Изследване на машините за лазерно рязане: „Вълшебният инструмент“ в областта на рязането

ИзследванеМашини за лазерно рязане„Вълшебният инструмент“ в областта на рязането

I. Теоретични основи на лазерното генериране

Теоретичният произход на технологията за лазерно рязане може да се проследи до теорията за стимулираната емисия, предложена от Алберт Айнщайн през 1916 г. Тази теория гласи, че в атомите, изграждащи материята, различен брой частици (електрони) са разпределени на различни енергийни нива. Когато частици на високо енергийно ниво са възбудени от определен фотон, те преминават от високо енергийно ниво към ниско, излъчвайки светлина от същото естество като стимулиращата светлина. При определени условия слаба светлина може да стимулира силна светлина.—феномен, известен като усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация или накратко лазер.

Лазерите притежават четири основни характеристики: висока яркост, висока насоченост, висока монохроматичност и висока кохерентност. По отношение на високата яркост, яркостта на твърдотелните лазери може да достигне до 10¹¹W/cm²·Старши. Когато лазерен лъч с висока яркост се фокусира от леща, той произвежда температури от хиляди до десетки хиляди градуса по Целзий близо до фокусната точка, което позволява обработката на почти всички материали. Високата насоченост позволява на лазера да се движи ефективно на дълги разстояния, като същевременно поддържа изключително висока плътност на мощността при фокусиране.—две основни условия за лазерна обработка. Високата монохроматичност гарантира, че лъчът може да бъде прецизно фокусиран, за да се постигне изключителна плътност на мощността. Високата кохерентност описва главно фазовата връзка между различните части на светлинната вълна.

Въз основа на тези изключителни свойства, лазерите са широко използвани в промишлената обработка и много други области, което води до изобретяването на машината за лазерно рязане.—устройство, което използва топлинната енергия на лазерен лъч за извършване на рязане.

II. Специфични принципи на рязане

Машина за лазерно рязане обработва материали с помощта на лазерен лъч. Тя нагрява материала над точката му на сублимация или топене чрез лазерен лъч с висока енергийна плътност, за да се постигне рязане. Процесът включва следните стъпки:

Генериране на лазерен лъч от лазерния генератор Лазерният генератор произвежда високоенергиен, силно концентриран лазерен лъч. Често срещани видове лазери включват CO2₂лазери, влакнести лазери и твърдотелни лазери.

Насочване и фокусиране на лазерния лъч Оптични компоненти като лещи или огледала контролират пътя на лъча, като го насочват и фокусират в точка с малък диаметър, за да концентрират енергията в малка област.

Поглъщане на лазерна енергия от материалаКогато лазерният лъч облъчва повърхността на материала, материалът поглъща лазерна енергия. Степента на поглъщане варира в зависимост от материала; някои метали имат високо лазерно поглъщане.

Нагряване, топене или изпаряване на материала Високата енергийна плътност на лазера бързо нагрява материала до температурата му на топене или изпаряване. Тъй като топенето или изпаряването консумира големи количества топлина, се постига рязане.

Впръскване на спомагателен газ По време на рязане, спомагателните газове (азот, кислород, инертни газове и др.) обикновено се впръскват през дюза. Тези газове защитават зоната на рязане, отвеждат разтопения материал и спомагат за увеличаване на скоростта на рязане.

Система за управление на движениетоЛазерните машини за рязане са оборудвани със система за управление на движението, която насочва режещата глава по предварително зададена траектория върху повърхността на материала. Под управлението на компютърна програма могат да се режат прецизно сложни форми.

Често срещани методи за лазерно рязане

Лазерно изпаряване на рязане. Материалът се изпарява по време на рязане. Лазерен лъч с висока енергийна плътност нагрява детайла до точката му на кипене за изключително кратко време, образувайки пара, която бързо се изхвърля, за да създаде прорез. Този метод изисква много висока мощност и плътност на мощността и се използва главно за ултратънки метали и неметали като хартия, плат, дърво, пластмаса и гума.

