Grunnatriði leysiskurðar og vinnslukerfis hennar —Laserskurðarbúnaður

II. Samsetning leysiskurðarbúnaðar

2.1 Íhlutir og vinnubrögð leysiskurðarvélar

Leysiskurðarvél samanstendur af leysigeisla, skurðarhaus, geislasendingarbúnaði, vinnuborði, tölulegu stýrikerfi (NC), tölvu (vélbúnaði og hugbúnaði), kæli, hlífðargashylki, ryksafna og loftþurrkara.

Leysiraflgjafi

Leysigeislagjafinn er tæki sem framleiðir leysigeislaljósgjafa. Fyrir leysiskurðarforrit nota flestar vélar CO₂ gasleysi sem eru með mikla rafsegulfræðilega umbreytingarnýtni og mikla afköst, nema í örfáum tilfellum þar sem notaðir eru YAG fastfasaleysir. Ekki eru allir leysir hentugir til skurðar, þar sem leysiskurður setur strangar kröfur um geislagæði.
Skurðarhaus

Það samanstendur aðallega af íhlutum eins og stút, fókuslinsu og fókusmælingarkerfi.

Drifbúnaður skurðarhaussins er notaður til að knýja skurðarhausinn áfram eftir Z-ásnum samkvæmt fyrirfram ákveðnum forritum. Hann samanstendur af servómótor og gírhlutum eins og leiðarskrúfum eða gírum.

(1) Stútur: Það eru þrjár megingerðir af stútum: samsíða gerð, samleitna gerð og keilulaga gerð.

(2) Fókuslinsa: Til að framkvæma skurð með leysigeislaorku verður að einbeita upprunalega geislanum sem leysirinn sendir frá sér í gegnum linsu til að mynda ljósblett með mikilli orkuþéttleika. Linsur með meðallangri og langri brennivídd henta til að skera þykkar plötur og hafa lægri kröfur um bilsstöðugleika rakningarkerfisins. Linsur með stuttri brennivídd henta aðeins til að skera þunnar plötur undir 3 mm; þær hafa strangar kröfur um bilsstöðugleika rakningarkerfisins en geta dregið verulega úr nauðsynlegum leysigeislaafli.

(3) Rakningarkerfi: Fókusrakningarkerfi leysiskurðarvélar samanstendur almennt af skurðarhaus með fókus og rakningarskynjara. Skurðarhausinn samþættir geislaleiðsögn og fókus, vatnskælingu, gasblástur og vélræna stillingu.

Skynjarinn samanstendur af skynjaraeiningum og magnarastýringareiningu. Rakningarkerfi eru mjög mismunandi eftir gerð skynjaraeininganna. Það eru tvær megingerðir í boði: önnur er rafrýmd skynjararakningarkerfi, einnig þekkt sem snertilaus rakningarkerfi; hin er induktiv skynjararakningarkerfi, einnig kallað snertirakningarkerfi.
Geislasendingarsamsetning

Ytri ljósleið: Endurskinsspeglar eru notaðir til að beina leysigeislanum í æskilega átt. Til að koma í veg fyrir bilanir í geislaleiðinni eru allir endurskinsspeglar verndaðir með skjöldum og hreint jákvætt þrýstingshlífðargas er notað til að halda speglunum lausum við mengun. Háafkastamikil linsa getur einbeitt ófráviknum geisla á óendanlega lítinn blett. Linsa með 5,0 tommu brennivídd er almennt notuð, en 7,5 tommu linsa hentar aðeins til að skera efni sem eru þykkari en 12 mm.
Vinnuborð fyrir vélbúnað

Aðalvélahluti: Vélahlutileysir skurðarvéler vélræni hlutinn sem gerir sér grein fyrir hreyfingu X-, Y- og Z-ásanna, þar á meðal skurðarvinnupallsins.
Tölulegt stjórnkerfi

NC kerfið stýrir vélbúnaðinum til að ná fram X-, Y- og Z-ás hreyfingum og stjórnar úttaksafli leysisins á sama tíma.
Kælikerfi

Kælieining: Hún er notuð til að kæla leysigeislaframleiðandann. Leysir er tæki sem breytir raforku í ljósorku. Til dæmis er umbreytingarnýtni CO₂ gasleysis almennt 20%, þar sem afgangurinn af orkunni er breytt í hita. Kælivatn fjarlægir umframhita til að viðhalda eðlilegri virkni leysigeislaframleiðandans. Kælieiningin kælir einnig ytri ljósleiðarspegla og fókuslinsur vélarinnar, sem tryggir stöðuga geislaflutningsgæði og kemur í veg fyrir aflögun eða sprungur í linsunni vegna ofhitnunar.
Gasflöskur

Gashylki eru meðal annars vinnslumiðilshylki og hjálpargashylki fyrir leysigeislaskurðarvélina, sem eru notaðir til að bæta við iðnaðargas fyrir leysigeislasveiflur og veita hjálpargas fyrir skurðarhausinn.
Rykhreinsunarkerfi

Það dregur úr reyk og ryki sem myndast við vinnsluna og framkvæmir síun til að tryggja að útblásturslofttegund uppfylli umhverfisverndarstaðla.
Loftkælingarþurrkari og sía

Það veitir hreinu, þurru lofti til leysigeislaframleiðandans og geislaleiðarinnar og viðheldur eðlilegri virkni geislaleiðarinnar og endurskinsspegla.

