Лазерлік кесудің негіздері және оны өңдеу жүйесі —Лазерлік кесу жабдықтары

II. Лазерлік кесу жабдықтарының құрамы

2.1 Лазерлік кесу машинасының компоненттері және жұмыс принципі

Лазерлік кескіш машина лазерлік эмиттерден, кескіш бастан, сәулелік беріліс жинағынан, станоктың жұмыс үстелінен, сандық басқару (NC) жүйесінен, компьютерден (аппараттық және бағдарламалық жасақтамадан), салқындатқыштан, қорғаныс газ баллонынан, шаң жинағыштан және ауа кептіргіштен тұрады.

Лазер генераторы

Лазер генераторы - лазерлік жарық көздерін шығаратын құрылғы. Лазерлік кесу қолданбалары үшін көптеген машиналар жоғары электрооптикалық түрлендіру тиімділігі мен жоғары қуат шығысымен ерекшеленетін CO₂ газ лазерлерін пайдаланады, тек YAG қатты күйдегі лазерлері қолданылатын бірнеше жағдайларды қоспағанда. Барлық лазерлер кесуге жарамды емес, себебі лазерлік кесу сәуленің сапасына қатаң талаптар қояды.
Кесу басы

Ол негізінен саптама, фокустау линзасы және фокусты бақылау жүйесі сияқты компоненттерден тұрады.

Кескіш бастықтың жетек құрылғысы кескіш басын алдын ала орнатылған бағдарламаларға сәйкес Z осі бойымен қозғалту үшін қолданылады. Ол серво қозғалтқыштан және қорғасын бұрандалар немесе берілістер сияқты беріліс бөліктерінен тұрады.

(1) Саптама: Саптамалардың үш негізгі түрі бар: параллель тип, конвергентті тип және конус тәрізді тип.

(2) Фокустау линзасы: Лазер сәулесінің энергиясын пайдаланып кесуді орындау үшін лазер шығаратын бастапқы сәуле жоғары энергия тығыздығы бар жарық нүктесін қалыптастыру үшін линза арқылы фокусталуы керек. Орташа және ұзын фокустық линзалар қалың пластиналарды кесуге жарамды және бақылау жүйесінің аралық тұрақтылығына төмен талаптар қояды. Қысқа фокустық линзалар тек 3 мм-ден төмен жұқа пластиналарды кесуге жарамды; олар бақылау жүйесінің аралық тұрақтылығына қатаң талаптар қояды, бірақ қажетті лазер шығыс қуатын айтарлықтай төмендетуі мүмкін.

(3) Бақылау жүйесі: Лазерлік кескіш машинаның фокусты бақылау жүйесі әдетте фокустау кескіш басынан және бақылау сенсоры жүйесінен тұрады. Кесу басы сәулені бағыттау және фокустау, сумен салқындату, газ үрлеу және механикалық реттеу функцияларын біріктіреді.

Сенсор сенсорлық элементтерден және күшейтуді басқару блогынан тұрады. Бақылау жүйелері сенсорлық элементтердің түріне байланысты толығымен өзгереді. Екі негізгі түрі бар: бірі - сыйымдылықты сенсорлық бақылау жүйесі, ол байланыссыз бақылау жүйесі деп те аталады; екіншісі - индуктивті сенсорлық бақылау жүйесі, ол байланыс бақылау жүйесі деп те аталады.
Сәулелік беріліс жинағы

Сыртқы оптикалық жол: Лазер сәулесін қажетті бағытқа бағыттау үшін шағылыстырғыш айналар қолданылады. Сәуле жолындағы ақаулардың алдын алу үшін барлық шағылыстырғыш айналар қалқандармен қорғалған, ал айналарды ластанудан сақтау үшін таза оң қысымды қорғайтын газ енгізіледі. Жоғары өнімді линза шашырамайтын сәулені шексіз кішкентай нүктеге фокустай алады. Фокустық қашықтығы 5,0 дюйм болатын линза жиі қолданылады, ал 7,5 дюймдік линза тек 12 мм-ден қалың материалдарды кесу үшін қолданылады.
Станок құралының жұмыс үстелі

Негізгі машина корпусы: Машина құралы бөлімілазерлік кескіш машинакесу жұмыс платформасын қоса алғанда, X, Y және Z осьтерінің қозғалысын жүзеге асыратын механикалық бөлік.
Сандық басқару жүйесі