Лазерно рязане с разтопяване. Лазерът нагрява метала до разтопено състояние, след което се използва неокисляващ газ (Ar, He, N2).₂и др.), коаксиални с лъча, издухват течния метал под високо налягане, за да образуват прорез. Тъй като пълното изпаряване не е необходимо, консумацията на енергия е само около 10% от изпарителното рязане. Подходящ е за неокисляващи се или реактивни метали, включително неръждаема стомана, титан, алуминий и техните сплави.

Лазерно кислородно рязане (окислително рязане със стопилка) Подобно на кислородно-ацетиленовото рязане, лазерът действа като източник на предварително нагряване, докато кислородът или други реактивни газове служат като режеща среда. Газът реагира окислително с метала, освобождавайки огромно количество топлина и издухва разтопени оксиди, образувайки прорез. Поради екзотермичната окислителна реакция, енергийната нужда е само 50% от рязането със стопилка, с много по-висока скорост. Широко се използва за окисляеми метали като въглеродна стомана, титаниева стомана и термично обработена стомана.

III. Забележителни предимства на машините за лазерно рязане

1. Висока прецизност на рязане

Благодарение на малкото, високоенергийно и бързо движещо се лазерно петно, лазерните режещи машини осигуряват изключителна прецизност. Прорезът е тесен, с успоредни и перпендикулярни странични стени, което осигурява висока точност на размерите. Режещата повърхност е гладка и привлекателна, с грапавост на повърхността само няколко десетки микрометра. В много случаи лазерното рязане служи като последен процес, като частите са готови за директна употреба без допълнителна машинна обработка.

Зоната, засегната от топлина (ЗТВ), е изключително тясна, което запазва оригиналните свойства на материала около прореза и минимизира термичната деформация. Напречното сечение на прореза е почти стандартен правоъгълник. Тази прецизност е от решаващо значение в електронната индустрия за обработка на метални/пластмасови части, корпуси и печатни платки.

2. Висока ефективност на рязане

Лазерното рязане е високоефективно благодарение на характеристиките на лазерното предаване. Повечето машини използват CNC системи за управление, което позволява пълна автоматизация. Операторите трябва само да модифицират CNC програмите, за да се адаптират към различни геометрии на детайлите, поддържайки както 2D, така и 3D рязане. В големи производствени предприятия множество CNC работни станции могат да обработват множество детайли едновременно. Бързото превключване на програми за различни партиди и форми елиминира сложните смени и настройки на инструментите, което значително подобрява ефективността при масово производство.

3. Бърза скорост на рязане

Лазерното рязане е значително по-бързо от традиционните методи, като плазмено рязане, особено за тънки листове. Например, някои промишлени лазерни машини работят с 300% по-висока скорост от плазмените машини. Тъй като не се изисква затягане, се спестяват разходи за монтажни елементи и време за товарене/разтоварване, което увеличава общия производствен капацитет. В автомобилната индустрия,високомощни фибърни лазерни резачкиможе да подобри ефективността пет пъти при високоякостната стомана, съкращавайки производствените цикли и повишавайки конкурентоспособността на пазара.

4. Безконтактна обработка

Лазерното рязане е безконтактно, така че режещата глава никога не докосва детайла. Това елиминира износването на инструмента; не е необходима смяна на дюзи за различните части.—само настройки на параметрите. Процесът произвежда нисък шум, минимални вибрации и никакво замърсяване, създавайки комфортна и екологична работна среда. За крехки материали или високопрецизни компоненти, безконтактното рязане предотвратява повреда и деформация на повърхността, осигурявайки високо качество на продукта и добив.

5. Широка съвместимост с материали

Лазерните режещи машини обработват широка гама от материали: метали, неметали, композити, кожа, дърво и други. Адаптивността варира в зависимост от термичните свойства и абсорбцията на лазера:

Неръждаемата стомана, въглеродната стомана и др. се режат ефективно чрез рязане със стопилка или кислородно рязане.

