Тема «Физические основы электроэрозионной размерной обработки»
Цель работы: изучение основных способов ЭЭРО и приобретение навыков разработки технологического процесса электроэрозионной размерной обработки.
Теоретическая часть
Электрической эрозией токопроводящих материалов называют разрушение поверхности деталей под действием электрических разрядов. Электрическая эрозия, например, разрушает контакты переключающих устройств электрического тока при их замыкании и размыкании.
Изучая пути уменьшения разрушающего действия электрической эрозии, советские ученые Б.Р.Лазаренко и Н.И.Лазаренко в 1943 году предложили применить процесс электрической эрозии с полезной целью: для размерной обработки деталей. За открытие электроэрозионного способа обработки супруги Б.Р.иН.И.Лазаренко были удостоены Государственной премии СССР.
Рисунок 3.1 – Схема ЭЭО
При электроэрозионной обработке (рис.3.1) электрод-заготовку (Э3) и электрод-инструмент (ЭИ) помещают в ванну с диэлектрической жидкостью (керосин, индустриальное масло) и на них от генератора импульсов (ГИ) подается импульсное напряжение (U=20...200 В).
Частота импульсов f= 400...106 Гц, длительность импульсаτИ=10-7...10-3 с, скважность q = ТИ/tИ, где ТИ - период.
При перемещений ЭИ и достижении межэлектродного зазора (МЭЗ) на торце ЭИ а = 0,01...0,15 мм происходит электрический пробой слоя диэлектрической жидкости с образованием канала разряда. В канале разряда выделяется большое количество теплоты, под действием которой противоположные участки электродов расплавляются и испаряются, образуя небольшие углубления - лунки в форме сферического сегмента. Продукты эрозии выбрасываются из зоны разряда в окружающую среду, застывают в виде металлических шариков и уносятся рабочей жидкостью.
Рисунок 3.2 – Профиль поверхности после ЭЭО
При подаче на электроды следующего импульса напряжения разряд и лунка образуются насоседнем участке и т.д. Такими микродозами (рис.3.2) снимается материал электрода-заготовки, и при перемещении ЭИ образуется требуемая конфигурация элемента детали; например, отверстие.
В настоящее время электроэрозионная обработка эффективно применяется при изготовлении лопаток газовых турбин, для формообразования полостей ковочных штампов, пресс-форм, при прошивке пазов, отверстий малого сечения, фасонных отверстий и карманов в различных деталях. Электроэрозионным способом клеймят детали, проводят фасонную вырезку, извлекают из отверстий сломанные сверла, метчики, упрочняют и легируют поверхности деталей и т.д.
Механизм процесса электрической эрозии
При сближении электродов, подаче на них импульса напряжения и достижении предельной напряженности электрического поля Епр=Uпр/а вМЭП происходит электрический пробой слоя диэлектрической жидкости. Например, в керосине при а = 0,05 ммпробивное напряжение Uпр=160 В, а соответствующая напряженность электрического пола Епр = 3·106 В/м.
В диэлектрике всего имеются свободные электроны. При сообщении им энергии электрического импульса, вследствие процесса ударной ионизации атомов электронами, столб диэлектрической жидкости ионизируется, образуется цилиндрическая электропроводная область - канал проводимости. Время пробоя составляет tпр≈ 0,1 мкс. В канале проводимости, заполненном плазмой, происходит электрический разряд между электродами.
Поверхность анода нагревается в результате бомбардировки ее электронами, а катода - положительными ионами. В начальной стадии разряд обусловлен электронами и ионами рабочей жидкости, далее - ионами и электронами материалов электродов. Диаметр поперечного сечения и длина канала проводимости малы (0,1 ÷ 1 мм). Поэтому плотность тепловой энергии и температура достигают больших значений. Температура в канале разряда составляет до 40 000°С, на поверхностях электродов - 10 000°С. Удельная мощность разряда - до 108 Вт/см2. В основаниях канала разряда происходит плавление, испарение, выплескивание материала электродов.
Рабочая жидкость в канале разряда и близлежащих областях разлагается и испаряется. В результате этого в жидкости образуются газы и смолистые вещества, отлагающиеся на частицах металла. Из газовой среды выделяется углерод, который в виде тонкой пленки графита покрывает нагретые поверхности электродов. Около канала проводимости образуется газовый пузырь (рис.3.3) из паров рабочей жидкости и материалов электродов.
