Використання: лазерна обробка порожнин в суцільних виробах, в масивних виробах з кераміки, титану і матеріалів, які використовуються в медицині для заміни кісток і суглобів. Суть винаходу: в способі лазерної обробки лазерний промінь спрямовують під кутом до виробу і переміщають зворотно-поступально по розташованим впритул одна до іншої траєкторіях. При виконанні порожнин канавок і проточек на масивних виробах обробку ведуть пошарово в кілька проходів, при здійсненні одного проходу виріб одночасно обертають навколо поздовжньої осі і коливаються вздовж неї і в перпендикулярному їй напрямку, а лазерний промінь коливаються щодо вертикальної осі, відхиляючи його на заданий кут. Пристрій для лазерної обробки містить робочий стіл для виробів, встановлений з можливістю зворотно-поступального переміщення в горизонтальному напрямку, лазер з лазерною головкою, що транспортують і фокусирующими промінь елементами, привід зворотно-поступального переміщення лазерної головки в горизонтальному напрямку перпендикулярно зворотно-поступальному переміщенню робочого столу, а також систему програмного управління лазером і приводами переміщення. Робочий стіл для виробів виконаний поворотним, а на ньому змонтовано пристосування з вертикальною поверхнею для кріплення виробів. Спосіб і пристрій забезпечують оптимальну продуктивність і точність при утворенні порожнин за рахунок зміни кута між променем лазера і виробом після знімання кожного шару матеріалу. 2 с. і 3 з.п. ф-ли, 4 іл.
Винахід відноситься до способів і пристроїв лазерної обробки, зокрема освіти порожнин і проточек в масивних заготовках.
Відомий спосіб утворення отворів з косими крайками в деталях листової форми [1] згідно з яким виріб встановлюють під заздалегідь заданим гострим кутом до осі робочого лазерного променя і прорізають наскрізний отвір в аркуші шляхом одно- або багаторазового сатиричного растрирования, тобто переміщення поступально по розташованим впритул одна до іншої траєкторіях.
Відома лазерна резательная машина [2] містить переміщуваний поступально в горизонтальному напрямку за допомогою двигуна стіл виробів, лазерну установку з переміщуються за допомогою двигуна лазером з лазерною головкою, елементи управління, транспортування і фокусування променя, а також систему програмного управління лазерною установкою і двигуни подачі.
Лазерна головка має привід зворотно-поступального переміщення в горизонтальному напрямку перпендикулярно зворотно-поступальному переміщенню робочого столу.
Для різання щелеобразних отворів елементи керування променем перетворять спочатку круглий перетин променя в прямокутне.
Завдання винаходу полягає в тому, щоб створити спосіб утворення порожнин в суцільних виробах за допомогою лазерного променя, яким можна отримати глибокі виїмки з відносно гладкими бічними стінками, перпендикулярними поверхні виробу або забезпеченими расточками, а також з плоским і гладким дном.
Вирішення цього завдання забезпечується за рахунок того, що процес лазерної обробки при виконанні порожнин, канавок і проточек на масивних виробах ведуть пошарово в кілька проходів, при здійсненні одного проходу виріб одночасно обертають навколо поздовжньої осі і коливаються вздовж неї і в перпендикулярному їй напрямку, а лазерний промінь коливаються щодо вертикальної осі, відхиляючи його на заданий кут. При цьому фокус лазерного променя переміщують по осі синхронно відхиленням лазерного променя від вертикальної осі.
Завдяки пропонованому відповідно до винаходу поєднанню руху лазерного променя і столу виробів промінь падає на виріб під регульованим кутом, при цьому положення оброблюваної точки або фокального плями на виробі залишається на одному і тому ж рівні. Відносне положення нахилу лазерного променя в кінці кожної лінійної операції видалення матеріалу робить можливим утворення бічних стінок виїмки, перпендикулярних поверхні виробу і навіть з расточками, а також отримання майже плоского і гладкого дна виїмки з чіткими і гострими кутами на переході до стінок. Якщо лазерний промінь в кінці лінійної операції видалення матеріалу падає перпендикулярно на поверхню виробу, то відбувається неповне видалення матеріалу в цій області внаслідок феномена часткового відображення або поглинання, що при повторних операціях видалення для освіти більш глибоких виїмок призводить до розташування бічних стінок з нахилом всередину. Ці явища запобігають шляхом відносного нахилу падаючого лазерного променя до поверхні виробу в кінці кожної операції видалення.
