Способ размерной обработки композиционного материала

 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к размерной обработке композиционных материалов при изготовлении сложноконтурных изделий. В качестве модового состава излучения используют комплексную моду. Фокус луча направляют внутрь материала на расстояние от поверхности в пределах 1/2-5/8 толщины. Мощность излучения поддерживается в пределах 500-700 Вт. Скорость движения луча находится в пределах 0,8-2,5 см/с. Это позволяет получить высокое качество реза на верхней и нижней поверхностях материала при минимальной зоне термического влияния. 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к лазерной технологии размерной обработки композиционного материала, включающего матрицу из акриловой или эпоксидной смолы, армированную углеродсодержащими волокнами, и, в частности, может быть использовано при изготовлении сложноконтурных изделий.

Известные механические способы размерной обработки композиционных материалов с использованием сверхтвердых материалов характеризуются быстрым износом режущего инструмента, невысокой производительностью и низким качеством реза, не позволяют осуществлять непрямолинейный раскрой материала.

Использование электронно-лучевых и электроэрозионных методов для сложноконтурной размерной обработки композиционных материалов, относящихся к диэлектрикам и характеризующихся большой разницей температур разрушения структурных составляющих (от 2300-2800^o до 450^oС), практически неосуществимо (см. А.А. Углов. Состояние и перспективы лазерной технологии. - Ж. "Физика и химия обработки материалов", 1992, 4, с. 342-42).

Известен способ лазерной размерной обработки композиционного материала, имеющего матрицу из эпоксидной смолы, армированную углеродсодержащими волокнами, согласно которому предложено использовать первую, вторую и третью гармоники излучения твердотельного лазера на алюмоиттриевом гранате с неодимом, работающего в режиме модулированной добротности. Размерную обработку осуществляют в атмосфере азота.

В способе предложена избирательность воздействия лазерного излучения с длиной волны 265, 530 и 1060 нм, а также комбинация этих длин (см. патент США 5500505, В 23 К 26/00, 19 марта 1996).

Основным недостатком известного способа является усложненная конструкционно-технологическая схема, существенный разброс излучения 1-й, 2-й и 3-й гармоник по мощности и соответственно рост ее непроизводительных потерь.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является способ лазерной размерной обработки утолщенных материалов, в том числе и композиционных, согласно которому луч делят на два и фокусируют их на противоположные поверхности обрабатываемого материала с заглублением внутрь материала на расстояние 1/4-1/6 его толщины, расстояние между фокусами лучей в материале поддерживают в пределах 1/2-2/3 его толщины. Способ предусматривает использование одного лазера мощностью 6 кВт или двух лазеров, каждый мощностью по 3 кВт (см. патент США 5521352, В 23 К 26/00, от 28 мая 1996).

Основными недостатками известного способа являются: - усложненность аппаратурно-технологической схемы, связанная с использованием двух лучей, направленных на обе стороны материала, а также с необходимостью обеспечения их точного взаимного позиционирования в материале; - многократное преломление лучей в оптической схеме ведет к несовпадению поляризации падающего излучения, что влияет на качество реза на противоположных поверхностях материала, особенно это касается композиционных материалов; - схема способа предусматривает резку материала только вдоль одного прямолинейного направления, произвести сложноконтурную резку известным способом практически невозможно.

В основу изобретения положена задача разработки способа лазерной резки композиционных материалов, который бы обеспечил высокое качество реза на верхней и нижней поверхностях материала с уменьшенной зоной термического влияния при оптимальных режимах процесса.

Поставленная задача решается тем, что в способе размерной обработки композиционного материала, включающем воздействие лазерного излучения, фокусируемого внутрь материала, согласно предлагаемому изобретению, в качестве модового состава излучения используют комплексную моду, а фокус луча направляют внутрь материала на расстояние от поверхности в пределах 1/2-5/8 толщины его, поддерживая при этом мощность излучения 500700 Вт и скорость движения луча в пределах 0,82,5 см/с.