Рисунок 3.3 Рисунок 3.4
Газовый пузырь под действием внутри него высокого давления до 20 МПа (200 кгс/см2) расширяется, образуя ударную волну в жидкости. В начальный момент времени скорость движения ударной волны составляет до 200 м/с. После окончания действия импульса тока газовый пузырь еще некоторое время продолжает расширяться. При этом давление внутри него падает, расплавленный металл вскипает и выплескивается из лунок в МЭП (рис.3.4). Ударная волна газового пузыря гасится рабочей жидкостью. Даше происходит остывание канала разряда и деионизации вещества в МЭП. Электрическая прочность межэлектродного промежутка восстанавливается. Время деионизации жидкого диэлектрика составляет tД = 10-6...10-2 с.
Закономерности изменения параметров процесса: тока разряда I, давления в газовом пузыре Р, диаметра газового пузыря D и температуры поверхности лунки Т но времени изображены графически (рис.3.5).
После окончания разряда на поверхностях электродов образуются лунки. Форма лунки в первом приближении представляет шаровой сегмент (рис.3.6).
Размеры образующихся лунок зависят от параметров импульсов тока, материалов электродов, состава рабочей жидкости, полярности включения электродов. На практике dЛ≈1...2 мм.
Диаметр и глубину лунок определяют в основном по эмпирическим формулам вида
где dЛ, hЛ- в мкм; WИ - энергия импульса, мкДж; к1 , к2 - коэффициенты, зависящие от материала электродов и состава рабочей среды. Например, при медных электродах и ЭЭО в керосине к1=4, к2= 0,45 кг-1/3·м1/3·с2/3.
Размеры лунки характеризуют также соотношением к = rА/hА ≈ 5...12.
Рисунок 3.7 – Схема измерения параметров ЭИ и ЭЗ.
Контрольные вопросы
1. Что такое электроэрозионная обработка материала(ЭЭО)?
2. Каков механизм образования проводящего канала в диэлектрической жидкости между катодом и анодом?
3. Какие процессы при ЭЭО приводят к съему материала заготовки?
Порядок проведения работы
1. Измерить штангенциркулем геометрические параметры ЭИ и толщину hЭЗ (рис.3.7). Полученные данные записать в таблицу 3.1.
2. Произвести электроэрозионную обработку детали, измеряя с помощью секундомера время обработки и записывая значения рабочего напряжения и тока в различные моменты времени в таблицу 3.1.
4. Измерить геометрические параметры обработанной поверхности. Рассчитать скорость прошивки υ=h/t.
В работе должно быть представлено:
1. Схема ЭЭО
2. Характеристики ЭИ и Э3:
- материал ЭИ;
- dЭИ, мм;
- материал Э3;
- h, мм.
3.Режим ЭЭО:
- полярность;
- скважность q;
- частота импульсов f , кГц;
- рабочая среда.
3. Значения параметров ЭЭО
Таблица № 3.1
| № п/п | Измеряемая величина | Измеренное значение | |
| Геометрические параметры ЭИ | |||
| Толщина Э3 до ЭЭО | |||
| Время обработки | |||
| Сила тока | |||
| Напряжение | |||
| Толщина ЭЗ после ЭЭО | |||
| Шероховатость поверхности после ЭЭО, мкм | |||
| Скорость υт =h/t , мм/мин |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4
Тема «Физические основы работы лазеров»*
* - Работа проводится на производственном промышленном предприятии ООО «Ливенка» ОАО «Промприбор» г. Ливны
Цель работы: изучить физические основы работы лазеров; ознакомиться с работой лазера ЛТН-102А.
Теоретическая часть
Общие основы работы лазеров
Согласно законам квантовой механики внутренняя энергия микро-частиц (молекул, атомов, ионов) вещества может принимать строго определённые дискретные значения Е1<Е2<Е3...<Еm<En,(Рис.4.1). Эти значения энергии называться энергетическими уровнями, или уровнями энергии. Система возможных энергетических уровней составляет энергетический спектр микрочастиц. Уровень с минимальной энергией Е1 называется основным, а все остальные - возбужденными. Число микрочастиц, имеющих одно значение энергии, т.е. находящихся на одном энергетическом уровне, называется населенностью уровня. Время нахождения атома на возбужденном энергетическом уровне (время жизни уровня) составляет 10-3 - 10-8 с. Уровни, которым соответствует наибольшие время жизни микрочастиц (10-3 с), называют метастабильными (долгоживущими).