Крім того, завдяки запропонованій комбінації поворотних і лінійних рухів досягається рівномірність відносної швидкості між лазерним променем і виробом, що забезпечує сталість поглинання лазерного променя і, отже, освіту плоскій поверхні дна. Цьому сприяє відповідне регулювання потужності лазерної установки в залежності від швидкості подачі фокального плями, наприклад, шляхом зменшення потужності лазерного випромінювання в зоні відповідної бічної стінки виїмки, тобто в кінці кожної операції видалення матеріалу, щоб компенсувати неминуче в цій зоні збільшення часу обробки фокального плями.
Т. к. Лазерний промінь виходить з сопла, що живиться, щонайменше, стислій середовищем, остання в кінці кожної операції обробки потрапляє на виріб приблизно під тим же кутом нахилу, як і лазерний промінь, що підсилює видування газоподібних і рідких частинок матеріалу саме в критичних кутових зонах. Цей ефект ще більш посилюється шляхом цільової похилій подачі середовища на фокальна пляма, причому таким середовищем може бути стиснений газ (повітря, кисень або інертний газ) і / або придатна для цього рідина, суспензія або дисперсія.
Предметом винаходу є також пристрій для утворення порожнин у вигляді гнізда або камери в суцільному виробі за допомогою лазерного променя. Воно містить переміщуваний поступально в горизонтальному напрямку за допомогою двигуна стіл, лазерну установку з фокусирующими і провідними елементами для лазерного променя і систему програмного управління лазерною установкою, а також двигуни подачі столу. Згідно винаходу в цьому пристрої лазерна установка з фокусирующими елементами виконана рухомий в поздовжньому напрямку, а на столі виробів, виконаному у вигляді поворотного столу, змонтовано пристосування для кріплення виробів з вертикальною поверхнею затиску вироби. Пристосування для кріплення вироби може бути змонтовано на поворотному столі ексцентрично. Воно може бути змонтовано на поворотному столі з можливістю горизонтального переміщення.
Одне з істотних переваг винаходу полягає в тому, що на одному і тому ж верстаті без суттєвої переналагодження можна обробляти вироби з різних матеріалів з високою продуктивністю, що до сих пір не забезпечувалося ніякими іншими методами знімання матеріалу. Так, можна обробляти вироби з кераміки, скла, високоякісної сталі, титану та спеціальних сплавів, композиційні матеріали, наприклад, посилені волокном, металокерамічні деталі і деталі з шаруватою структурою. У порівнянні зі звичайними методами обробки різанням знімання матеріалу лазерним променем характеризується повною відсутністю зусиль, обумовлених обробкою, які при обробці різанням є причиною коливань і вібрації. Крім того, можуть бути утворені тонкостінні перемички товщиною в десяті частки міліметра з вертикальними або розточеними бічними поверхнями шляхом операцій двостороннього видалення матеріалу з його товщі. Нарешті, можливе утворення вузьких і глибоких пазів менше 1 мм шириною в складних виробах, наприклад в турбінних лопатках з кераміки або титану, що до сих пір робиться тільки за допомогою довгострокових і дорогих електроерозійних процесів.
На фіг. 1 схематично показаний спосіб обробки лазером; на фіг. 2 і 3 схематично показані пристрій з поворотним столом і з пристосуванням, що має вертикальну площину для кріплення виробів; на фіг. 4 загальний вигляд лазерної установки.
На фіг. 1 суцільна циліндрична деталь звичайним чином закріплена по торцях, наприклад на токарному верстаті, і імпульсами повертається навколо своєї поздовжньої осі 1, при цьому кут повороту вибирається таким, щоб лінійні траєкторії лазерного променя 2 розташовувалися впритул один до одного. Якщо, наприклад, необхідно утворити поздовжні або кільцеві пази постійної глибини в циліндричному тілі (виробі) 3, останнім рухається в напрямку пунктирних стрілок по горизонталі і по вертикалі, в результаті чого виходить кругова траєкторія, що відповідає фіг. 1, в результаті чого фокальна пляма під час поворотного руху лазерного променя підтримується на одному рівні. Якщо ж циліндричне тіло повинно бути розрізане, то можна обробку вести без вертикального і горизонтального руху деталі. Крім того, можливий режим обробки, який можна порівняти зі звичайним токарних процесом, при якому лазерний промінь зберігає встановлений нахил для освіти на деталі радіальних буртиков.
На кресленні показана схематично коробчатая каретка 4 (вид з торця) в перпендикулярному до площини креслення напрямку, яка несе на своєму торці поворотну головку 5. На поворотній голівці 5 укріплена напрямна труба 6, нижній кінець якої забезпечений багатоканальним соплом 7.
Є поворотний стіл 8 для закріплення оброблюваного виробу 3. На столі 8 закріплено пристосування 9 з вертикальною поверхнею для кріплення вироби 3. Пристосування 9 на поворотному столі може бути змонтовано ексцентрично, а також з можливістю горизонтального переміщення.
