Войти через:
Google

Тестируем координатный лазерный раскрой.

Предыстория.

Когда я впервые столкнулся с необходимостью использовать координатный лазерный раскрой стального листа, у меня об этом процессе было только чисто теоретическое представление. Лазерный луч режет стальной лист, двигаясь по траектории, указанной программой раскроя. Поток воды или газа отводит тепло от места реза, предохраняя края от деформации.

Я уже имел дело с CNC, т.е., со станками с числовым программным управлением, ранее, но это касалось только координатных фрезеров. Опыт полезный, он позволил не наступать повторно на грабли, например, передачу контуров раскроя в формате DXF, а не PDF, о чем я расскажу подробней ниже. Однако, никаких подробностей процесса лазерного кроя я себе не представлял. Чтобы восполнить этот пробел, я решил посетить работающее производство, чтобы увидеть весь процесс, поговорить с работающими там инженерами и, так сказать, провести рекогносцировку на местности.

На производстве меня встретил приветливый начальник цеха координатной обработки. Он согласился провести мне экскурсию в цех и  ответить на все интересующие меня вопросы. Мне удалось посмотреть на лазер в работе и нужно отметить, сам процесс раскроя выглядит весьма эффектно! [видео] С форматом нужных для передачи контуров данных определились легко и быстро. Ценоформирование тоже оказалось на удивление прозрачным и понятным. Также он уверенно и четко ответил на вопрос о максимальном размере листа и его максимальной толщине, как для обычной стали, так и для нержавеющей. Но последний вопрос, который я задал, был про точность, и вот тут-то ясность и четкость закончилась. Ответ был краток: «Точность отличная». Меня это не устроило, и я стал добиваться уточнений. Как мне было известно, собирательной понятие «точность» такого станка можно разделить на 3 части. Первое — это шаг координатной системы. То есть, насколько минимально могут отличаться координаты соседних точек. Параметр важный, определяет не только точность линейных размеров вырезанной детали, но и правильность сложных геометрических форм, например, «круглость» окружностей. Вторая часть — это ширина реза, проделываемого лучом. Для лазерного раскроя она, к сожалению, не нулевая. Для плазменного — тем более. Если толщина реза не учитывается при формировании программы раскроя, а она редко где учитывается, когда речь идет о больших станках, — размеры детали будут меньше на половину толщины луча, но, в любом случае, этот параметр определит минимально допустимые размеры выреза в детали, а в совокупности с шагом — еще и минимально возможный диаметр круглого отверстия, которое будет похоже на круглое отверстие, а не на рваную дырку. Третий параметр — минимальное расстояние между элементами раскроя. Тут требуется пояснение. Предположим, что луч вырезает в листе два прямоугольных окна, между которыми остается узкая полоска металла. Если ширина этой полоски будет слишком мала — полоска деформируется или вообще расплавится при раскрое.

Ни на один из этих вопросов я не смог добиться вразумительного ответа, ни от начальника цеха, ни от оператора лазера. Шаг у них был «маленький», толщина луча «совсем небольшая», а минимальный зазор - «ну вот хотя бы со спичку». Стоит отметить, что лазер у них был совсем не маленький — мог кроить листы размером 1.25х2.5 метра, и в этих масштабах точность его действительно прекрасна. Однако детали, которые мне нужно было изготовить, были небольшими и требовали высокой точности, так как содержали посадочные места под подшипники и отверстия под нарезку резьбы. Поэтому мой интерес был совсем не праздным.

Постановка задачи.

Оценка возможностей лазера путем «вы попробуйте — и сразу увидите, можно такое изготовить или нет» меня никак не устраивала, особенно если учесть, что каждый метр реза стоил 5$, и это без стоимости испорченного материала. Поэтому было принято решение сделать тестовую деталь, которая содержала бы элементы, необходимые для оценки всех параметров лазера, вырезать ее и увидеть все возможности лазера во всей красе.

Решение.

Сама деталь очень проста. Она состоит из 3 групп элементов, по одной для каждого оцениваемого параметра. 

Блок для оценки толщины луча и минимальных размеров выреза (отмечен зеленым) представляет из себя группу прямоугольных окон шириной от 0 до 10мм, длиной 20мм. Блок для оценки минимального зазора между вырезами (отмечен красным) - группу прямоугольных окон одинакового размера, расположенных на разных расстояниях друг от друга. Блок оценки отверстий (отмечен синим) -  20 круглых отверстий разного диаметра, от 0.1 до 1мм с шагом 0.1 и от 2 до 10 с шагом 1мм. Я выбрал такие размеры, так как они покажут возможности установки с необходимой мне точностью. Нарисовать эту деталь можно было в любом инженерном редакторе, но я изобразил ее в Solidworks, так как работаю в основном с ним. Я создал новую деталь, в ней на горизонтальной плоскости создал эскиз , в котором нарисовал все необходимые элементы.

Потом я придал детали толщину при помощи инструмента Extrude boss/base

Кроме того, я скруглил углы инструментом fillet , хотя объективной необходимости в этом и не было. Просто считаю это хорошей практикой.

Пара слов о передаче данных.