Преимущество предлагаемого технического решения заключается в том, что фокусировка луча внутрь материала на заявленное расстояние с предложенным модовым составом излучения при поддержании оптимальной мощности излучения и скорости движения луча обеспечит получение сквозного реза при минимальной зоне термического влияния и шероховатости по контуру реза в пределах 0,05-0,1 мм.

При комплексной моде поляризации излучения распределение интенсивности в ней является аксиально-симметричным и имеет форму кольца в поперечном сечении, в результате чего внутри кольца происходит разогрев материала за счет экзотермических реакций, что, в свою очередь, приводит к уменьшению мощности, необходимой для осуществления процесса качественной резки материала. Снижение мощности до 400 Вт, сохранение значения скорости движения луча 0,8 см/с и оптимальное заглубление фокуса в заявленных пределах, с одной стороны, приводит к уменьшению ширины реза и зоны термического влияния, а с другой - к увеличению удельной энергии процесса до 19,2 кДж/см³. Повышение мощности при скорости движения луча 0,8 см/с и оптимальном значении заглубления фокуса приводит как к увеличению ширины реза и зоны термического влияния, так и к увеличению удельной энергии реза до 17,1 кДж/см³. При мощности 700 Вт, скорости движения луча 2,5 см/с и оптимальном значении заглубления фокуса в заявленных пределах получены качественные характеристики сквозного реза по ширине реза, зоне термического влияния при удельной энергии 8,5 кДж/см³, при дальнейшем увеличении мощности качественные характеристики процесса не притерпевают значительных изменений.

Пример. Исследования проводили на образцах из полимерных углеродволокнистых композиционных материалов с акриловыми или эпоксидными связующими смолами. Резку осуществляли по криволинейной траектории в форме эллипса с полуосями 3 и 4 см в заданном прямоугольнике с размерами 3х4 см².

В качестве источника непрерывного лазерного излучения служил СO₂-лазер. В качестве оптимального модового состава при обработке указанных композиционных материалов с помощью лазерного излучения является комплексная мода поляризации - TEM₀₁*, которая представляет суперпозицию двух одинаковых мод, повернутых относительно друг друга на 90^o, и образована как наложение мод TEM₀₁ и ТЕМ₁₀. Давление воздуха в сопле вблизи выходной линзы составляло 0,2 МПа, что обеспечивало полный вынос продуктов горения и испарения их из зоны реза. Фокусное расстояние определяли на основе критерия оптимальности: наибольшая скорость движения луча при наименьшей мощности. Оно составило 1/2-5/8 толщины материала от его поверхности. В результате получены качественные резы при мощности излучения 500-700 Вт и скорости движения луча в пределах 8,8-2,5 см/с.

Ширину реза на верхней D_a и нижней D_b поверхностях, зону термического влияния L, шероховатость R_z определяли как среднее между измеренными их значениями с обоих краев реза. По этим размерам рассчитывался энерговклад в единицу объема W (удельная энергия резки). Измерения параметров проводили в нескольких точках реза, при разных углах резания относительно выбранной оси при движении луча по эллиптической траектории.

Полученные в этих условиях технологические параметры размерной резки композиционных материалов представлены в таблице.

Предлагаемый способ размерной обработки композиционного материала при использовании позволит: - проводить качественную размерную обработку композиционных материалов по криволинейной траектории в автоматизированном режиме, - достигнуть оптимальную производительность процесса при относительно невысокой мощности излучения, - повысить рентабельность процесса за счет использования для поддува обычного воздуха, подаваемого под небольшим давлением.

Формула изобретения

Способ размерной обработки композиционного материала, включающий воздействие лазерного излучения, фокусируемого внутрь материала, отличающийся тем, что в качестве модового состава излучения используют комплексную моду, а фокус луча направляют внутрь материала на расстояние от поверхности в пределах 1/25/8 его толщины, поддерживая при этом мощность излучения 500700 Вт и скорость движения луча в пределах 0,8-2,5 см/с.

РИСУНКИ

Рисунок 1