NC жүйесі X, Y, Z осьтерінің қозғалыстарына қол жеткізу үшін станокты басқарады және лазердің шығыс қуатын бір уақытта реттейді.
Салқындату жүйесі

Салқындатқыш қондырғы: Лазер генераторын салқындату үшін қолданылады. Лазер - электр энергиясын жарық энергиясына түрлендіретін құрылғы. Мысалы, CO₂ газ лазерінің түрлендіру тиімділігі әдетте 20% құрайды, ал қалған энергия жылуға айналады. Салқындатқыш су лазер генераторының қалыпты жұмысын сақтау үшін артық жылуды кетіреді. Салқындатқыш қондырғы сонымен қатар станоктың сыртқы оптикалық жол айнасын және фокустау линзаларын салқындатады, сәуленің тұрақты өткізілуін қамтамасыз етеді және қызып кетуден туындаған линзаның деформациясын немесе жарылуын тиімді түрде болдырмайды.
Газ цилиндрлері

Газ баллондарына жұмыс ортасының баллондары және лазерлік кесу машинасына арналған қосалқы газ баллондары кіреді, олар лазерлік тербеліс үшін өнеркәсіптік газдарды толықтыру және кесу басына қосалқы газдарды беру үшін қолданылады.
Шаңды кетіру жүйесі

Ол өңдеу кезінде пайда болатын түтін мен шаңды сорып алады және пайдаланылған газ шығарындыларының қоршаған ортаны қорғау стандарттарына сәйкес келуін қамтамасыз ету үшін сүзгілеуді жүргізеді.
Ауа салқындататын кептіргіш және сүзгі

Ол лазер генераторы мен сәуле жолына таза, құрғақ ауа береді, сәуле жолының және шағылыстырғыш айнаның қалыпты жұмысын қамтамасыз етеді.

2.2 Лазерлік кесуге арналған кесу алауы

Лазермен кесуге арналған кескіш алаудың құрылымдық диаграммасы төменде көрсетілген. Ол негізінен алау корпусынан, фокустау линзасынан, шағылыстырғыш айнадан және қосалқы газ форсункасынан тұрады. Лазермен кесу кезінде кескіш алау келесі талаптарға сай болуы керек:

① Шам жеткілікті газ ағынын шығара алады.

2. Шамның ішіндегі газдың лақтыру бағыты шағылыстырғыш айнаның оптикалық осіне сәйкес келуі керек.

③ Шамның фокустық қашықтығын оңай реттеуге болады.

④ Кесу кезінде металл буы мен кесілген металдан шашыраған су шағылыстырғыш айнаға зақым келтірмеуі керек.

Кесу алауының қозғалысы NC қозғалыс жүйесімен реттеледі. Кесу алауы мен дайындама арасындағы салыстырмалы қозғалыстың үш сценарийі бар:

① Дайындама жұмыс үстелі арқылы қозғалған кезде алау қозғалмайтын күйде қалады — негізінен шағын өлшемді дайындамаларға жарамды.

② Алау қозғалып тұрған кезде дайындама қозғалмай қалады.

③ Шам да, жұмыс үстелі де бір уақытта қозғалады.

2.2.1 Кесу басы

Лазерлік кескіш басы сәуле беру жүйесінің соңында орналасқан, ол фокустау линзасы мен кесу саптамасынан тұрады.

Фокустау линзалары негізінен фокустық қашықтық бойынша жіктеледі. Лазерлік кесу жабдықтарының көпшілігі әртүрлі фокустық қашықтықтары бар бірнеше кесу бастарымен жабдықталған. CO₂ лазерлік кесуді мысал ретінде алсақ, жалпы фокустық қашықтықтар 127 мм (5 дюйм) және 190 мм (7,5 дюйм). Қысқа фокустық линза кіші фокустық нүкте мен қысқа фокустық тереңдікті тудырады, бұл қиғаш енін азайтуға және ұсақ кесулерге қол жеткізуге көмектеседі. Ұзын фокустық линза үлкенірек фокустық нүкте мен ұзын фокустық тереңдікті береді. Қысқа фокустық линзалармен салыстырғанда, ұзын фокустық линзалар фокустық нүктеге жақын материалды өңдеу үшін жеткілікті лазерлік энергия тығыздығы бар фокустық сәулені қамтамасыз ете алады. Сондықтан қысқа фокустық линзалар көбінесе жұқа пластиналарды дәл кесу үшін қолданылады, ал ұзын фокустық линзалар қалың материалдар үшін жеткілікті фокустық тереңдік алу үшін қажет, бұл нүкте диаметрінің минималды ауытқуын және кесу қалыңдығы диапазонында жеткілікті қуат тығыздығын қамтамасыз етеді.

