Оборудование для лазерной обработки

Общие сведения

Лазерной обработкой целесообразно получать микро-отверстия в изделиях типа фильер, диафрагм, сит, часовых и приборных камней, а также щели и пазы, разрезать материалы (контурно-лучевая микрообработка), устранять дисбаланс при динамической балансировке, локально изменять свойства материала и т. д.

Возможность обработки сфокусированным фотонным лучом появи­лась вследствие интенсивного развития квантовой электроники. Известно, атомы и молекулы могут находиться в различных энер­гетических состояниях.

Когда атом не возбужден, он находится в нижнем, или основном, состоянии. При изменении внутренней энергии систе­мы атомы или молекулы, составляющие эту систему, изменяют свое энер­гетическое состояние. Чтобы атом (молекула) перешел с нижнего уровня на верхний, ему необходимо сообщить дополнительную энергию либо от электромагнитного поля, либо соударением с другими частицами. При переходе с верхнего уровня на нижний частица отдает эту энергию в ви­де фотона — кванта энергии соответствующей частоты, определяемой разностью энергетических уровней: n = (Е₂-Е₁)/h, где Е₁, Е₂ — энер­гия атома соответственно на нижнем и верхнем уровнях; h = 6,62 х 10³⁴ Дж × с — постоянная Планка.

Наиболее распространены квантовые устройства, выполненные по трехуровневой схеме (рис. 1),предложенной Н. Г. Басовым и А. М. Про­хоровым. При этом кристалл выбирают так, чтобы два уровня были раз­делены энергетическим интервалом hn, где n — требуемая частота выход­ного излучения. Таким условиям удовлетворяет кристалл розового рубина (оксид алюминия с примесью ионов хрома).

В оптических квантовых генераторах (ОКГ) с рубином в качестве ис­точника возбуждения активных атомов рабочего тела используется им­пульсная газоразрядная лампа. Облучение рабочего тела светом мощной газоразрядной лампы называется накачкой. При накачке кристалла ру­бина излучением длиной полны l = 5600 А ионы хрома поглощают это излучение и переходят на верхний энергетический уровень. В основ­ное состояние ионы возвращаются в результате двух последовательных переходов. На первом ионы передают часть своей энергии кристалличе­ской решетке. Это — безизлучательный переход на промежуточный (мета-стабильный) уровень. На этом уровне ионы сохраняют свою энергию в течение небольшого промежутка времени.

В результате создастся так называемая избыточная населенность метастабильного уровня, после чего ноны переходят на основной уровень, излучая при этом красный свет l = 6943 А и l = 6929 А. Достаточно перейти одному из ионов, как выделенный при этом квант энергии стимулирует излучение других ионов, в результате чего все ионы, находящиеся на метастабильном уровне, ла­винообразно переходят на основной, излучая энергию на частоте пере­хода.

Процесс взаимодействия излучения с веществом можно представить в следующем виде. После поглощения веществом световой энергии она переходит в тепловую и материал очень быстро разогревается до высо­ких температур. Высокие температуры и плотности фотонов вызывают термоэмиссию частиц с поверхности материала. Наблюдается интенсив­ное плавление и испарение материала, углубление луча ОКГ в материал. При скоплении испаренного материала большой плотности в полости от­верстия образуется мощная струя паров, и продукты разрушения выбра­сываются из зоны обработки в виде факела.

Характер разрушения диэлектрических материалов и металлов раз­личен. Картина разрушения диэлектриков под воздействием светового излучения весьма сложна. Даже механизм разрушения одного и того же материала в различных условиях обработки может быть различен. Чтобы объяснить разрушение прозрачных диэлектриков, приняты следую­щие механизмы разрушения: тепловой, связанный либо с распределен­ным остаточным поглощением энергии на длине волны излучения, либо с поглощением энергии и местах дефектов материала; разрушение вслед­ствие вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна; многофо­тонное поглощение; ударная лавинная фотоионнзация. Первый механизм в настоящее время наиболее достоверен. Поглощение тепловой энергии в местах дефектов материала приводит, к появлению и развитию упругих напряжений в прозрачных и полупроводниковых материалах. В записи? мости от характера зарождения и развитии этих упругих напряжений разрушение может произойти либо от действия термонапряжений вслед­ствие нагрева определенного объема, либо от появления локальных оча­гов, (зародышей), являющихся источником упругих полей.

1.2 Типовые операции и технологические характеристики лазерной обра­ботки.

В настоящее время лазерный луч можно использовать для изготовления отверстий малых диаметров, контурно-лучевой обработки, устранения дисбаланса деталей при динамической балансировке, маркировки деталей и инструмента, выполнения других операций. Обработка первого типа, применяемая чаще всего, целесообразна в следующих деталях: диафрагмах, форсунках, ситах, часовых и приборных камнях, фильерах для изготовления синтетических волокон, алмазных волоках для протягивания микропровода и т. д.