2.2 Skurðarbrennari fyrir leysiskurð

Uppbyggingarmynd af skurðarbrennara fyrir leysiskurð er sýnd hér að neðan. Hann er aðallega samsettur úr brennarahúsi, fókuslinsu, endurskinsspegli og hjálpargasstút. Við leysiskurð verður skurðarbrennarinn að uppfylla eftirfarandi kröfur:

① Brennarinn getur gefið frá sér nægilegt gasflæði.

② Útblástursátt gassins inni í brennaranum verður að vera samása ljósás endurskinsspegilsins.

③ Hægt er að stilla brennivídd vasaljóssins auðveldlega.

④ Málmgufa og skvettur frá skorna málminum mega ekki skemma endurskinsspegilinn við skurð.

Hreyfing skurðarbrennarans er stillt með NC hreyfikerfi. Það eru þrjár aðstæður fyrir hlutfallslega hreyfingu milli skurðarbrennarans og vinnustykkisins:

① Brennarinn helst kyrrstæður á meðan vinnustykkið hreyfist eftir vinnuborðinu — aðallega hentugt fyrir lítil vinnustykki.

② Vinnustykkið helst kyrrt á meðan brennarinn hreyfist.

③ Bæði brennarinn og vinnuborðið hreyfast samtímis.

2.2.1 Skurðarhaus

Leysiskurðarhausinn er staðsettur í enda geislaflutningskerfisins og samanstendur af fókuslinsu og skurðarstút.

Fókuslinsur eru aðallega flokkaðar eftir brennivídd. Flest leysigeislaskurðartæki eru búin nokkrum skurðarhausum með mismunandi brennivíddum. Sem dæmi um CO₂ leysigeislaskurð eru algengar brennivíddir 127 mm (5 tommur) og 190 mm (7,5 tommur). Linsa með stuttri brennivídd framleiðir lítinn brennipunkt og stutta brennivídd, sem stuðlar að því að minnka skurðbreiddina og ná fínni skurðum. Linsa með langri brennivídd framleiðir stærri brennipunkt og lengri brennivídd. Í samanburði við linsur með stuttri brennivídd geta linsur með langri brennivídd veitt einbeittan geisla með leysiorkuþéttleika sem er nægur til efnisvinnslu nálægt brennipunktinum. Þess vegna eru linsur með stuttri brennivídd aðallega notaðar til nákvæmrar skurðar á þunnum plötum, en linsur með langri brennivídd eru nauðsynlegar fyrir þykkari efni til að fá fullnægjandi brennivídd, sem tryggir lágmarksbreytingu á blettarþvermáli og nægilega orkuþéttleika innan skurðþykktarsviðsins.

Fókuslinsur eru notaðar til að einbeita samsíða leysigeisla sem fellur á skurðarbrennarann, sem gerir minni punktstærð og meiri aflþéttleika mögulega. Linsurnar eru úr efnum sem geta sent frá sér bylgjulengd leysigeislans. Ljósgler er almennt notað fyrir fastfasa leysigeisla, en efni eins og ZnSe, GaAs og Ge eru notuð fyrir CO₂ gasleysigeisla (þar sem venjulegt gler er ekki gegnsætt fyrir CO₂ leysigeisla), og ZnSe er mest notað af þeim.

Fyrir leysiskurð er æskilegt að lágmarka þvermál brennipunktsins til að auka aflþéttleika og gera kleift að skera á miklum hraða. Hins vegar leiðir styttri brennivídd linsunnar til minni brennivíddar, sem gerir það erfitt að ná hornréttum skurðfleti þegar skorið er þykkar plötur. Að auki minnkar styttri brennivídd fjarlægðina milli linsunnar og vinnustykkisins, sem eykur hættuna á að linsan mengist af bráðnu vatni við skurð og hafi áhrif á eðlilega notkun. Þess vegna ætti að ákvarða viðeigandi brennivídd ítarlega út frá þáttum eins og skurðþykkt og kröfum um skurðgæði.

