Расчет параметров излучения для резания участков разгона и торможения

Возможны два варианта режимов работы волоконного лазера при резании участков разгона и торможения, а также дуг и окружностей с радиусом менее 10 мм, улучшающих его качественные показатели.

Первый вариант повторяет методику фирмы Trumpf. Ее основой является то, что участок торможения (или разгона) длиной 1тор (1раз) разделяется натри части (см. рис. 2.1) 1], и I3. Далее по настоящему тексту рассматривается, как изменяются параметры излучения на участке торможения. На участке разгона их изменение производится зеркально противоположным образом.

На 1( лазер работает в непрерывном режиме, а мощность излучения с момента начала торможения уменьшается от величины Pq, которой соответствуют скорость резания V0, пропорционально последующему ее снижению. На j и I3 лазер переключается в импульсный режим работы. На этих частях энергия, длительность и частота импульсов (Ej, tj, Fj) должны изменяться пропорционально изменению скорости резания.

Второй вариант основывается на том, что при резании металлов толщиной от 3 мм и более участки торможения являются короткими. Даже при резании в среде кислорода конструкционной стали толщиной 10 мм, производимом на относительно небольшой скорости, при постоянном ускорении и при наличии аккумуляции тепла, его длина не превышает 8—10 мм. Каким образом можно этим воспользоваться для упрощения расчетов параметров излучения, показано ниже по настоящему тексту. Будетли это упрощение оправданно, подтверждается улучшением качественных показателей резания: снижением высоты грата или прекращением его образования и улучшенной чистотой боковой поверхности реза.

Расчет параметров излучения по первому варианту

1. Величина мощности Р* излучения, при которой прекращается резание непрерывным излучением металла толщиной h мм на части lj, определяется экспериментально. Делается это следующим образом. На дисплей системы управления работой технологической установки выводится информация о величине и скорости перемещения подвижных элементов по двум координатам.

13 2 Раздел 2. Резание металлов в среде воздуха или нейтральных газов волоконным лазером мощностью 1-2 кВт

Это позволяет определить координату начала части 1|. Для определения длины 1| изготовлением реза длиной, например, 150 мм в конкретном металле заданной толщины h, производимого излучением с начальной мощностью Pq на начальной скорости Vo, устанавливается начало торможения и момент ухудшения качественных показателей этого процесса. Он соответствует снижению мощности до уровня, несколько превышающего Р*. Длина этого участка, отличающегося еще и увеличенной шириной, является близкой к длине части lj. Ее величина определяется прямым измерением. Совместно с показанным на дисплее графиком уменьшения скорости резания это позволяет установить, до какой величины она понизилась в конце этого участка. Затем, пользуясь тем, что мощность излучения уменьшается пропорционально снижению скорости резания, становится возможным вычислить Р*. Кроме того, разница длин 1тор и 1) является суммарной длиной частей I2 и I3.

2. Для расчета длительности импульсов и их частоты на Ь основой являются следующие три условия.

Первое: энергия (Ej) импульсов излучения на I2 уменьшается пропорционально снижению (или повышению на участке разгона) скорости резания. То есть Ej на равна

где кпр — коэффициент линейного изменения скорости резания.

Второе: расчет величин частоты следования импульсов (Fj) и их длительности (tj) на участке I2, соответствующий уменьшению (или увеличению) на ней скорости резания (Vo), основывается на необходимости поддержания сквозного фронта реза на этом участке. Это означает, что величина Fj должна определятся из соотношения

где Дф — перекрытие соседних световых пятен диаметром ф. В разделе 1 показано, что для поддержания сквозного резания должно выполняться соотношение

Только когда оно выполняется, на поверхности обрабатываемого металла развивается испарение, давление которого достаточно для удаления жидкой фазы с поверхности фронта реза, в том числе и расположенной ниже дросселирующего канала.

