Способ лазерной резки и устройство для его осуществления

 

Использование: различные отрасли техники. Сущность изобретения: при лазерной резке обеспечивают минимальный зазор между поверхностью разрезаемого материала и торцом сопла резака за счет воздушной подушки, получаемой в зазоре, в одном случае путем дросселирования потока газа, подаваемого в зону резки, в другом за счет непосредственного размещения кольцевой полости на срезе сопла с закрытой пористой насадкой, под которую подают газ под давлением. 2 с.п.ф., 1 з.п.ф., 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для лазерной резки различных материалов. Известна лазерная установка типа "Севан", в которой резка осуществляется при скольжении кончика подпружиненного сопла по поверхности обрабатываемого материала. Используя это техническое решение, можно осуществлять резку металлических и неметаллических материалов с высоким качеством поверхности реза за счет точного расположения фокального пятна, что обеспечивается постоянным прижатием лазерного резака к обрабатываемому материалу по его оси пружиной. Основной недостаток способа в том, что он является контактным и это делает его трудоемким и нетехнологичным. Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение, представляющее собой бесконтактный способ лазерной резки металлических листовых материалов, при котором в процессе реза автоматически поддерживается заданный зазор между срезом сопла и поверхностью обрабатываемого материала с точностью до 0,2 мм. При этом стабилизация зазора осуществляется посредством воздействия с помощью передаточного механизма на резак и последующего изменения электроемкости между срезом сопла резака и поверхностью обрабатываемого материала. Этот способ с описанным устройством для его осуществления менее трудоемок и более технологичен, чем контактный, однако он не применим для неметаллических материалов и не может обеспечить качественную резку любых материалов, для которых требуется объектив сопла резака с фокусным расстоянием менее 50-70 мм. Целью изобретения является расширение технологических возможностей и повышение точности стабилизации зазора. Поставленная цель достигается тем, что в способе лазерной резки, при котором подпружиненный резак устанавливают на поверхности обрабатываемого материала, а в зону реза через сопло резака подают сфокусированное лазерное излучение и поток газа и осуществляют относительное перемещение с зазором резака и материала вдоль плоскости реза с одновременной стабилизацией величины зазора, резак предварительно подпружинивают относительно поверхности обрабатываемого материала, а стабилизацию зазора осуществляют, создавая в нем избыточное давление газа, определяемое соотношением ΔP= , (1), где х - величина зазора между торцом сопла и поверхностью материала; К - жесткость пружины; G - вес резака; d_с - диаметр выходного сечения сопла, d_f - диаметр сфокусированного лазерного излучения в фокальной плоскости. Повышение точности стабилизации зазора в случае резки менее плотных материалов обеспечивает за счет изменения давления на поверхности среза сопла резака, создания вокруг сопла замкнутой кольцевой полости и дополнительной подачи в нее газа. При этом соотношение диаметров кольцевой полости выбирают из соотношения d²₂-d²₁= , (II), где d₂ - наружный диаметp кольцевой полости; d₁ - внутренний диаметр кольцевой полости; х - величина зазора между торцом сопла и обрабатываемым материалом, мм; К - жесткость пружины;
G - вес резака;
Δ Р - избыточное давление в кольцевой полости. Указанная цель достигается также тем, что в устройстве для лазерной резки, содержащем лазер, зеркало и подпружиненный резак, дополнительно на сопле соосно ему с зазором расположена замкнутая кольцевая камера, на рабочем торце которой установлен пористый насадок. На фиг.1 представлена схема реализации способа по п.1; на фиг.2 - схема реализации способа по п.2 и его реализации. Устройство содержит лазер 1, зеркало 2, резак 3, включающий объектив 4 и сопло 5. Между зеркалом 2 и резаком 3 вплотную к последнему установлена сжатая пружина 6. Жиклер 8, установленный на входе газа в резак, служит для его шлюзования при подаче на поверхность обрабатываемого материала 7. Поток излучения, выходя из лазера 1, отражаясь от зеркала 2, проходит через резак 3 и его объективом 4 фокусируется на поверхности детали. При резке, кроме сфокусированного потока лазерного излучения через сопло 5 подается поток газа соосно потоку излучения и осуществляется перемещение обрабатываемого материала 7 относительно этих потоков. Выходящий из сопла резака поток газа частично проходит через зону резки, а остальная его часть растекается в зазоре между срезом сопла 5 и материалом 7, создавая под резаком 3 газодинамическую подъемную силу. Резак 3 поднимается, сжимает пружину и тем самым обеспечивает заданный зазор, при этом давление газа стабилизируется до определенной величины. Воздушная подушка под резаком обеспечивает возможность бесконтактного перемещения резака 3 по поверхности обрабатываемого материала. На фиг.2 представлен другой вариант предлагаемого технического решения, направленный на повышение стабилизации зазора. Устройство включает лазер 9, зеркало 10, резак 11, объектив 12, сопло 13, замкнутую камеру 14, пористый насадок 15, пружину 16, обрабатываемую деталь 17. В отличие от предыдущего способ состоит в том, что для стабилизации зазора между обрабатываемой деталью 17 и соплом 13 создают кольцевую полость 14 и подают в нее дополнительно газовый поток, который, проходя через пористый насадок 15, выходит в зазор на поверхность обрабатываемой детали, стабилизирует зазор под резаком 11 путем поджатия пружины 16 за счет воздушной подушки, образующейся под пористым насадком 15. П р и м е р. В эксперименте применялся УАG-лазер типа ЛТН-103, объектив с фокусным расстоянием 50 мм и сопло d_c=2,1 мм, диаметр фокального пятна лазерного пучка при этом составлял d_x=0,35 мм. Расход газа в резаке дросселировался жиклером диаметром 0,6 мм, давление перед жиклером составляло около 8 атм. Жесткость пружины составляла около 10 Н/м, а сам резак весил около 800 г. Способ испытывался для резки изделий из материалов: сталь 20 и органит толщиной по 0,8 мм. Подпружиненный резак был установлен так, что торец сопла находился в контакте с обрабатываемым материалом. После этого через резак подавали поток воздуха под давлением Р=8 атм до образования зазора между соплом и материалом 0,3 мм. Подводили сфокусированный поток излучения и производили резку. В процессе резки зазор падал до 0,1 мм. В устройстве роль жиклера выполнял пористый насадок, состоящий из множества отверстий диаметром 0,1 мм. Устройство позволяло поддерживать зазор 0,1 мм при давлении в кольцевой полости 14 около 3 атм., при диаметрах кольцевой канавки d₂=5 мм и d₁=3 мм независимо от расхода газа на технологические нужды. При этом шероховатость боковых поверхностей среза для металлических пластин из стали 20 составила К_z не более 30 мкм, а глубина зоны термического влияния составила не более 0,1 мкм. Пластины того же типа были обработаны способом-прототипом. Шероховатость боковых поверхностей реза составила К_z не более 80 мкм, а глубина зоны термического влияния не более 0,3 мкм. Показатели качества по оргалиту: K_z не более 40 мкм, а зона обугливания 0,5 мкм. По прототипу этот материал не обрабатывался. 1. Способ лазерной резки, при котором подпружиненный резак устанавливают на поверхности обрабатываемого материала, в зону реза через сопло резака подают сфокусированное лазерное излучение и поток газа и осуществляют относительное перемещение с зазором резака и материала вдоль плоскости реза с одновременной стабилизацией величины зазора, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей, резак предварительно подпружинивают относительно поверхности обрабатываемого материала, а стабилизацию зазора осуществляют, создавая в нем избыточное давление газа, определяемое соотношением
ΔP=
где х - величина зазора между торцом сопла и поверхностью материала;
К - жесткость пружины;
G - вес резака;
d_c - диаметр выходного сечения сопла;
d_f - диаметр сфокусированного лазерного излучения в фокальной плоскости. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности стабилизации зазора, вокруг сопла создают замкнутую кольцевую полость и в нее осуществляют дополнительную подачу газа, при этом соотношение диаметров кольцевой полости выбирают из соотношения
d²₂-d²₁=
где d₂ - наружный диаметр кольцевой полости;
d₁ - внутренний диаметр кольцевой полости;
х - величина зазора между торцом сопла и обрабатываемым материалом;
К - жесткость пружины;
G - вес резака;
ΔP - избыточное давление в кольцевой полости. 3. Устройство для лазерной резки, содержащее лазер, зеркало и подпружиненный резак, отличающееся тем, что, с целью расширения технологических возможностей, на сопле соосно ему и с зазором расположена замкнутая камера, на рабочем торце которой установлен пористый насадок.