2.2.2 Endurskinsspegill

Hlutverk endurskinsspegilsins er að breyta stefnu geislans sem leysirinn sendir frá sér. Fyrir geisla frá föstuefnaleysirum er hægt að nota endurskinsspegla úr ljósleiðara. Aftur á móti eru endurskinsspeglar í CO₂ gasleysiskurðartækjum venjulega úr kopar eða málmum með mikilli endurskinshæfni. Til að koma í veg fyrir skemmdir af völdum ofhitnunar frá leysigeislun við notkun eru endurskinsspeglar venjulega kældir með vatni.

2.2.3 Stútur

Stúturinn er notaður til að úða hjálpargasi inn í skurðarsvæðið og uppbygging hans hefur ákveðin áhrif á skurðarhagkvæmni og gæði. Mynd 4.11 sýnir algengar stútform fyrir leysiskurð; stútopformin eru sívalningslaga, keilulaga og samleitna-frávikslaga.

Val á stút er almennt ákvarðað með prófunum sem byggjast á efni og þykkt vinnustykkisins og þrýstingi hjálpargassins. Við leysiskurð eru venjulega notaðir samása stútar (þar sem gasflæðið er samása ljósásnum). Ef gasflæðið og leysigeislinn eru ekki samása er líklegt að mikil skvetta eigi sér stað við skurð. Innri veggur stútopsins ætti að vera sléttur til að tryggja óhindrað gasflæði og forðast ókyrrð sem getur haft áhrif á gæði skurðarins. Til að tryggja stöðugleika skurðarins ætti að lágmarka fjarlægðina milli enda stútsins og yfirborðs vinnustykkisins, venjulega á bilinu 0,5 mm til 2,0 mm. Þvermál stútopsins verður að leyfa leysigeislanum að fara vel í gegn og koma í veg fyrir að geislinn snerti innri vegg opsins. Því minni sem þvermál opsins er, því erfiðara er að stilla geislann. Fyrir tiltekið hjálpargasþrýsting er til kjörþvermál stútopsins. Of lítið eða stórt op mun hindra fjarlægingu bráðinna afurða úr skurðinum og hafa áhrif á skurðhraðann.

Áhrif þvermáls stútopsins á skurðhraða við fasta leysigeislaafl og hjálpargasþrýsting eru sýnd á myndum 4.12 og 4.13. Þar má sjá að það er til kjörþvermál stútopsins sem nær hámarksskurðhraða. Þetta kjörgildi er um það bil 1,5 mm óháð því hvort súrefni eða argon er notað sem hjálpargas.

Prófanir á leysigeislaskurði á hörðum málmblöndum (sem erfitt er að skera) sýna að kjörþvermál stútopsins er mjög nálægt ofangreindum niðurstöðum, eins og sýnt er á mynd 4.14. Þvermál stútopsins hefur einnig áhrif á breidd skurðarins og breidd hitaáhrifasvæðisins (HAZ). Eins og sést á mynd 4.15, eykst breidd skurðarins með aukningu á þvermáli stútopsins á meðan breiddin á hitaáhrifasvæðinu þrengist. Helsta ástæðan fyrir þrengingu á HAZ er aukin kælingaráhrif hjálpargasflæðisins á grunnefnið í skurðarsvæðinu.

2.3 Færibreytur leysiskurðarbúnaðar

2.3.1 Skurðarbúnaður knúinn með brennara

Í skurðarbúnaði sem knúinn er með brennara er brennarinn festur á færanlegan gantry og hreyfist lárétt eftir gantry-geislanum (Y-ásnum). Gantry-ið knýr brennarann til að hreyfast eftir X-ásnum, en vinnustykkið er fast á vinnuborðinu. Þar sem leysirinn og skurðarbrennarinn eru staðsettir aðskildir, hafa leysigeislaeiginleikar, samsíða tenging eftir skönnunarstefnu geislans og stöðugleiki endurskinsspeglanna áhrif á skurðarferlið.

Skurðarbúnaður knúinn með brennara getur unnið stór vinnustykki. Hann tekur tiltölulega lítið gólfflöt fyrir skurðarframleiðslusvæðið og er auðvelt að samþætta hann öðrum búnaði til að mynda framleiðslulínu. Hins vegar er staðsetningarnákvæmni hans aðeins ±0,04 mm.

Dæmigerð uppbygging skurðarbúnaðar sem knúinn er með brennara er sýnd á mynd 4.19. Notuð er samfelld bylgju CO₂ leysigeislaskurðarvél þar sem fjarlægðin frá leysigeislanum að skurðarbrennaranum er 18 m. Til að tryggja að breyting á geislaþvermáli yfir þessa flutningsfjarlægð trufli ekki skurðaðgerðir verður að hanna samsetningu sveifluspegla vandlega.