Пропоновані процеси обробки для освіти щодо глибоких порожнин в дуже важко оброблюваних матеріалах можуть бути вдосконалені різним чином. Так, наприклад, замість стисненого газу можна на місце обробки подавати під відносно високим тиском суспензію з твердої речовини і газу або з твердої речовини і рідини, щоб розплавлений матеріал віддалявся жаростійкими твердими частинками суспензії по типу "піщаної струменя", що підвищує продуктивність видалення. Крім того, використання відповідних суспензій створює легуючий ефект в поверхневій зоні стінок порожнини.
Для автоматичного здійснення процесів на одному або декількох виробах, можна передбачити рознімне приєднання сопел до лазерної голівці, щоб сопла міняти за допомогою відповідного пристрою заміни для виконання різних робіт за допомогою лазера: різання, зварювання, фрезерування і т.п.
Пропонованим способом можна утворити безліч розташованих щільно один до одного гнездообразно виїмок в сферичних виробах з кераміки, титану і т.п. матеріалів, які використовуються в медицині для заміни кісток і суглобів. Завдяки виконанню безлічі таких щодо глибоких виїмок з розточеними стінками створюється можливість того, що речовина кістки буде вростати в ці порожнини імплантату, що забезпечує дуже міцне з'єднання між кісткою і імплантатом. Крім таких спеціальних цілей пропонований спосіб придатний для обробки кварцового скла, наприклад для виготовлення великих телескопів, які складають з безлічі окремих сегментів, підданих тонкій обробці.
Відносний кут нахилу між лазерним променем і виробом, тобто його поверхнею, повинен збільшуватися від шару до шару, причому цей кут при видаленні першого шару може бути дуже малим або дорівнює нулю, а при 50 віддалених шарах збільшується на 20 o до вертикалі. Збільшення цього кута не повинно бути поступово лінійним, але може відбуватися відповідно до прямим або зігнутим графіком. Для досягнення оптимальної продуктивності видалення параметри способу можна міняти від шару до шару, щоб спочатку забезпечити максимальне видалення матеріалу, потім тонку обробку і, нарешті, ефект тонкої плівки. Якщо необхідно утворити кутові виїмки, то в кінці процесу слід ще раз обробити весь контур, щоб видалити утворився дугоподібний перехід і отримати гострі кути між дном і стінками.
1. Спосіб лазерної обробки, при якому лазерний промінь спрямовують під кутом до виробу і переміщають зворотно-поступально по розташованим впритул одна до іншої траєкторіях, що відрізняється тим, що при виконанні порожнин, канавок і проточек на масивних виробах обробку ведуть пошарово в кілька проходів, при здійсненні одного проходу виріб одночасно обертають навколо поздовжньої осі і коливаються вздовж неї і в перпендикулярному їй напрямку, а лазерний промінь коливаються щодо вертикальної осі, відхиляючи його на заданий кут.
2. Спосіб за п.1, що відрізняється тим, що фокус лазерного променя переміщують по його осі синхронно відхиленням лазерного променя від вертикальної осі.
3. Пристрій для лазерної обробки, що містить робочий стіл для виробів, встановлений з можливістю зворотно-поступального переміщення в горизонтальному напрямку, лазер з лазерною головкою, що транспортують і фокусирующими промінь елементами, привід зворотно-поступального переміщення лазерної головки в горизонтальному напрямку перпендикулярно зворотно-поступальному переміщенню робочого столу, а також систему програмного управління лазером і приводами переміщення, яке відрізняється тим, що робочий стіл для виробів випо нен поворотним, а на ньому змонтовано пристосування з вертикальною поверхнею для кріплення вироби.
4. Пристрій за п.3, що відрізняється тим, що пристосування для кріплення вироби змонтовано на поворотному столі ексцентрично.
5. Пристрій за пп. 3 і 4, що відрізняється тим, що пристосування для кріплення вироби змонтовано на поворотному столі з можливістю горизонтального переміщення.
Пріоритет по пунктам: 14.07.89 по пп.1 5.
Винахід відноситься до області ракетної техніки і може знайти широке застосування для керованих ракетних комплексів, а також, наприклад, для дистанційного керування складних виробничих процесів, роботи роботів, процесах, пов'язаних з шкідливим для здоров'я виробництвом, та інших потреб народного господарства
Винахід відноситься до обладнання для лазерної обробки матеріалів, а конкретніше до оптико-фокусирующим системам з Неспіввісність фокусує оптикою для лазерних технологічних установок і комплексів
Винахід відноситься до машинобудування і може бути використано для лазерного різання різних матеріалів
Винахід відноситься до машинобудування, саме до обладнання для обробки виробів за допомогою лазерного випромінювання