Lāzergriešanas pamati un tās apstrādes sistēma —Lāzergriešanas iekārtas

II. Lāzergriešanas iekārtu sastāvs

2.1 Lāzergriešanas iekārtas sastāvdaļas un darbības princips

Lāzergriešanas iekārta sastāv no lāzera starojuma avota, griešanas galviņas, staru pārraides mezgla, darbgalda, ciparu vadības (NC) sistēmas, datora (aparatūras un programmatūras), dzesētāja, aizsarggāzes cilindra, putekļu savācēja un gaisa žāvētāja.

Lāzera ģenerators

Lāzera ģenerators ir ierīce, kas rada lāzera gaismas avotus. Lāzergriešanas vajadzībām lielākā daļa iekārtu izmanto CO₂ gāzes lāzerus, kuriem ir augsta elektrooptiskās konversijas efektivitāte un liela jauda, izņemot dažus gadījumus, kad tiek izmantoti YAG cietvielu lāzeri. Ne visi lāzeri ir piemēroti griešanai, jo lāzergriešanai ir stingras prasības attiecībā uz stara kvalitāti.
Griešanas galviņa

Tas galvenokārt sastāv no tādām sastāvdaļām kā sprausla, fokusēšanas lēca un fokusa izsekošanas sistēma.

Griešanas galviņas piedziņas ierīce tiek izmantota, lai darbinātu griešanas galviņu, pārvietojoties pa Z asi saskaņā ar iepriekš iestatītām programmām. Tā sastāv no servomotora un transmisijas daļām, piemēram, vadošajām skrūvēm vai zobratiem.

(1) Sprausla: Ir trīs galvenie sprauslu veidi: paralēlā tipa, konverģentā tipa un koniskā tipa.

(2) Fokusēšanas lēca: Lai veiktu griešanu, izmantojot lāzera stara enerģiju, lāzera izstarotais sākotnējais stars ir jāfokusē caur lēcu, lai izveidotu gaismas punktu ar augstu enerģijas blīvumu. Vidēja un gara fokusa attāluma lēcas ir piemērotas biezu plākšņu griešanai, un tām ir zemākas prasības attiecībā uz izsekošanas sistēmas atstarpes stabilitāti. Īsa fokusa attāluma lēcas ir piemērotas tikai plānu plākšņu, kas ir mazākas par 3 mm, griešanai; tām ir stingras prasības attiecībā uz izsekošanas sistēmas atstarpes stabilitāti, taču tās var ievērojami samazināt nepieciešamo lāzera izejas jaudu.

(3) Izsekošanas sistēma: Lāzergriešanas iekārtas fokusēšanas izsekošanas sistēma parasti sastāv no fokusēšanas griešanas galviņas un izsekošanas sensoru sistēmas. Griešanas galviņa apvieno stara vadīšanas un fokusēšanas, ūdens dzesēšanas, gāzes pūšanas un mehāniskās regulēšanas funkcijas.

Sensors sastāv no sensoru elementiem un pastiprināšanas vadības bloka. Izsekošanas sistēmas pilnībā atšķiras atkarībā no sensoru elementu veida. Ir pieejami divi galvenie veidi: viens ir kapacitatīvā sensoru izsekošanas sistēma, kas pazīstama arī kā bezkontakta izsekošanas sistēma; otra ir induktīvā sensoru izsekošanas sistēma, ko sauc arī par kontakta izsekošanas sistēmu.
Staru pārraides mezgls

Ārējais optiskais ceļš: Atstarojošie spoguļi tiek izmantoti, lai vadītu lāzera staru vēlamajā virzienā. Lai novērstu stara ceļa darbības traucējumus, visi atstarojošie spoguļi ir aizsargāti ar vairogiem, un tiek ievadīta tīra pozitīva spiediena aizsarggāze, lai spoguļi nebūtu piesārņoti. Augstas veiktspējas lēca var fokusēt nediverģentu staru bezgalīgi mazā punktā. Parasti tiek izmantota lēca ar 5,0 collu fokusa attālumu, savukārt 7,5 collu lēca ir piemērojama tikai materiālu, kas biezāki par 12 mm, griešanai.
Darbgaldu darbagalds

