизить шероховатость поверхности фрезерованной заготовки из сплава Д16 на 23,8 %, а шлифованной — на 6,6 %; 2), несмотря на то, что снижение шероховатости после обработки шлифованной заготовки незначительно, возможным является то, что применяемые режимы не были оптимальными для данных условий. Поэтому дальнейшие исследования следует направить на определение таких режимов, а также на установление физических процессов в зоне обработки и их влияния на заготовку.

Одной из важнейших задач при производстве металлических деталей всегда было и остается обеспечение необходимого качества обработанной поверхности. Требуемое качество достигается следующими способами:

1) за счет применения рациональных режимов резания и режущих инструментов, а также

современного станочного оборудования (станки повышенной жесткости обеспечивают уменьшение вибраций технологической системы, а рациональные режимы и режущий инструмент — снижение возникающих сил и получаемой формы детали и шероховатости поверхности) [1-4];

2) за счет рационального выбора смазочно-охлаждающих жидкостей (это обеспечивает снижение температуры в зоне обработки, снижение силы трения и силы резания, в результате чего уменьшаются температурные и механические деформации заготовки и увеличивается точность получаемых размеров) [5-8];

3) доводочных операций (это дополнительные операции, при которых с заготовки снимается припуск малого размера — сотые доли миллиметра — до достижения требуемого размера детали и шероховатости поверхности — обработка свободным и закрепленным абразивом) [9-12];

4) комбинированных методов обработки (к ним относятся традиционные методы механической обработки, но с применением дополнительных физических воздействий, таких как электрический ток, магнитное поле, вибрации, пластическая деформация, ультразвук и другое, что нацелено на снижение шероховатости и волнистости поверхности, а также на увеличение ресурса получаемой детали) [13-16].

В настоящее время в машиностроении находят все большее применение лазерные технологии, используемые при следующих операциях обработки металлических заготовок:

1) сверление и перфорирование [17];

2) термическая обработка [18];

3) лазерная резка [19, 20];

4) гравировка и маркировка [21];

5) микрообработка [22];

6) спекание [23, 24];

7) модификация поверхности [25, 26];

8) селективная лазерная абляция [27, 28];

9) лазерная сварка [29, 30].

Из перечисленных способов микрообработка предполагает обработку деталей малых размеров (применяемых, например, в электронике) и отличается величиной снимаемого припуска за один проход от 10 мкм и более. Наличие большого числа публикаций по лазерной обработке за последние годы говорит об актуальности данной тематики. Однако несмотря на это, в литературе практически не освещен вопрос о зависимости качества получаемой поверхности от параметров лазерной обработки. Поскольку речь идет о микрообработке, принятым параметром качества должна быть шероховатость. Предполагается, что другие параметры качества обеспечиваются при обработке, предшествующей лазерной. Следует отметить, что необходимо выбирать так называемые «щадящие» режимы лазерной обработки, в результате чего на поверхности заготовки не возникает высокая температура, а значит, не происходят изменения структуры и свойств материала заготовки. Таким образом, целью данной работы является экспериментальное определение возможности снижения шероховатости поверхности заготовки с помощью лазерной обработки. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) экспериментально установить шероховатость поверхности после лазерной обработки с различными режимами; 2) установить зависимость шероховатости поверхности от режимов лазерной обработки; 3) расчетным путем определить режимы, при которых возможно уменьшение шероховатости поверхности; 4) экспериментально установить шероховатость поверхности при рассчитанных режимах и сделать вывод об эффективности лазерной обработки.

Методика исследований

Лазерная обработка в данных исследованиях выполнялась с помощью системы лазерной маркировки (СЛМ) «ТурбоМаркер-В20» производства ООО «Лазерный Центр» (рис. 1). Основные технические характеристики применяемой системы следующие:

— тип лазера — иттербиеый импульсный волоконный;

— длина волны основного излучения -1055…1075 нм;

— длительность импульса — 100.110 нс;

— максимальная выходная мощность излучения — 20 Вт;

— диапазон регулирования частоты модуляции — 20.100 кГц.

Идея исследований состоит в том, что с помощью лазерной обработки с рациональными режимами возможно уменьшение шероховатости поверхности заготовки за счет удаления вершин микронеровностей. Применяемая СЛМ предназначена для нагрева, плавления и испарения части металла из зоны воздействия, что может негативно сказываться на качестве поверхности. Следовательно, для чистовой обработки необходимы такие режимы, при которых не будет возникать высоких температур на поверхности заготовки, а значит, не будет и изменений свойств материала. На начальном этапе требуется установить эмпирическую зависимость шероховатости как основного параметра качества от режимов лазерной обработки. Это позволит с определенной погрешностью прогнозировать качество обработанной поверности, а значит, сузить зону поиска рациональных режимов.

При проведении исследований в качестве режимов лазерной обработки выбраны следующие два наиболее значимых (эксперимент двухфак-торный):

— плотность линий, описываемых лазером при обработке, линий/мм;

— мощность лазера, % (от максимальной мощности, которая для данной модели СЛМ составляет 20 Вт).

При этом неизменными были частота модуляции (40 кГц) и скорость маркировки (800 мм/с).

В качестве материала обрабатываемой заготовки принят алюминиевый сплав Д16, так как алюминиевые сплавы являются одними из наиболее распространенных в машиностроении и, в частности, в авиа- и ракетостроении. Поэтому к обработке таких сплавов предъявляют высокие требования по качеству получаемой поверхности и точности размеров.

Эксперименты проводились на шлифованных заготовках (рис. 2) со средней шероховатостью Яа 0,076 мкм при следующих режимах:

— плотность линий лазера р, линий/мм: 20, 60, 100;

— мощность лазера N %: 10, 15, 20.