Фокустау линзалары кесу алауына түсетін параллель лазер сәулесін фокустау үшін қолданылады, бұл кішірек нүкте өлшеміне және жоғары қуат тығыздығына қол жеткізуге мүмкіндік береді. Линзалар лазер толқын ұзындығын өткізе алатын материалдардан жасалған. Оптикалық әйнек әдетте қатты денелі лазерлер үшін қолданылады, ал ZnSe, GaAs және Ge сияқты материалдар CO₂ газ лазерлері үшін қолданылады (өйткені қарапайым әйнек CO₂ лазер сәулелері үшін мөлдір емес), олардың ішінде ZnSe ең кең таралған болып табылады.

Лазерлік кесу үшін қуат тығыздығын арттыру және жоғары жылдамдықты кесуді қамтамасыз ету үшін фокустық нүктенің диаметрін азайту қажет. Дегенмен, линзаның фокустық қашықтығының қысқаруы фокустық тереңдіктің азаюына әкеледі, бұл қалың пластиналарды кескен кезде перпендикуляр кесу бетіне қол жеткізуді қиындатады. Сонымен қатар, фокустық қашықтықтың қысқаруы линза мен дайындама арасындағы қашықтықты азайтады, бұл кесу кезінде линзаның балқытылған шашырандылармен ластану қаупін арттырады және қалыпты жұмысқа әсер етеді. Сондықтан, тиісті фокустық қашықтықты кесу қалыңдығы және кесу сапасына қойылатын талаптар сияқты факторларға негізделіп жан-жақты анықтау керек.

2.2.2 Шағылыстырғыш айна

Шағылыстырғыш айнаның қызметі - лазерден шығатын сәуленің бағытын өзгерту. Қатты денелі лазерлерден шығатын сәулелер үшін оптикалық шыныдан жасалған шағылыстырғыш айналарды пайдалануға болады. Керісінше, CO₂ газды лазерлік кесу құрылғыларындағы шағылыстырғыш айна әдетте жоғары шағылыстырғыштығы бар мыстан немесе металдардан жасалады. Жұмыс кезінде лазерлік сәулеленуден қызып кетуден болатын зақымдануды болдырмау үшін шағылыстырғыш айна әдетте сумен салқындатылады.

2.2.3 Саптама

Саптама кесу аймағына қосалқы газды бүрку үшін қолданылады және оның құрылымы кесу тиімділігі мен сапасына белгілі бір әсер етеді. 4.11-суретте лазерлік кесуге арналған кең таралған саптама пішіндері көрсетілген; саптама тесігінің пішіндері цилиндрлік, конус тәрізді және конвергентті-дивергентті түрлерін қамтиды.

Саптаманы таңдау әдетте дайындаманың материалы мен қалыңдығына, сондай-ақ қосалқы газдың қысымына негізделген сынақтар арқылы анықталады. Лазерлік кесу әдетте коаксиалды саптамаларды пайдаланады (газ ағыны оптикалық осьпен коаксиалды). Егер газ ағыны мен лазер сәулесі коаксиалды болмаса, кесу кезінде шамадан тыс шашыраңқылық пайда болуы мүмкін. Газ ағынының кедергісіз болуын қамтамасыз ету және кесу сапасына әсер етуі мүмкін турбуленттілікті болдырмау үшін саптама тесігінің ішкі қабырғасы тегіс болуы керек. Кесу тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін саптаманың ұшының беті мен дайындаманың беті арасындағы қашықтықты азайту керек, әдетте 0,5 мм-ден 2,0 мм-ге дейін. Саптама тесігінің диаметрі лазер сәулесінің тегіс өтуіне мүмкіндік беруі керек, бұл сәуленің тесіктің ішкі қабырғасына тиюіне жол бермейді. Тесіктің диаметрі неғұрлым кіші болса, сәулені коллимациялау соғұрлым қиын болады. Берілген қосалқы газ қысымы үшін саптама тесігінің диаметрлерінің оңтайлы диапазоны бар. Тым кішкентай немесе үлкен тесік балқытылған өнімдерді кесуден шығаруға кедергі келтіреді және кесу жылдамдығына әсер етеді.