Galvenās mašīnas korpuss: Darbgaldu daļalāzergriešanas mašīnair mehāniskā daļa, kas realizē X, Y un Z asu kustību, ieskaitot griešanas darba platformu.
Skaitliskās vadības sistēma

NC sistēma kontrolē darbgaldu, lai panāktu X, Y un Z asu kustības, un vienlaikus regulē lāzera izejas jaudu.
Dzesēšanas sistēma

Dzesēšanas iekārta: to izmanto lāzera ģeneratora dzesēšanai. Lāzers ir ierīce, kas pārveido elektrisko enerģiju gaismas enerģijā. Piemēram, CO₂ gāzes lāzera konversijas efektivitāte parasti ir 20%, bet atlikušā enerģija tiek pārvērsta siltumā. Dzesēšanas ūdens noņem lieko siltumu, lai uzturētu lāzera ģeneratora normālu darbību. Dzesēšanas iekārta arī atdzesē darbgalda ārējos optiskā ceļa spoguļus un fokusēšanas lēcas, nodrošinot stabilu staru pārraides kvalitāti un efektīvi novēršot lēcu deformāciju vai plaisāšanu pārkaršanas dēļ.
Gāzes baloni

Gāzes balonos ietilpst darba vides baloni un palīggāzes baloni lāzergriešanas iekārtai, kurus izmanto, lai papildinātu rūpnieciskās gāzes lāzera oscilācijām un piegādātu palīggāzes griešanas galviņai.
Putekļu noņemšanas sistēma

Tas izsūc apstrādes laikā radušos dūmus un putekļus un veic filtrācijas apstrādi, lai nodrošinātu, ka izplūdes gāzu emisijas atbilst vides aizsardzības standartiem.
Gaisa dzesēšanas žāvētājs un filtrs

Tas piegādā tīru, sausu gaisu lāzera ģeneratoram un stara ceļam, uzturot stara ceļa un atstarojošo spoguļu normālu darbību.

2.2 Griešanas deglis lāzergriešanai

Lāzergriešanas griešanas degļa strukturālā shēma ir parādīta zemāk. Tā galvenokārt sastāv no degļa korpusa, fokusēšanas lēcas, atstarojošā spoguļa un palīggāzes sprauslas. Lāzergriešanas laikā griešanas deglim jāatbilst šādām prasībām:

① Deglis var izvadīt pietiekamu gāzes plūsmu.

② Gāzes izmešanas virzienam degļa iekšpusē jābūt koaksiālam ar atstarojošā spoguļa optisko asi.

③ Luktura fokusa attālumu var viegli regulēt.

④ Griešanas laikā metāla tvaiki un šļakatas no grieztā metāla nedrīkst sabojāt atstarojošo spoguli.

Griešanas degļa kustību regulē NC kustību sistēma. Griešanas degļa un sagataves relatīvajai kustībai ir trīs scenāriji:

① Degļa stāvoklis saglabājas, kamēr sagatave pārvietojas pa darba galdu — galvenokārt piemērots maziem sagatavēm.

② Sagatave paliek nekustīga, kamēr deglis kustas.

③ Gan deglis, gan darba virsma pārvietojas vienlaicīgi.

2.2.1 Griešanas galviņa

Lāzera griešanas galviņa atrodas staru pārraides sistēmas galā un sastāv no fokusēšanas lēcas un griešanas sprauslas.