Helstu tæknilegu færibreytur skurðarbúnaðar sem knúinn er með brennara eru eftirfarandi:

Afköst leysigeisla: 1,5 kW (einstilling), 3 kW (fjölstilling)
Brennsluslag: X-ás 6,2 m, Y-ás 2,6 m
Aksturshraði: 0–10 m/mín (stillanlegt)
Fljótandi slaglengd Z-áss brennara: 150 mm
Stillingarhraði Z-áss brennara: 300 mm/mín
Hámarksstærð unninna stálplata: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Stýrikerfi: Innbyggður NC stjórnunarhamur

2.3.2 XY borðknúinn skurðarbúnaður

Í XY-borðknúnum skurðarbúnaði er skurðarbrennarinn festur á grindina og vinnustykkið sett á skurðarborðið. Skurðarborðið hreyfist eftir X- og Y-öxlunum samkvæmt NC-skipunum, með stillanlegum aksturshraða sem er venjulega á bilinu 0–1 m/mín eða 0–5 m/mín. Þar sem skurðarbrennarinn helst kyrrstæður miðað við vinnustykkið, lágmarkar hann áhrif á leysigeislastillingu og miðjusetningu meðan á skurðarferlinu stendur, sem tryggir jafna og stöðuga skurðarafköst. Þegar vélin er búin litlu skurðarborði með mikilli vélrænni nákvæmni nær hún staðsetningarnákvæmni upp á ±0,01 mm ogframúrskarandi skurðarnákvæmni, sem gerir það sérstaklega hentugt fyrir nákvæma skurð á litlum hlutum. Að auki eru stærri skurðarborð með X-ás slaglengd upp á 2300–2400 mm og Y-ás slaglengd upp á 1200–1300 mm fáanleg fyrir vinnslu stórra vinnuhluta.

Helstu tæknilegu breytur XY borðknúinna skurðarbúnaðarins eru eftirfarandi:

Leysigeisli: CO₂ gaslaser (hálflokuð bein rörgerð)
Leysispenna: Inntaksspenna 200 VAC; Úttaksspenna 0–30 kV; Hámarksútgangsstraumur 100 mA
Úttaksorka leysigeisla: 550 W
Skurðarborðsslag: X-ás 2300 mm, Y-ás 1300 mm
Aksturshraði skurðarborðs (stigastillanlegt): 0,4–5,0 m/mín, 0,2–2,5 m/mín, 0,1–1,3 m/mín, 0,05–0,6 m/mín
Fljótandi slaglengd Z-áss brennara: 180 mm
Hámarksstærð unninna platna: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Stýrikerfi: Töluleg stýringarstilling (NC)

2.3.3 Tvöfaldur knúinn skurðarbúnaður (brennari og borð)

Tvöfalt knúna skurðarbúnaðurinn (brennari og borð) fellur á milli brennikraftknúinna og XY borðknúinna skurðarvéla hvað varðar hönnun. Skurðbrennarinn er festur á gantry og færist lárétt eftir gantry-bjálkanum (Y-ás), en skurðarborðið er knúið langsum. Þessi blendingahönnun sameinar kosti mikillar skurðnákvæmni og plásssparnaðar. Með staðsetningarnákvæmni upp á ±0,01 mm og stillanlegu skurðhraðabili á bilinu 0–20 m/mín. er þetta ein af mest notuðu skurðarvélunum á markaðnum. Stærri gerðir þessarar vélar bjóða upp á Y-ás slaglengd upp á 2000 mm og X-ás slaglengd upp á 6000 mm, sem gerir kleift að skera stór vinnustykki.

Leysigeislasveiflan er fest á gantry-ið við hliðina á skurðarbrennaranum. Þessi stilling skilar einstakri nákvæmni við skurð á hringlaga holum. Vélin státar einnig af mikilli framleiðsluhagkvæmni: hún getur skorið 46 hringlaga holur (10 mm í þvermál) á mínútu á 1 mm þykkri stálplötu.

2.3.4 Samþættur skurðarbúnaður

Ísamþætt skurðarvél, leysigeislinn er settur upp á grindina og hreyfist langsum með henni, en skurðarbrennarinn er samþættur drifbúnaði sínum til að hreyfast lárétt eftir grindargeislanum. Vélin notar tölulega stýringu til að skera ýmsa lagaða hluti. Til að bæta upp fyrir breytingar á ljósleiðarlengd sem orsakast af láréttri hreyfingu skurðarbrennarans er venjulega búinn aðlögunareiningu fyrir ljósleiðarlengd. Þessi eining tryggir einsleitan leysigeisla innan skurðarsvæðisins og viðheldur jöfnum gæðum skurðyfirborðsins.

Birtingartími: 17. des. 2025

Grunnatriði leysiskurðar og vinnslukerfis hennar — Leysiskurðarbúnaður