Формула изобретения

1. Способ лазерной резки, при котором подпружиненный резак устанавливают на поверхности обрабатываемого материала, в зону реза через сопло резака подают сфокусированное лазерное излучение и поток газа и осуществляют относительное перемещение с зазором резака и материала вдоль плоскости реза с одновременной стабилизацией величины зазора, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей, резак предварительно подпружинивают относительно поверхности обрабатываемого материала, а стабилизацию зазора осуществляют, создавая в нем избыточное давление газа, определяемое соотношением
ΔP=
где х - величина зазора между торцом сопла и поверхностью материала;
К - жесткость пружины;
G - вес резака;
d_c - диаметр выходного сечения сопла;
d_f - диаметр сфокусированного лазерного излучения в фокальной плоскости. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности стабилизации зазора, вокруг сопла создают замкнутую кольцевую полость и в нее осуществляют дополнительную подачу газа, при этом соотношение диаметров кольцевой полости выбирают из соотношения
d²₂-d²₁=
где d₂ - наружный диаметр кольцевой полости;
d₁ - внутренний диаметр кольцевой полости;
х - величина зазора между торцом сопла и обрабатываемым материалом;
К - жесткость пружины;
G - вес резака;
ΔP - избыточное давление в кольцевой полости. 3. Устройство для лазерной резки, содержащее лазер, зеркало и подпружиненный резак, отличающееся тем, что, с целью расширения технологических возможностей, на сопле соосно ему и с зазором расположена замкнутая камера, на рабочем торце которой установлен пористый насадок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2