Изготовление отверстийс помощью излучения ОКГ — это как бы элементарный процесс лазерной обработки. Под технологическими характерис­тиками при лазерной обработке понимают размеры обработки (диаметр, глубину, форму элементарного отверстия, объем элементарной лунки), качество обработанной поверхности (размеры и свойства зоны нагрева, шероховатость обработанной поверхности), обрабатываемость различных, материалов лучом ОКГ, точность обработки. При лазерной обработке технологические характеристики зависят от многих параметров — управляемых и неуправляемых. Управляемыми параметрами лазерной обработки являются энергетические характеристики импульса ОКГ (энергия, плотность энергии)
частота и длительность импульсов излучения, количество импульсов, последовательно подаваемых в зону обработки, величина смещения детали относительно фокальной плоскости объектива, фокусное расстояние фо­кусирующей системы.

Разработан процесс получения отверстий Æ 0,25±0,01 и Æ 0,35±0,01 в корпусах распылителей топливной аппаратуры дизельных дви­гателей. Помимо повышения производительности применение лазерной обработки для данной операции существенно сокращает расход остроде­фицитных дорогих сверл малого диаметра. При традиционном сверлении большой расход сверл обусловлен их частой поломкой при обработке отверстий на криволинейных поверхностях, а также необходимостью частой перезаточки.

Описанный недостаток традиционного сверления ха­рактерен также для получения газоотводящих отверстий во вкладышах шинных пресс-форм. Замена же сверления лазерной прошивкой дает возможность не только устранить этот недостаток, но и уменьшить диа­метр отверстия (с 2 мм до 0,9 мм), изменить форму отверстия с цилиндрической на коническую. Это улучшает газодинамические условия в пресс-форме и снижает расход резины на выпрессовки в 4 раза.

Серьезная проблема для производственников — получение большого количества отверстий диаметром менее 1 мм в тонколистовых заготовках значительной площади. Это сита дли мукомольной и химической про­мышленности, для машин по изготовлению рыбной муки, специальных установок животноводческих ферм и т. п. Плотность размещения отвер­стий в них весьма велика — до 10—15 тыс. шт./м². Лазерная прошивка таких отверстий повышает производительность и снижает себестоимость, изготовления сит.

К таким же крупногабаритным деталям с большим количеством малых отверстий следует отнести и длинномерные трубы для различных распиливающих установок, длинномерные детали из профильного прока­та и др. Обрабатывать в них серию отверстий одинакового диаметра так­же рациональнее лазерным излучением. В частности, разработана тех­нология получения лазерным излучением отверстий 0,7 — 0,9 мм в тру­бах из нержавеющей стали длиной до 3 м. Исследования показали, что лазерная технология по сравнению со сверлением обладает определенны­ми преимуществами — ликвидированы разметка, зенкование входной части отверстия, снятие заусенцев спец инструментом на внутренней по­верхности труб. Кроме того, если реализовать процесс на специальном оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ), значитель­но снижается вспомогательное время, сокращается машинное время об­работки, увеличивается скорость позиционирования. Вследствие этого существенно возрастает производительность процесса.

Лазерную обработку характеризуют следующие особенности:

1) возможность проведения обработки в местах, недоступных для другого обрабатывающего инструмента;

2) способность луча ОКГ проникать через любую прозрачную среду,
не нарушая ее и почти не снижая своей интенсивности, что дает возмож­ность проводить обработку в изолированных прозрачных сосудах;

3) отсутствие механического контакта между заготовкой и инстру­ментом — лучом ОКГ, а также силовых воздействий на заготовку, что
облегчает крепление последней и устраняет появление нежелательных деформаций;

4) возможность (в отличие от электронно-лучевой обработки) прово­дить обработку при атмосферном давлении;

5) сравнительная несложность оборудования.

К недостаткам метода следует отнести ограничения по глубине обра­ботки, сложность стабилизации параметров излучения и отсутствие в на­стоящее время возможности осуществить надежное и точное оптическое перемещение мощного излучения ОКГ в пространстве.

Оборудование для лазерной обработки

Оборудование для лазерной обработки — это установки с ОКГ на твердом теле и с газовыми ОКГ непрерывного излучения.

Схема установки с ОКГ на твердом телеприведена на рис. 2. Источник питания и зарядная емкость 2 подводят необходимую энергию к системе накачки 3 (газоразрядной лампе), которая дает мощный световой импульс. При концентрации света накачки на рабочем теле 4 возбуждаются его активные атомы, генерируется монохроматический пучок света. Излученная световая энергия концентрируется оптической систе­мой 5 на обрабатываемой детали, закрепленной на специальном столе 6. В установке есть блок управления 7 и система охлаждения 8.

Рисунок 2 – Структурная схема ОКГ на твердом теле.