Плотность линий выбрана в достаточно широком диапазоне с целью увеличения вероятности нахождения оптимальной величины. Значения мощности приняты на основе предварительных экспериментов такие, при которых не происходит видимых изменений поверхности заготовки. Обработанная при каждом режиме область заготовки пронумеровывалась и обводилась с помощью СЛМ, для того чтобы в дальнейшем производить измерения шероховатости. Размеры обработанных областей составляли 15×15 мм. На каждом режиме лазерной обработки производился один проход.

Результаты и их обсуждение

Результаты лазерной обработки оценивались с помощью профилометра PS1 Mahr (рис. 3). Измерения шероховатости производились под углом 90° к линиям, описываемым лазером. На каждой обработанной области (т. е. для каждого из режимов обработки) шероховатость определялась 5.7 раз и рассчитывалось ее среднее арифметическое значение (Каср, мкм). Полученные данные представлены в табл. 1.

Обработка результатов исследований выполнялась методом полного факторного эксперимента и также с помощью программы БТАТК-Т1СА у12.0. В результате было установлено, что погрешность относительно экспериментальных данных при расчетах по формуле, полученной методом полного факторного эксперимента, превышала 17 %. Погрешность при расчетах по формуле, полученной с помощью программы 8ТАТ18Т1СА у12.0, не превысила 6,7 %.

Несмотря на то что при испытаниях установлено увеличение шероховатости поверхности после лазерной обработки, полученное выражение дает возможность прогнозировать тенденцию изменения шероховатости поверхности.

Оценка поверхности отклика (рис. 4) показала, что для уменьшения шероховатости обрабатываемой поверхности необходимо устанавливать мощность лазера менее 10 %. Если рассматривать зависимость шероховатости от плотности линий при постоянной мощности, равной 10 %, то расчет показал, что на выбранном ранее диапазоне есть точка экстремума, соответствующая плотности 108,80 линий/мм, т. е. для уменьшения шероховатости необходимо устанавливать плотность либо менее 20 линий/мм, либо более 108,80 линий/мм. Однако очевидным является то, что при снижении плотности линий снижается также и площадь фактически обработанной поверхности заготовки. Поэтому для расчетного определения режима лазерной обработки, при котором возможно снижение шероховатости, было принято решение снижать мощность лазера менее 10 % и увеличивать плотность линий более 108,80 линий/мм. Путем подбора варьируемых факторов расчетным путем по формуле (1) было установлено, что снижения шероховатости поверхности заготовки можно достигнуть при следующих режимах лазерной обработки:

• р = 120 линий/мм;

• N = 1…5 %.

Установленные таким образом режимы нуждаются в экспериментальной проверке. С этой целью была выполнена обработка заготовки из сплава Д16 методом торцового фрезерования. Установленная описанным выше методом средняя шероховатость поверхности Racv составила 1,348 мкм. Затем производилась лазерная обработка полученной поверхности с режимами, при которых было ранее спрогнозировано снижение шероховатости. На фрагменте заготовки (рис. 5) представлены обработанные области: первая слева область соответствует мощности 1 %, вторая — 3 %, третья — 5 %.

При визуальной оценке заготовки (см. рис. 4) видимых изменений после лазерной обработки не было установлено, что говорит об отсутствии возникновения высоких температур и сохранении свойств материала. Однако в результате измерений шероховатости было зафиксировано изменение по сравнению с поверхностью, не подвергавшейся лазерной обработке. Полученные результаты представлены в табл. 2.

Оценка табл. 2 показала, что лазерная обработка при р = 120 линий/мм и N = 1 % позволяет снизить шероховатость поверхности фрезерованной заготовки из сплава Д16 на 23,8 %. Полученные результаты подтверждают высказанную ранее гипотезу о возможности снижения шероховатости заготовки методом лазерной обработки. Однако исходная шероховатость заготовки была достаточно высокой и соответствовала седьмому классу чистоты поверхности.

Интересной является возможность снижения шероховатости поверхности более высокого класса чистоты, например, после шлифования. Поэтому далее была выполнена лазерная обработка шлифованной заготовки, образец которой представлен на рис. 2, с установленными режимами. Исходная средняя шероховатость заготовки Raср, как было сказано ранее, составляла 0,076 мкм.

Выводы

В результате проведенных исследований доказана гипотеза о возможности снижения шероховатости заготовки методом лазерной обработки за счет удаления вершин микронеровностей и решены все поставленные задачи: 1) экспериментально установлена шероховатость поверхности после лазерной обработки с различными режимами; 2) с помощью программы 8ТАТ18Т1СА у12.0 установлена эмпирическая зависимость шероховатости поверхности от режимов лазерной обработки; 3) расчетным путем определены режимы, при которых возможно уменьшение шероховатости поверхности; 4) экспериментально установлена шероховатость поверхности при рассчитанных режимах и сделан вывод об эффективности лазерной обработки.

Так как лазерная обработка позволяет снизить шероховатость поверхности фрезерованной заготовки из сплава Д16 на 23,8 %, а шлифованной — на 6,6 %, она может быть применена с целью окончательной (финишной) обработки. Несмотря на то что снижение шероховатости после обработки шлифованной заготовки незначительно, возможным является то, что применяемые режимы не являлись оптимальными для данных условий. Поэтому дальнейшие исследования следует направить на определение таких режимов, а также на установление физических процессов в зоне обработки и их влияния на заготовку.

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-vozmozhnosti-chistovoy-lazernoy-obrabotki-zagotovok-iz-alyuminievogo-splava-d16/pdf