Fokusēšanas lēcas galvenokārt klasificē pēc fokusa attāluma. Lielākā daļa lāzergriešanas iekārtu ir aprīkotas ar vairākām griešanas galviņām ar dažādiem fokusa attālumiem. Piemēram, CO₂ lāzergriešanā parastie fokusa attālumi ir 127 mm (5 collas) un 190 mm (7,5 collas). Īsa fokusa attāluma lēca rada mazu fokusa punktu un īsu fokusa dziļumu, kas veicina griezuma platuma samazināšanu un smalkāku griezumu sasniegšanu. Gara fokusa attāluma lēca rada lielāku fokusa punktu un garāku fokusa dziļumu. Salīdzinot ar īsa fokusa attāluma lēcām, gara fokusa attāluma lēcas var nodrošināt fokusētu staru ar lāzera enerģijas blīvumu, kas ir pietiekams materiāla apstrādei fokusa punkta tuvumā. Tāpēc īsa fokusa attāluma lēcas galvenokārt tiek izmantotas plānu plākšņu precīzai griešanai, savukārt gara fokusa attāluma lēcas ir nepieciešamas biezākiem materiāliem, lai iegūtu pietiekamu fokusa dziļumu, nodrošinot minimālas plankuma diametra variācijas un pietiekamu jaudas blīvumu griešanas biezuma diapazonā.

Fokusēšanas lēcas tiek izmantotas, lai fokusētu paralēlo lāzera staru, kas krīt griešanas deglī, panākot mazāku punkta izmēru un lielāku jaudas blīvumu. Lēcas ir izgatavotas no materiāliem, kas var pārraidīt lāzera viļņa garumu. Cietvielu lāzeros parasti izmanto optisko stiklu, savukārt CO₂ gāzes lāzeros tiek izmantoti tādi materiāli kā ZnSe, GaAs un Ge (jo parastais stikls nav caurspīdīgs CO₂ lāzera stariem), starp kuriem visplašāk tiek izmantots ZnSe.

Lāzergriešanas procesā ir vēlams samazināt fokusa punkta diametru, lai palielinātu jaudas blīvumu un nodrošinātu ātrgaitas griešanu. Tomēr īsāks objektīva fokusa attālums rada mazāku fokusa dziļumu, kas apgrūtina perpendikulāras griešanas virsmas sasniegšanu, griežot biezas plāksnes. Turklāt īsāks fokusa attālums samazina attālumu starp objektīvu un sagatavi, palielinot risku, ka griešanas laikā objektīvs tiks piesārņots ar izkausēta šķidruma šļakatām un ietekmēs normālu darbību. Tāpēc atbilstošais fokusa attālums jānosaka visaptveroši, pamatojoties uz tādiem faktoriem kā griešanas biezums un griešanas kvalitātes prasības.

2.2.2 Atstarojošais spogulis

Atstarojošā spoguļa funkcija ir mainīt lāzera izstarotā stara virzienu. Cietvielu lāzeru stariem var izmantot no optiskā stikla izgatavotus atstarojošus spoguļus. Turpretī CO₂ gāzes lāzergriešanas ierīču atstarojošie spoguļi parasti ir izgatavoti no vara vai metāliem ar augstu atstarošanas spēju. Lai novērstu bojājumus, ko rada lāzera starojuma pārkaršana darbības laikā, atstarojošos spoguļus parasti atdzesē ar ūdeni.

2.2.3 Sprausla

Sprausla tiek izmantota, lai iesmidzinātu palīggāzi griešanas zonā, un tās struktūrai ir zināma ietekme uz griešanas efektivitāti un kvalitāti. 4.11. attēlā redzamas izplatītākās sprauslu formas lāzergriešanai; sprauslu atveru formas ietver cilindriskas, koniskas un saplūstošas-diverģējošas.

Sprauslas izvēli parasti nosaka, veicot testus, pamatojoties uz sagataves materiālu un biezumu, kā arī palīggāzes spiedienu. Lāzergriešanai parasti izmanto koaksiālas sprauslas (kur gāzes plūsma ir koaksiāla ar optisko asi). Ja gāzes plūsma un lāzera stars nav koaksiāli, griešanas laikā var rasties pārmērīga šļakatu veidošanās. Sprauslas atveres iekšējai sienai jābūt gludai, lai nodrošinātu netraucētu gāzes plūsmu un izvairītos no turbulences, kas var ietekmēt griezuma kvalitāti. Lai nodrošinātu griešanas stabilitāti, attālums starp sprauslas gala virsmu un sagataves virsmu jāsamazina līdz minimumam, parasti tas ir no 0,5 mm līdz 2,0 mm. Sprauslas atveres diametram jāļauj lāzera staram vienmērīgi iziet cauri, novēršot stara pieskaršanos atveres iekšējai sienai. Jo mazāks atveres diametrs, jo grūtāk ir kolimēt staru. Dotam palīggāzes spiedienam ir optimāls sprauslas atveres diametru diapazons. Pārāk maza vai liela atvere kavēs izkausēto produktu noņemšanu no griezuma un ietekmēs griešanas ātrumu.