Неметалите като пластмаси и дърво са идеални за изпарително рязане.

Композитните материали също могат да бъдат прецизно изрязани според техните характеристики.

Тази гъвкавост прави лазерните режещи машини незаменими в производствените индустрии.

6. Лесна работа

Модерни лазерни резачкиразполагат с компютърно цифрово управление и дистанционно управление. След импортиране на чертежи за рязане, машината работи автоматично с прости натискания на клавиши, намалявайки разходите за труд. Много модели включват автоматично зареждане/разтоварване, за да се сведе до минимум ръчната намеса. Дори в малки цехове операторите могат да овладеят системата след кратко обучение, като един човек може да наблюдава едновременно няколко машини.

7. Ниски експлоатационни разходи и разходи за поддръжка

Лазерните режещи машини имат относително ниски разходи за употреба и поддръжка. По-малкото време, прекарано в поддръжка, означава повече време за производство, подобряване на производителността и икономически ползи.—особено полезно за малките и средните предприятия. Въпреки по-високите първоначални инвестиции, високата ефективност намалява разходите за обработка на единица при масовото производство, засилвайки общата конкурентоспособност на разходите и подкрепяйки устойчивото развитие.

IV. Основна структура на лазерни режещи машини

1. Структура на основната рамка

Домакинът се състои от легло и работна маса.

Отворено легло: Опростена структура, удобна за товарене/разтоварване на детайли, подходяща за малки части или компактни оформления.

Затворено легло: Висока твърдост, широко използвана в големи лазерни резачки, за да издържи на силите на рязане и да осигури стабилност и прецизност.

Работната маса поддържа детайла, обикновено с помощта на множество уши или топки за опора. Страничните позициониращи и затягащи устройства осигуряват точно подравняване и здраво фиксиране по време на рязане, гарантирайки качество на рязане.

2. Енергийна система

Енергийната система използва електродвигатели като източник на енергия, преобразувайки електрическата енергия в механична. Изходният вал се свързва с трансмисионни компоненти като зъбни колела, ремъци или вериги, като подава движеща сила към движещите се части и позволява контролирано движение според изискванията на процеса.

3. Предавателна система

CNC лазерните режещи машини обикновено използват полузатворена система за управление, за да отговорят на изискванията за точност на позициониране (обикновено < 0,05 мм/300 мм). Често срещаните драйвери включват DC или AC серво двигатели, особено импулсно-широчинно модулирани (PWM) DC двигатели с регулируема скорост и висока инерция или AC серво двигатели за надеждно движение. Двигателят се свързва директно със сферично-винтова система, задвижвайки плъзгача на режещата горелка или подвижната работна маса, за да се постигне прецизен контрол на позицията и висококачествено рязане.

V. Широко приложение на лазерните машини за рязане

1. Обработка на ламарина

Лазерните режещи машини са предпочитани при производството на листов метал поради високата си гъвкавост, ефикасната обработка на сложни форми и малки до средни партиди. Не са необходими калъпи; инструкциите за обработка се програмират и модифицират лесно чрез компютър. Предимствата включват висока скорост, тесен прорез, висока прецизност, добра грапавост на повърхността, минимална зона на токсично въздействие (HAZ) и безконтактна обработка без напрежение. Те режат почти всички материали, включително материали с висока твърдост, висока крехкост и висока точка на топене. Въпреки че първоначалната инвестиция е висока, масовото производство намалява себестойността на единица продукт. Напълно затворената, нискозамърсяваща и тиха работа подобрява работната среда, което води до модернизацията на индустрията.