Стандартным форматом для передачи плоских контуров на CNC-производстве считается формат DXF. Он поддерживается всеми современными программами проектирования (CAD) и подавляющим большинством программ для CNC оборудования (CAM). Однако, практика показывает, что с ним бывают серьезные проблемы. Во-первых, иногда без видимых на то причин некоторые дуги (arcs) и линии (splines) импортируются CAM-программами некорректно. Причем ситуация усугубляется тем, что при импорте файла не все, а лишь некоторые дуги окажутся покалеченными, и при беглом взгляде файл может выглядеть вполне нормально, и лишь после раскроя выяснится, что несколько элементов импортировались неверно, деталь безвозвратно загублена, и все придется выбросить и переделать. Вторая проблема заключается в том, что иногда замкнутый контур при экспорте в DXF распадается на отдельные элементы, и вместо замкнутой ломанной линии (polyline) программа станка обработает 4 прямые. Из-за этого, во-первых, лазер будет включаться и выключаться 4 раза при вырезе этого контура, а во-вторых, ему некуда будет отступить для втыкания луча, так как нет области, ограниченной полигоном. Результат - рваные воронки в углах прямоугольника и более высокая цена изготовления,если в ценообразовании участвует количество включений лазера или время выполнения программы. Поэтому я всегда передаю плоские контура на производство в формате PDF. Да-да, тот самый Adobe PDF, идеальный формат для документов. Секрет в том, что в этом формате реализована просто изумительная поддержка векторных изображений, и его можно экспортировать из любого CAD-редактора и импортировать в любой CAM. За годы практики не замечено ни одной проблемы с контурами в этом формате. Единственный нюанс - в PDF документе обязательно должен присутствовать хотя бы один справочный размер, для правильного масштабирования. И еще, при отправке файлов на раскрой ВСЕГДА и ОЧЕНЬ КРУПНЫМИ БУКВАМИ указывайте, в каких единицах проставлены размеры (дюймы\миллиметры\сантиметры). Мне не раз приходилось получать детали в 2.54, или даже в 10 раз больше, чем я ожидал. Особенно остро эта проблема проявляется, когда кроишь маленькие детали на огромных станках. Оператору может показаться очень странным, что на станок с растром 1.25х2.5 метра была отправлена деталь, размером 40х80мм, и он поставит в настройках программы дюймы или даже сантиметры, потому что это выглядит для него более вероятным.

Конечно, если вдруг Вас повеселит изделие в стили "линейки пессимиста", можно и не указывать единицы измерения. 

Результаты.

Вырезанная в результате деталь оправдала все ожидания и дала ответы на все поставленные вопросы.

1. В первую очередь была дана оценка ширине луча. Как можно увидеть, окно шириной 0.001 в реальности имеет ширину 0.3мм. Это и есть ширина луча.

2. При подготовке программы раскроя ширина луча на этом производстве не учитывается. Это можно определить по тому, что окно шириной 10мм в реальности имеет ширину 10.3мм, то есть луч прошел ровно по расчетной траектории, а лишние 0.3мм набежали за счет его ненулевой ширины. При закладке посадочных отверстий, например, под подшипники это нужно учитывать. К примеру, если под 10мм подшипник нарисовать отверстие 10мм - он будет болтаться, а хорошо запрессуется в отверстие нарисованное как 9.8мм.

3. Нюанс, которого я не знал. В том месте, где лазерный луч при включении «вонзается» в металл, образуется воронка неправильной формы, размер которой гораздо больше ширины луча. Это связано с тем, что луч пронзает металл не мгновенно, и все то время, пока отверстие еще не сквозное, расплавленная сталь отводится не вниз, под лист, а вверх, образуя кратер. Его отлично видно на скане тестовой детали. В данном случае размер воронки оказался около 2.5мм. Когда лазер режет окно, заметно превышающее по размерам эту воронку, он втыкает луч чуть в стороне от расчетного контура, и лишь потом, когда параметры процесса установились, приближается к краю окна. Поэтому вырезы значительных размеров получаются ровные. Но когда места в вырезе для воронки не хватает — она будет видна на детали. В данном случае именно этот фактор ограничивает минимальный размер отверстия, которое можно прорезать.

4. Минимальные размер круглого отверстия приемлемой формы — 4мм. Однако, практика показала , что и в отверстии диаметром 2.3мм можно успешно нарезать резьбу М3 без дополнительной обработки отверстия, хотя выглядит такое отверстие страшновато. Но если нужно просто ехать, а не любоваться шашечками, то вполне подойдет.

5. Минимальное расстояние между вырезами для данного лазера и данной толщины металла — 2мм. Отчетливо видно, что более узкие полоски просто расплавились. Нужно отметить, что тестируемый лазер снабжен системой водяного охлаждения области реза. Могу предположить, что у лазеров с газовым охлаждением этот параметр будет заметно хуже.

Выводы.

Я получил точные ответы на все свои вопросы относительно возможностей конкретного координатного лазера. Надо сказать, что точность оказалась достаточной для моих задач, и в следующей статье я покажу пример использования этого лазера в настоящей задаче. Этот же тест может быть применен и для плазменного раскроя. Важно понимать, что полученные результаты действительны лишь для конкретного лазера и конкретной толщины металла. На более толстом листе даже на том же станке результаты будут другие. И еще один немаловажный нюанс. Результаты теста со временем устаревают. Это связано с деградацией накачки лазера и его оптической системы. Ширина луча со временем становится больше, как и воронка. Тест, повторенный на том же лазере через полгода, дал несколько иные показатели, а еще через месяц было проведено обслуживание лазера, заменена лампа и оптика, и результаты снова вернулись к начальным. Это стоит учитывать, и после значительных перерывов перед важной работой необходимо провести тест, чтобы скорректировать раскрой под текущее состояние оборудования.

Дополнительные материалы.

Для самых любопытных, прилагаю несколько дополнительных документов. Во-первых, PDF, который можно отправить на координатный лазерный или плазменный раскрой для получения тестовой детали. И во-вторых, сканы детали в разрешении 1200dpi. Шкала на сканах миллиметровая.

Войдите, чтобы оставить комментарий


Или войдите через социальную сеть

Google