Sprauslas atveres diametra ietekme uz griešanas ātrumu pie fiksētas lāzera jaudas un palīggāzes spiediena ir parādīta 4.12. un 4.13. attēlā. Var redzēt, ka pastāv optimāls sprauslas atveres diametrs, kas nodrošina maksimālo griešanas ātrumu. Šī optimālā vērtība ir aptuveni 1,5 mm neatkarīgi no tā, vai kā palīggāze tiek izmantots skābeklis vai argons.

Cietu sakausējumu (kurus ir grūti griezt) lāzergriešanas testi liecina, ka optimālais sprauslas atveres diametrs ir ļoti tuvs iepriekš minētajiem rezultātiem, kā parādīts 4.14. attēlā. Sprauslas atveres diametrs ietekmē arī grieziena platumu un termiski ietekmētās zonas (HAZ) platumu. Kā parādīts 4.15. attēlā, palielinoties sprauslas atveres diametram, grieziena platums palielinās, bet HAZ platums sašaurinās. Galvenais HAZ sašaurināšanās iemesls ir palīggāzes plūsmas pastiprinātā dzesēšanas iedarbība uz pamatmateriālu griešanas zonā.

2.3 Lāzergriešanas iekārtu parametri

2.3.1 Ar degli darbināms griešanas aprīkojums

Ar degļa darbināmās griešanas iekārtās griešanas deglis ir uzstādīts uz pārvietojama portāla un horizontāli pārvietojas pa portāla staru (Y asi). Portāls darbina degli, lai tas pārvietotos pa X asi, kamēr sagatave ir fiksēta uz darba galda. Tā kā lāzers un griešanas deglis ir novietoti atsevišķi, griešanas procesa laikā tiek ietekmētas lāzera caurlaidības raksturlielumi, paralēlisms stara skenēšanas virzienā un atstarojošo spoguļu stabilitāte.

Ar degļa darbināmu griešanas iekārtu var apstrādāt liela izmēra sagataves. Tā aizņem salīdzinoši nelielu griešanas ražošanas zonas platību un to var viegli integrēt ar citām iekārtām, lai izveidotu ražošanas līniju. Tomēr tās pozicionēšanas precizitāte ir tikai ±0,04 mm.

Ar degli darbināmu griešanas iekārtu tipiskā struktūra ir parādīta 4.19. attēlā. Tiek izmantota nepārtrauktas darbības CO₂ lāzergriešanas iekārta, kuras attālums no lāzera līdz griešanas deglim ir 18 m. Lai nodrošinātu, ka stara diametra izmaiņas šajā pārraides attālumā netraucē griešanas darbībām, oscilatoru spoguļu kombinācija ir rūpīgi jāprojektē.

Ar degļa darbināmu griešanas iekārtu galvenie tehniskie parametri ir šādi:

Lāzera izejas jauda: 1,5 kW (vienrežīma), 3 kW (vairāku režīmu)
Degļa gājiens: X ass 6,2 m, Y ass 2,6 m
Braukšanas ātrums: 0–10 m/min (regulējams)
Degļa Z ass peldošais gājiens: 150 mm
Degļa Z ass regulēšanas ātrums: 300 mm/min
Apstrādātās tērauda plāksnes maksimālais izmērs: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Vadības sistēma: integrēts NC vadības režīms