Лазердің бекітілген қуаты мен қосалқы газ қысымы кезінде кесу жылдамдығына саптама тесігінің диаметрінің әсері 4.12 және 4.13 суреттерде көрсетілген. Максималды кесу жылдамдығына жететін оңтайлы саптама тесігінің диаметрі бар екенін көруге болады. Бұл оңтайлы мән қосалқы газ ретінде оттегі немесе аргон қолданылғанына қарамастан шамамен 1,5 мм құрайды.

Қатты қорытпаларды (кесу қиын) лазермен кесу бойынша жүргізілген сынақтар 4.14-суретте көрсетілгендей, оңтайлы саптама тесігінің диаметрі жоғарыдағы нәтижелерге өте жақын екенін көрсетеді. Саптама тесігінің диаметрі сонымен қатар кесу еніне және жылу әсер ететін аймақтың (ЖАА) еніне әсер етеді. 4.15-суретте көрсетілгендей, саптама тесігінің диаметрінің ұлғаюымен кесу ені артады, ал ЖАА ені тарылады. ЖАА-ның тарылуының негізгі себебі - кесу аймағындағы негізгі материалға қосалқы газ ағынының салқындату әсерін күшейту.

2.3 Лазерлік кесу жабдықтарының параметрлері

2.3.1 Алауға негізделген кесу жабдықтары

Факелмен жұмыс істейтін кесу жабдықтарында кесу алауы қозғалмалы дробқа орнатылады және дробқа сәулесі бойымен (Y осі) көлденең қозғалады. Дробқа алауды X осі бойымен қозғалуға жетелейді, ал дайындама жұмыс үстеліне бекітілген. Лазер мен кесу алауы бөлек орналасқандықтан, кесу процесінде лазердің беріліс сипаттамалары, сәулені сканерлеу бағыты бойынша параллелизм және шағылыстырғыш айналардың тұрақтылығы әсер етеді.

Алаумен жұмыс істейтін кесу жабдықтары үлкен өлшемді дайындамаларды өңдей алады. Ол кесу өндірісі аймағы үшін салыстырмалы түрде шағын еден алаңын алады және өндіріс желісін құру үшін басқа жабдықтармен оңай біріктірілуі мүмкін. Дегенмен, оның орналасу дәлдігі тек ±0,04 мм.

Алаңмен жұмыс істейтін кесу жабдығының типтік құрылымы 4.19-суретте көрсетілген. Үздіксіз толқынды CO₂ лазерлік кесу машинасы қолданылады, лазерден кесу алауына дейінгі қашықтық 18 м. Осы беру қашықтығындағы сәуле диаметрінің өзгеруі кесу операцияларына кедергі келтірмеуін қамтамасыз ету үшін осциллятор айналарының тіркесімін мұқият жобалау қажет.

Алауға негізделген кесу жабдықтарының негізгі техникалық параметрлері келесідей:

Лазердің шығыс қуаты: 1,5 кВт (бір режимді), 3 кВт (көп режимді)
Алау жүрісі: X осі 6,2 м, Y осі 2,6 м
Жүргізу жылдамдығы: 0–10 м/мин (реттеледі)
Алаудың Z осі бойынша қалқымалы жүрісі: 150 мм
Шамның Z осін реттеу жылдамдығы: 300 мм/мин
Өңделген болат пластинаның максималды өлшемі: 12 мм × 2400 мм × 6000 мм
Басқару жүйесі: интеграцияланған NC басқару режимі