2. Селскостопанска техника

С напредването на селскостопанската механизация, машините се диверсифицират и автоматизират, увеличавайки разнообразието от листови метални части и скъсявайки циклите на подновяване. Традиционното щамповане е ограничено от високите разходи за форми и ниската ефективност. Лазерните резачки предлагат високопрецизна, високоскоростна, безконтактна обработка с минимална термична деформация. Липсата на форми намалява разходите, а софтуерът позволява произволно рязане на листове и тръби, като максимизира използването на материалите и опростява разработването на продукти. Те намаляват производствените разходи и подпомагат модернизацията и обновяването на селскостопанската машиностроителна индустрия.

3. Рекламно производство

Рекламната индустрия изисква висока прецизност и качество на повърхността. Лазерните резачки решават много проблеми на традиционното оборудване. За материали като акрил, компютърното програмиране оптимизира оформлението, за да се спестят материали. Рязането на ръбове е гладко и не изисква последваща обработка. Работата без калъпи опростява процесите, намалява разходите и ускорява пазарната реакция, идеална за многовариантно, многопартийно производство. Екологични, тихи и с малко отпадъци, лазерните резачки прецизно произвеждат сложни графики и шрифтове, повишавайки креативността, ефективността и рентабилността.

4. Производство на облекло

Докато ръчното рязане остава често срещано явление, автоматизираното лазерно рязане се разраства бързо.

Рязане на шаблони: Интегрирано с CAD софтуер за едноетапно формоване, висока ефективност, скорост и точност.

Рязане на тъкани: Все по-често използвано в отделите за кроене, с висока ефективност и прецизност (ограничено от дебелината на тъканта).

Изработка на шаблони: Заменя ръчните и базирани на пробиване методи, съкращавайки времето за производство и подобрявайки качеството чрез висока скорост, точност, стабилност и директна софтуерна съвместимост.

Като цяло, лазерното рязане насърчава по-висока ефективност и прецизност в шивашката промишленост.

5. Производство на кухненски принадлежности

Лазерното рязане преодолява ограниченията на традиционните методи по отношение на скоростта и прецизността. То бързо изрязва различни части от кухненски съдове и създава прецизни сложни форми и декоративни шарки, подобрявайки външния вид и добавяйки стойност. То поддържа персонализирано разработване на продукти, за да отговори на нарастващите потребителски изисквания. Подходящо за съдове за готвене от неръждаема стомана, ножове и други метални/неметални компоненти, то стимулира иновациите и диверсификацията в индустрията.

6. Автомобилна индустрия

Лазерните режещи машини са незаменими в автомобилното производство. Те осигуряват висока прецизност за компоненти като части на двигателя и рамки на каросерията, с тесни прорези, ниско количество шлака и високо използване на материала чрез вмъкване. Ниската грапавост на повърхността намалява необходимостта от последващо шлайфане. Малката зона на термично разпределение (HAZ) защитава феритната неръждаема стомана и високоякостната стомана, подобрявайки качеството на заварките. Те обработват различни материали (нисковъглеродна стомана, неръждаема стомана, алуминиеви сплави) и поддържат еднократно формоване в малки партиди, подобрявайки навременността и качеството в интелигентното автомобилно производство.

7. Фитнес оборудване

Лазерните резачки предлагат голяма гъвкавост при обработката на тръби, използвани във фитнес оборудване. Те прецизно режат определени дължини, ъгли и дюзи със специална форма, подобрявайки прилягането и стабилността на сглобката. Високата ефективност на обработката скъсява производствените цикли, което позволява бързи реакции на пазарното търсене за разнообразни стилове и спецификации, засилвайки конкурентоспособността на продукта.

8. Аерокосмическата индустрия

Аерокосмическото производство има изключително високи изисквания, а лазерното рязане се използва широко в компонентите на самолети и ракети. То постига високопрецизно рязане на високоякостни, леки авиационни сплави за конструкции на фюзелажи и прецизни части. За сложни, висококачествени ракетни компоненти, като части от резервоари за гориво и дюзи на двигатели, лазерното рязане позволява прецизен контрол на траекторията и обработка на сложни профили, осигурявайки производителност и безопасност.