Подстановкой (3) в (2) получается соотношение для расчета частоты импульсов

Из соотношения (4) видно, что величина Fj понижается как с уменьшением Vo, так и с увеличением d|. Такая связь Fj и V() определяется тем, что при меньшей скорости резания для абляции с поверхности фронта в единицу времени требуются меньшие затраты энергии. Величина Fj может быть изменена увеличением или уменьшением dj. В разделе 1 показано, что это становится возможным из-за соответственного изменения суммарных потерь излучения и давления ассистирующего газа. Подставляя (4) в (1), получаем уравнение для расчета энергии импульсов:

Из соотношения (5) следует, что энергия импульсов повышается с ростом d| и уменьшением скорости резания. Объясняется это тем, что с ростом d| увеличивается объем абляции на фронте реза, а с уменьшением Vq с поверхности фронта за счет теплопроводности возрастает отток тепла.

Мощность единичного импульса равна Pj = Ej/tj. Отсюда с учетом зависимости Ej от скорости резания, представленной в соотношении (5), получаем

С ростом Vq величина длительности импульсов должна быть увеличена из-за необходимости обеспечения большей величины абляции с поверхности фронта. Но в этом случае удлинение tj может быть понижено некоторым увеличением dj, поскольку при этом уменьшаются потери излучения и давления газа.

Третье условие заключается в том, что для предотвращения роста коэффициента отражения на фронте реза интервал между импульсами длительностью tj должен быть таким, при котором верхняя поверхность обрабатываемого металла, на которой передвигается d] между импульсами, остывала бы только до температуры, близкой к уровню плавления. За тот же интервал времени поверхность фронта реза не должна охлаждаться ниже температуры плавления обрабатываемого металла. Если это условие не выполняется, то повышается коэффициент отражения и соответственно этому ухудшаются все показатели резания. Оно становится выполнимым в том случае, если величины F; и t; соответствуют следующему неравенству [4]:

Подстановка в это неравенство одного из входящих в него параметров существенно упрощает оценку величины другого. Для практики это важно тем, что такой метод позволяет быстро сориентироваться, в каком диапазоне находятся величины Fj и tj. При резании материалов излучением волоконного лазера задаваемым параметром целесообразнее принять длительность импульса. Дело в том, что перевод этого лазера в импульсный режим осуществляется токовой модуляцией. При этом энергия импульсов изменяется прямо пропорционально их длительности. Поэтому плотность мощности на d| остается при этом неизменной.

Обычно резание металлов толщиной более 3 мм проводится с использованием волоконных лазеров мощностью не более 3 кВт. При использовании лазера мощностью 3 кВт его излучение фокусируется обычно на световое пятно диаметром, равным d| ~ 250 мкм. При этом усредненная плотность мощности на ф не превышает W = 6 • 106 Вт/см2. При такой величине W в абляции с поверхности фронта реза превалирует жидкая фаза. И чем длиннее импульс, тем больше ее образуется. Вот почему на практике длительность импульса ограничивается.

Экспериментально установлено, что при резании металлов толщиной 3—12 мм длительность импульсов следует выбирать из диапазона (0,5—1,2) мс. Дело в том, что такая длительность обеспечивает формирование поперечного размера фронта реза соответственно указанным толщинам до максимально возможных его размеров. При резании металлов меньшей или большей толщины диапазон длительности импульсов изменится.

Оценочный расчет Fj по заданному tj демонстрируется на следующем примере. При Fi = 100 Гц интервал между импульсами равен 1/Fj = Юме. Для импульсов длительностью tj = 0,5 мс, применяемых для обработки нержавеющей стали и сплавов алюминия толщиной 5 мм, при к = 10 получается, что 1/Fj в 2 раза превышает величину ktj. То есть неравенство (7) не выполняется. При к = 10 выполнимым оно становится для импульсов длительностью I мс.

На части I3 аккумуляция тепла максимальна, поскольку скорость резания здесь минимальна. Если принять, что для резания нержавеющих сталей и сплавов алюминия толщиной 8 мм следует использовать tj = 1,2 мс и к = 10, то получается Fj = 70 Гц. Эта оценка совпадает с той, которую приводит в своих рекомендациях фирма Trumpf. В них указано, что на I3 частота следования импульсов постоянна и равна Fj = 70 Гц. К тому же их энергия здесь постоянна, но меньше, чем на I2.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >