Новости

Дата публикации: 22/12/2015

Выполнен сравнительный анализ эффективности лазерной, плазменной и гидроабразивной резки и прошивки конструкционных материалов

блок

Развитие радиоэлектроники в современных условиях предъявляет все более жесткие требо­вания к технологиям обработки конструкционных материалов. Одним из направлений обработки конструкционных материалов являются их резка и прошивка отверстий.

Существующие традиционные процес­сы разделения материалов, основанные на механическом, электрохимическом, электрофизиче­ском и физико-механическом воздействии, имеют ряд недостатков — относительно низкую произ­водительность, малую стойкость инструмента, невозможность раскроя конструкционных мате­риалов по сложному криволинейному контуру. Поэтому поиск новых перспективных технологий обработки этих материалов не прекращается.

Наиболее перспективными в настоящее время являются лазерный, гидроабразивный и плазменный способы резки конструкционных материалов. Эти способы имеют общую область применения и потому являются конкурирующими технологиями. Принципы резки конструкционных материалов у каждого способа свои, хотя имеются и общие стороны. Плазменные и лазерные способы характеризуются тем, что разделение материалов осуществляется за счет теплового воздействия на обрабатываемый материал. А вот гидроабразивный способ резки отличается как раз отсутствием нагрева обрабатываемых заготовок. Он основывается на эрозионном воздействии на обрабатываемый материал смеси высокоскоростной водяной струи (выступающей в качестве носителя) и твердых абразивных частиц.

Лазерная резка. может быть основана на различных процессах: испарении материала, плавлении с удалением расплава из зоны реза, химических реакциях (горении, разложении с выделением летучих соединений и др.). Получение глубокого реза испарением сопряжено с образованием большого количества жидкой фазы и ее неполным удалением из зоны воздействия излучения давлением паров. В этом случае с целью исключения заплавления сквозного реза применяют устройства отсоса продуктов разрушения из зоны резания или поддув активного газа, обычно кислорода, в зону резания (газолазерная резка).

Лазерная резка. является одним из высокотехнологичных методов раскроя различных листовых материалов, одним из перспективных методов обработки и имеет целый ряд преимуществ:

  • возможность обрабатывать практически любой материал независимо от его теплофизических свойств;
  • повышение качества обработки за счет минимальной ЗТВ, снижения тепловых деформаций, отсутствия силового воздействия инструмента на деталь;
  • возможность резки легкодеформируемых и нежестких деталей;
  • возможность позиционирования лазерной головки до 0,08 мм позволяет достигать высокой точности взаимного расположения элементов заготовки;
  • повышение скорости обработки по сравнению с традиционными методами в несколько раз;
  • обеспечение высокой производительности процесса за счет большой мощности излучения;
  • возможность выполнения острых углов, переходов без радиусов, тонких перемычек (толщиной менее 1—2 мм), отверстий малого диаметра, что не позволяет осуществить высечка круглым универсальным инструментом;
  • возможность раскроя практически любого листового материала по сложному контуру;
  • повышение коэффициента использования материала за счет внедрения системы оптимального раскроя;
  • снижение времени на подготовку производства при освоении новой продукции в несколько раз;
  • резка отличается особенно малым допуском реза;
  • качество реза конструкционных сталей позволяет во многих случаях производить сварку встык без предварительной механической обработки;
  • отсутствие смещения кромок реза.
блок

Для резки металлов на отечественных предприятиях и за рубежом наибольшее распространение получили технологические установки на основе твердотельных и газовых С02-лазеров, работающих как в непрерывном, так и импульсно-периодическом режиме излучения. Лазерная резка позволяет производить раскрой тонколистового материала со скоростью до 25 м/мин с точностью до 10 мкм. Сравнительно простое управление лазерным лучом позволяет осуществлять резку по сложному контуру не только плоских, но и объемных заготовок с высокой степенью автоматизации процесса. Использование роботов-манипуляторов с оптоволоконными лазерными системами позволяет отказаться от проектирования и изготовления специализированной технологической оснастки при резке объемных заготовок. В условиях снижения серийности производства и быстрого изменения требований к изделию, т.е. когда возникает реальная потребность ориентации на гибкие автоматизированные производства, преимущества лазерной резки становятся неоспоримыми. Таким образом, лазерная резка позволяет снизить затраты на подготовку производства, себестоимость изделия, а также повысить гибкость заготовительного производства.

Лазерная резка является одной из самых перспективных и конкурентоспособных технологических операций. Основные направления усовершенствования лазерной резки заключаются в увеличении толщины разрезаемого материала и скорости его резания. Лазерное излучение может эффективно использоваться для раскроя неметаллических материалов: оргстекла толщиной до 50 мм, фторопласта — до 30 мм, стеклотекстолита, гетинакса, полиэтилена, поливинилхлорида — до 2 мм, асбоцемента, базальтовых тканей, картона, керамики, ситалла.

Разработаны экономичные методы резки и термораскалывания стекла, в том числе и по сложному контуру. Применение лазерного излучения при механической обработке металлов позволяет поднять производительность в несколько раз, улучшить качество их обработки. Применение импульсно-периодических режимов обработки позволяет осуществлять процесс высокоскоростной прошивки листовых материалов. Производительность обработки достигает 50 отверстий в 1 с на стали толщиной до 0,5 мм. Лазерная прошивка позволяет получить отверстие диаметром 0,2—1,2 мм при толщине материала до 3 мм. При соотношении высоты к диаметру отверстий 16:1 она превосходит по экономичности почти все другие методы. Качество получаемых отверстий позволяет нарезать в них резьбу. Такая технология позволяет получать отверстия в часовых камнях и волочильных фильерах. Производительность прошивки листов холоднотянутой стали толщиной 2 мм достигает 3—4 отверстий в 1 с. Получение одного отверстия в более толстых листах (до 19 мм) из горячекатаной стали — примерно 2 с.

К недостаткам лазерной резки относят:

  • высокую стоимость оборудования; температурное воздействие на материал в зоне реза со всеми вытекающими неблагоприятными последствиями;
  • ограничение перечня и диапазона толщин подвергающихся резке материалов;
  • невозможность резки светоотражающих или светопропускающих материалов;
  • относительно высокий расход энергии;
  • возможное выделение (хоть и незначительное) вредных газов и испарений в процессе резки;
  • относительно высокая стоимость обслуживания и ремонта.

Однако применение волоконных лазеров позволяет избежать дорогостоящего сервиса и регулярной юстировки из-за отсутствия сложной системы зеркал. Волоконные лазеры потребляют меньше электроэнергии из-за высокого кпд — 25 % и выше, имеют малую расходимость выходного пучка и высокий коэффициент поглощения излучения металлами. Таким образом, можно предположить, что решающими для промышленного применения являются не только экономические причины, но и технологические преимущества лазерных технологий перед аналогами.

Среди основных факторов, определяющих производительность и качественные показатели процесса резки, наиболее существенными являются мощность и плотность мощности лазерного излучения, благодаря которым обеспечивается высокая производительность в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Сравнительно простое управление лазерным лучом позволяет осуществить лазерную резку по сложному контуру плоских, а также объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса. При этом возможно получение отверстий малого диаметра в сверхтвердых материалах и др.

В основе технологии гидроабразивной резки лежит принцип эрозионного воздействия смеси высокоскоростной водяной струи и твердых абразивных частиц на обрабатываемый материал. Физическая суть механизма гидроабразивной резки состоит в отрыве и уносе из полости реза частиц материала скоростным потоком твердофазных частиц. Устойчивость истечения и эффективность воздействия двухфазной струи (вода и абразив) обеспечиваются оптимальным выбором целого ряда параметров резки, включая давление и расход воды, а также расход и размер частиц абразивного материала.

В настоящее время гидроабразивные способы приходят на смену многим другим способам раскроя материалов благодаря уникальным качествам. Гидрорезка оказалась востребованной в различных отраслях промышленности, в том числе и радиоэлектронной. В радиоэлектронике гидроабразивная обработка является альтернативным способом механической, лазерной, ультразвуковой и плазменной резке. А в некоторых случаях это способ обработки материалов может быть единственно возможным. Это объясняется тем, что струя носителя и абразива не изменяет физико-механические свойства материала и исключает деформацию, оплавление и пригорание материала. Установки гидроабразивной резки выполняют резы любой формы, со скошенными кромками, минимальными внутренними радиусами и острыми углами, начинают обработку в любой точке поверхности заготовки. Они позволяют получать детали со сложными профилями без дополнительной обработки поверхности.

К достоинствам гидроабразивной резки относят также следующее: способ может быть применен абсолютно к любым материалам; отсутствие термического воздействия на материал (холодное резание — температура в зоне реза 60—90 °С — генерируемая в процессе резания теплота практически мгновенно уносится водой, а, следовательно, в результате не происходит заметного повышения температуры в заготовке). Ни одна технология, кроме гидроабразивной резки, не может обеспечить отсутствие температурного влияния на металл вблизи пропила; при гидроабразивной обработке конструкционных материалов можно воспроизводить очень сложные формы или скосы под любым углом (струя жидкости по техническим возможностям приближается к идеальному точечному инструменту, что позволяет обрабатывать сложный профиль с любым радиусом закругления (0,1—3,0 мм) даже при резании стекла); рациональный расход материалов (малые потери материала); широкий спектр разрезаемых толщин (до 150—230 мм и более); высокое качество реза (можно получать финишную поверхность с параметром шероховатости Ra = 0,5-M,5 мкм, т. е. во многих случаях исключается дополнительная обработка); высокая эффективность резки листовых материалов толщиной более 8 мм; небольшая, порядка 1 мм, ширина реза (уменьшение отходов и улучшение экономичности раскроя); отсутствие выгорания легирующих элементов в легированных сталях и сплавах; отсутствие оплавления и пригорания материала на кромках обработанных деталей и в прилегающей зоне; возможность реза тонколистовых материалов в пакете из нескольких слоев для повышения производительности, в том числе за счет уменьшения холостых ходов режущей головки; инструмент резки (струя воды или вода + абразив) не нуждается в переточке; низкое тангенциальное усилие резания на деталь (в общем случае даже не требуется зажима разрезаемого материала). Небольшие силы (1—100 Н) в зоне резания исключают деформацию заготовки, оплавление и пригорание материала в прилегающей зоне; высокая скорость резания; возможность резки сложных контуров по фасонным поверхностям; полная пожаро- и взрывобезопасность процесса, поскольку нет теплоты, накапливаемой при абразивно-жидкостной струйной обработке; экологическая чистота — отсутствие пыли (поток струи воды уносит пыль с собой) и вредных газов, отсутствие радиационного излучения, а также опасности вылета шлаковых или мелкодисперсных частиц; уровень шума колеблется в пределах 85'—95 дБ; быстрое реагирование на нужды производства; высокая технологичность (инструмент резки (струя воды или вода + абразив) не нуждается в переточке; ударная нагрузка на изделие минимальна, отсутствует обратная реакция на режущий инструмент, различные операции, например, сверление и резку, можно выполнять одним и тем же инструментом, так как между изделием и инструментом нет непосредственного контакта; резку можно осуществлять на высоте и глубине до нескольких сотен метров, в том числе и под водой, а также возможность резки от одного насоса высокого давления одновременно двумя и более режущими головками на одном столе или несколькими головками на разных столах, возможность установки на одном столе и гидроабразивной и лазерной резки; заметная экономичность процесса; резку можно осуществлять с самыми разными скоростями — от 1 до 30 000 мм/мин в зависимости от типа и толщины разрезаемого материала; рез можно начинать в любой точке заготовки и при этом не нужно предварительно делать отверстие; малая ширина реза позволяет экономить дефицитные материалы при их раскрое; среднее потребление воды в абразивно-жидкостном режущем устройстве невелико — около 3—4 л/мин, несмотря на высокое давление (400 МПа и более); возможность фасонной резки толстых материалов (сталь—до 300 мм, бетон, в том числе с арматурой — более 1000 мм); универсальность установки, позволяющая резать на одной установке самые разнообразные материалы, а также заготовки, состоящие из различных материалов (например, резина + железо + пластик).

Для некоторых материалов технологии плазменной или лазерной резки оказываются неприменимыми. Рассмотрим несколько таких ситуаций. Для листового металла, ламинированного пластиком, только гидроабразивная резка позволяет избежать негативного влияния обработки на внешнюю поверхность покрытия. Медь не может быть разрезана лазером по причине явлений отражения. При работе со стеклом лазерный луч проходит материал насквозь, не разрушая его. Кроме того, некоторые материалы, прежде всего большой толщины, позволяют осуществлять эффективную резку только с использованием гидроабразивной технологии.