2.3.2 XY үстелге орнатылған кесу жабдығы

XY үстелі басқарылатын кесу жабдығында кесу алауы рамаға бекітіледі, ал дайындама кесу үстеліне қойылады. Кесу үстелі NC командаларына сәйкес X және Y осьтері бойымен қозғалады, реттелетін жүргізу жылдамдығы әдетте 0–1 м/мин немесе 0–5 м/мин аралығында болады. Кесу алауы дайындамаға қатысты қозғалмайтын болғандықтан, кесу процесінде лазер сәулесінің туралануына және центрленуіне әсерін азайтады, біркелкі және тұрақты кесу өнімділігін қамтамасыз етеді. Жоғары механикалық дәлдікке ие шағын өлшемді кесу үстелімен жабдықталған кезде, машина ±0,01 мм орналастыру дәлдігіне жетеді жәнекесудің тамаша дәлдігі, бұл оны ұсақ бөлшектерді дәл кесуге ерекше қолайлы етеді. Сонымен қатар, үлкен өлшемді дайындамаларды өңдеу үшін 2300–2400 мм X осі және 1200–1300 мм Y осі бар үлкен кесу үстелдері қолжетімді.

XY үстелі арқылы басқарылатын кесу жабдығының негізгі техникалық параметрлері келесідей:

Лазер көзі: CO₂ газ лазері (жартылай жабық түзу түтік түрі)
Лазерлік қуат көзі: Кіріс кернеуі 200 В айнымалы ток; Шығыс кернеуі 0–30 кВ; Максималды шығыс тогы 100 мА
Лазер шығыс қуаты: 550 Вт
Кесу үстелінің жүрісі: X осі 2300 мм, Y осі 1300 мм
Кесу үстелінің айналу жылдамдығы (қадаммен реттеледі): 0,4–5,0 м/мин, 0,2–2,5 м/мин, 0,1–1,3 м/мин, 0,05–0,6 м/мин
Алаудың Z осі бойынша қалқымалы жүрісі: 180 мм
Өңделген пластинаның максималды өлшемі: 6 мм × 1300 мм × 2300 мм
Басқару жүйесі: Сандық басқару (NC) режимі

2.3.3 Қос жетегі бар кескіш жабдық (алау және үстел)

Қос жетегі бар кесу жабдығы (алау және үстел) конструкциясы бойынша алаумен және XY үстелмен жетектейтін кесу машиналарының арасында орналасқан. Кесу алауы порталға орнатылған және портал арқалығы бойымен (Y осі) көлденең қозғалады, ал кесу үстелі бойлық бағытта қозғалады. Бұл гибридті дизайн жоғары кесу дәлдігі мен кеңістікті үнемдеу тиімділігінің артықшылықтарын біріктіреді. ±0,01 мм орналастыру дәлдігімен және 0-20 м/мин реттелетін кесу жылдамдығы диапазонымен ол нарықта ең көп қолданылатын кесу машиналарының бірі болып табылады. Бұл машинаның үлкенірек модельдері Y осі бойынша 2000 мм және X осі бойынша 6000 мм жүрісті ұсынады, бұл үлкен өлшемді дайындамаларды кесуге мүмкіндік береді.

Лазерлік осциллятор кесу алауының жанындағы гантриге орнатылған. Бұл конфигурация дөңгелек тесіктерді кесу кезінде ерекше дәлдікті қамтамасыз етеді. Машина сонымен қатар жоғары өндірістік тиімділікпен мақтана алады: ол қалыңдығы 1 мм болат пластинада минутына 46 дөңгелек тесік (диаметрі 10 мм) кесе алады.

2.3.4 Біріктірілген кесу жабдықтары

Бірдеинтеграцияланған кесу машинасы, лазер көзі рамаға орнатылады және онымен бірге бойлық бағытта қозғалады, ал кесу алауы рамалық сәуле бойымен көлденең қозғалу үшін жетек механизмімен біріктірілген. Машина әртүрлі пішінді компоненттерді кесу үшін сандық басқаруды пайдаланады. Кесу алауының көлденең қозғалысынан туындаған оптикалық жол ұзындығының өзгеруін өтеу үшін әдетте оптикалық жол ұзындығын реттеу модулі жабдықталған. Бұл модуль кесу аймағында біртекті лазер сәулесін қамтамасыз етеді және кесу бетінің сапасын тұрақты ұстайды.

Жарияланған уақыты: 2025 жылғы 17 желтоқсан

Лазерлік кесудің негіздері және оны өңдеу жүйесі — Лазерлік кесу жабдықтары