2.3.2 XY galda piedziņas griešanas iekārtas

XY galda piedziņas griešanas iekārtā griešanas deglis ir fiksēts uz rāmja, un sagatave tiek novietota uz griešanas galda. Griešanas galds pārvietojas pa X un Y asīm saskaņā ar NC komandām, un tā regulējamais braukšanas ātrums parasti ir no 0 līdz 1 m/min vai no 0 līdz 5 m/min. Tā kā griešanas deglis paliek nekustīgs attiecībā pret sagatavi, tas samazina ietekmi uz lāzera stara izlīdzināšanu un centrēšanu griešanas procesa laikā, nodrošinot vienmērīgu un stabilu griešanas veiktspēju. Aprīkota ar maza izmēra griešanas galdu ar augstu mehānisko precizitāti, iekārta sasniedz pozicionēšanas precizitāti ±0,01 mm.lieliska griešanas precizitāte, padarot to īpaši piemērotu mazu detaļu precīzai griešanai. Turklāt liela izmēra sagatavju apstrādei ir pieejami lielāki griešanas galdi ar X ass gājienu 2300–2400 mm un Y ass gājienu 1200–1300 mm.

XY galda piedziņas griešanas iekārtas galvenie tehniskie parametri ir šādi:

Lāzera avots: CO₂ gāzes lāzers (daļēji slēgta taisnas caurules tipa)
Lāzera barošanas avots: ieejas spriegums 200 VAC; izejas spriegums 0–30 kV; maksimālā izejas strāva 100 mA
Lāzera izejas jauda: 550 W
Griešanas galda gājiens: X ass 2300 mm, Y ass 1300 mm
Griešanas galda piedziņas ātrums (pakāpeniski regulējams): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Degļa Z ass peldošais gājiens: 180 mm
Apstrādājamās plāksnes maksimālais izmērs: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Vadības sistēma: ciparu vadības (NC) režīms

2.3.3 Divkāršas piedziņas griešanas aprīkojums (deglis un galds)

Divkāršās piedziņas griešanas iekārta (deglis un galds) pēc konstrukcijas atrodas starp degļa un XY galda piedziņas griešanas iekārtām. Griešanas deglis ir uzstādīts uz portāla un pārvietojas horizontāli pa portāla siju (Y ass), savukārt griešanas galds tiek vadīts gareniski. Šī hibrīdā konstrukcija apvieno augstas griešanas precizitātes un vietas taupīšanas efektivitātes priekšrocības. Ar pozicionēšanas precizitāti ±0,01 mm un regulējamu griešanas ātruma diapazonu no 0 līdz 20 m/min tā ir viena no visplašāk izmantotajām griešanas iekārtām tirgū. Lielāki šīs iekārtas modeļi piedāvā Y ass gājienu 2000 mm un X ass gājienu 6000 mm, kas ļauj griezt liela izmēra sagataves.

Lāzera oscilators ir uzstādīts uz portāla blakus griešanas deglim. Šī konfigurācija nodrošina izcilu precizitāti, griežot apaļus caurumus. Iekārta lepojas arī ar augstu ražošanas efektivitāti: tā var izgriezt 46 apaļus caurumus (10 mm diametrā) minūtē uz 1 mm biezas tērauda plāksnes.

2.3.4 Integrētās griešanas iekārtas

Kādāintegrēta griešanas mašīna, lāzera avots ir uzstādīts uz rāmja un pārvietojas gareniski līdzi tam, savukārt griešanas deglis ir integrēts ar savu piedziņas mehānismu, lai horizontāli pārvietotos pa rāmja staru. Mašīna izmanto ciparu vadību, lai grieztu dažādas formas detaļas. Lai kompensētu optiskā ceļa garuma izmaiņas, ko izraisa griešanas degļa horizontālā kustība, parasti ir aprīkots ar optiskā ceļa garuma regulēšanas moduli. Šis modulis nodrošina homogēnu lāzera staru griešanas zonā un uztur nemainīgu griešanas virsmas kvalitāti.

Publicēšanas laiks: 2025. gada 17. decembris

Lāzergriešanas pamati un tās apstrādes sistēma — lāzergriešanas iekārtas