Гидроабразивная резка имеет еще одно преимущество — тонкая струя создает существенно меньшие потери материала по сравнению с другими технологиями. Стоит отметить также, что в отличие от лазерной резки гидроабразивная может резать металл практически любого качества, в том числе, подвергшийся воздействию коррозии. В электронной промышленности при резании электронных плат применение водоструйной резки позволило достичь размера пропила до 0,1 мм и снизило проблему расслоения материала. К недостаткам гидроабразивной резки можно отнести: недостаточно высокую скорость реза тонколистовой стали; ограниченность ресурса некоторых комплектующих и режущей головки; одноразовое использование абразивного материала.

Технология плазменной резки основана на использовании воздушно-плазменной дуги постоянного тока прямого действия. Сущность процесса плазменной резки заключается в локальном расплавлении и выдувании расплавленного материала из полости реза. Между электродом и соплом аппарата или между электродом и разрезаемым материалом зажигается электрическая дуга. В сопло подается газ под давлением в несколько атмосфер, превращаемый электрической дугой в струю плазмы с температурой от 5000 до 30 000 °С и скоростью от 500 до 1500 м/с. Толщина разрезаемого металла может доходить до 100 мм.

Рассмотрим положительные и отрицательные стороны приведенных выше способов резки конструкционных материалов, применяемых в радиоэлектронике.

Одной из главных характеристик плазменной резки является максимальная толщина разрезаемого материала. На толщину разрезаемого материала существенно влияет его теплопроводность. Поэтому, например, для меди максимальная толщина разрезаемого металла снижается примерно на 30 % по сравнению с указанными "рабочими" толщинами. Плазменная резка имеет еще одну важную характеристику — скорость резания, которая существенно влияет на ее качество. При пониженной скорости плазмообразующий газ расходуется нерационально, что приводит к образованию шлака на нижней стороне обрабатываемого материала. При повышенной скорости плазменной резки дуга осциллирует, из-за чего линия реза получается волнистой. При этом также образуется шлак, отделение которого затруднено.

К достоинствам плазменной резки можно отнести следующее: обрабатываются любые металлы — черные, цветные, тугоплавкие сплавы и т. д.; скорость резания малых и средних толщин материалов в несколько раз выше скорости газопламенной резки; небольшой и локальный нагрев разрезаемой заготовки, исключающий ее тепловую деформацию; высокая чистота и качество по¬верхности разреза; безопасность процесса (нет необходимости в баллонах со сжатым кислородом, горючим газом и т. д.); возможна сложная фигурная вырезка; относительно низкая стоимость оборудования; относительно высокая скорость разделительной резки малых и средних толщин материалов при увеличенных допусках; возмож¬ность автоматизации процесса резки.

Недостатками плазменной резки являются ограничение перечня подвергающихся резке материалов токопроводящими материалами; низкая точность реза криволинейных поверхностей; обгорание и оплавление кромок; появление напряжения и микротрещин, а также структурных изменений в обрабатываемых материалах; необходимость дополнительной механической обработки; высокая стоимость эксплуатации установок при резке материалов толщиной свыше 25 мм и легированных сталей; неблагоприятное воздействие на окружающую среду вследствие выделения вредных газов и испарений в процессе резки; необходимость дополнительных затрат на приобретение мощной вытяжной вентиляции; нельзя чтобы продукты горения попадали в сопло плазмотрона, т. е. необходимо соблюдать определенный угол реза; пожаро- и взрывоопасность процесса.

Таким образом, для применения в производстве того или иного способа необходимо учитывать механизмы действия каждого из них, так как эти механизмы значительно различаются между собой и подходят лишь для определенных материалов и определенных толщин заготовок.

Качественные характеристики резки определяются требованиями по достигаемой точности, углу кромки реза и влиянию, оказываемому на обрабатываемый материал в зоне воздействия. По этим требованиям, вероятно, лазерный способ резки конструкционных материалов в радиоэлектронной промышленности наиболее приемлем и перспективен в качестве универсального.




Статьи по теме:

страницы: 1