Для существующих установок разработаны специальные источники питания высокого напряжения (3,5—10 кВ), которые обеспечивают запас энергии в блоке конденсаторных батарей до 30—50 кДж. В ка­честве источника накачки применяют импульсные ксеноновые лампы спирального, прямого или У-образного исполнения. Для усиления об­лучения рабочего тела в зависимости от количества и типа ламп накачки используют отражатели различных конфигураций.

Рабочим телом в твердотельных генераторах могут быть стержни из синтетического рубина или из стекла, активированного неодимом, при­чем последнее благодаря низким стоимости и пороговой мощности, зна­чительной стойкости имеет определенные преимущества перед рубином. В последнее время начинают применять рабочие тела из других материа­лов. В частности, значительный интерес представляют стержни из иттрииалюминиевого граната.

Энергетические параметры ОКГ, стабильность характеристик их излучения значительно зависят от температуры рабочего тела и ламп накачки. Поэтому в современных установках предусмотрена система охлаждения узлов ОКГ. Она может быть воздушной или водяной, автономной или от общей сети.

Важным элементом ОКГ является резонатор. Обычно его выполняют в виде двух плоскопараллельных пластин (резонатор Фабри — Перро).

Оптическая система (рис. 3)Лазерной установки 2 включает в себя фокусирующую систему 5 и устройство для визуального наблюдения за объектом 6 обработки. Встроенная в систему призма 4 при одном положении позволяет вести визуальное наблюдение за объектом обработки, а при другом обеспечи­вает беспрепятственное прохождение лазерного излучения 3 через фокусирующую систему 5 на объект обработки 6.

Рисунок 3 – Оптическая система лазерной установки.

1.4 Ограничение использования лазерной технологии

Промышленные ОКГ появились уже после начала широкого использования электроннолучевых установок. Поскольку техноло­гические возможности лазерных и электроннолучевых процессов обработки во многом близки, промышленное внедрение лазерной технологии проводилось для тех видов обработки, где невозможно обеспечение высокого вакуума (микросварка, сварка иизделий с наполнителями). В дальнейшем твердотельные и отпаянные газо­вые ОКГ получили в промышленности достаточно широкое распро­странение, вытеснив в некоторых случаях электроннолучевые уста­новки.

Мощные газовые ОКГ проточного типа до сих пор не имеют широкого применения из-за сложности в изготовлении и эксплуа­тации. При мощности непрерывного излучения более 1...5 кВт в настоящее время наиболее целесообразно использование электрон­нолучевого нагрева.

2. Ультразвуковая обработка

Общие сведения

Ультразвуковые колебания — это упругие волны, рас­пространяющиеся в материальных средах (твердых телах, жидко­стях, газах). Понятие «ультразвук» подразумевает не только обо­значение определенной части спектра акустических воли. Оно ох­ватывает целые разделы науки, техники и технологии.

По частоте ультразвуковые колебания распространяются от верхней границы диапазона слышимых звуков ( ~16-10³ Гц) до частоты 10⁵ Гц. Упругие колебания во всех диапазонах частот — звуковых и ультразвуковых — подчиняются одним и тем же физи­ческим законам, но в средах, где распространяются ультразвуко­вые колебания, возникают специфические эффекты, которые во многих областях техники используются для интенсификации раз­личных процессов. Ультразвук применяют также как средство для получения информации при измерении глубины и для обнаружения дефектов в изделиях, он позволяет определить изменение химиче­ского состава вещества и вязкость полимерного материала. С по­мощью ультразвука производят поверхностное упрочнение, размерную обработку, очистку, сварку металлических и неметаллических материалов, пайку, пропитку пористых материалов и тканей, прес­сование и спекание порошков, дегазацию, диспергирование и т. д.

На рис. 4 показана схема прошивания отверстий. Ультразвуковой инструмент 3 соединен с концентратором 2, припа­янным к ультразвуковому преобразователю 1. Инструмент перио­дически ударяет по зернам абразивной суспензии 4, заполняющей зазор между инструментом и обрабатываемой заготовкой 5. Зерна выкалывают небольшие частицы материала обрабатываемой заго­товки. Инструмент имеет продольную подачу и прижимается к за­готовке с усилием Р_ст. Продукты обработки выводятся из-под торца инструмента вместе с суспензией.

Сообщая инструменту и заготовке различные виды подач (продольную, поперечную) и меняя профиль сечения инструмента. Можно прошивать глухие и сквозные отверстия, обрабатывать плоскости, углубления, пазы при прямом и обратном копировании, разрешать заготовки больших размеров, обрабатывать криволинейные и кольцевые пазы по копиру, обрабатывать наружные цилиндрические и конические поверхности, производить шлифование и по­лирование.

Рисунок 4 – Схема прошивания отверстий УЗК обработкой.