Переходы микрочастиц с одного уровня энергии на другой сопровождаются испусканием или поглощением кванта энергии - фотона hν, где ν - частота колебаний электромагнитного излучения; h =6,625·10-34Дж·с - постоянная Планка. Согласно закону сохранения энергии должно выполняться hνnm=En-Em .
Для перехода на более высокий энергетический уровень микрочастица должна поглотить квант энергии. Поглощенная энергия идет на увеличение внутренней энергии атома. При переходе микрочастицы на нижний энергетический уровень происходит испускание энергии в виде кванта света.
В 1916 г. А.Эйнштейн, развивая идеи М.Планка о квантовом характере взаимодействия света с атомами, указал на существование одного процесса поглощения фотонов и двух процессов испускания фотонов.
В процессе поглощения микрочастица переходит с энергетического уровня Еmна более высокий уровень Еn(рис.4.2,а).
Процесс испускания микрочастицей фотона может происходить спонтанно, т.е. самопроизвольно, без всякого внешнего воздействия (рис.4.2,б). Спонтанное излучение происходит из-за неустойчивости возбужденного состояния микрочастицы. Спонтанное излучение имеет шумоподобный характер. Спонтанно излучаемый свет дают, например, нагретые тела, плазма газовых разрядов.
Второй процесс испускания фотонов называют вынужденным, или индуцированным (рис.4.2,в). Он происходит при столкновении фотона с возбужденной микрочастицей. При этом вынужденный переход микрочастицы с уровня Еn на более низкий энергетический уровень Еm может вызвать только фотон с энергией hνnm=Еn-Еm. Фотон, вызвавший переход, не изменяет своей энергии и направления движения.
Возникший новый фотон имеет такую же энергию и летит по тому же направлению. Следовательно, после встречи фотона с возбужденной микрочастицей дальше полетят уже два одинаковых фотона, а микрочастица переходят на более низкий энергетический уровень.
Световая волна, встретив на своем пути возбужденную микрочастицу, как бы вбирает ее энергию, увеличивает свою интенсивность и продолжает распространяться без изменения фазы и направления. Если амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация электромагнитной волны постоянны во времени или изменяются по определенному закону, то такая волна называется когерентной.
Когерентное усиление света при вынужденном испускании фотонов лежит в основе работы оптических квантовых генераторов (ОКГ) - лазеров. Слово "лазер" образовано из начальных букв английских слов LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation (усиление света стимулированным испусканием излучения).
Рассмотрим основные условия, необходимые для возникновения процессов усиления и генерации электромагнитного излучения в лазерах.
Условия квантового усиления
Атомы, молекулы вещества непрерывно взаимодействуют между собой, что приводит копределенному распределению их энергии. При термодинамическом равновесии распределение микрочастиц по энергиям подчиняется закону Больцмана, согласно которому вероятность Рiнахождения атома на уровне с энергией Еi:
, (4.1)
где С - постоянная; Т - абсолютная температура; к=1,38*10-23 Дж/К -
Из общего числа N атомов на уровне с анергией Ei находится Ni атомов (Niнаселённость i-го уровня):
(4.2).
Для двухуровневойсистемы (см.рис.4.2) отношение часла Niатомов с энергией Еn к числу nmатомов с энергией Emбудет
(4.3)
Так как En>Em , то Nn<Nm. Следовательно, при термодинамическом равновесии в среде имеется больше атомов, способных поглощать фотоны, чем испускать, и число актов поглощения фотонов будет превышать число актов испускания фотонов.
Интенсивность светового потока J, прошедшего в среде путь L , будет уменьшаться по закону:
J=J0e-αL, (4.4)
где α - коэффициент поглощения; J0- интенсивность начального светового потока.
Для усиления проходящего светового потока необходимо создать условия, при которых должно преобладать число актов испускания фотонов, т.е, число атомов с энергией Еn должно превышать число атомов с энергией Еm(Nn>Nm). В этом случае коэффициент α в формуле (4.4) имеет отрицательное значение и называется коэффициентом усиления. В итоге получим J>J0 . Среда работает как усиливающая со степенью αL, Состояние, при котором Nn>Nm, называют инверсией населенности энергетических уровней.
Увеличение числа микрочастиц на верхнем уровне достигается внешним воздействием, называемым накачкой. Накачка может быть осуществлена, например, при облучении рабочей среды потоком фотонов или электронов о энергией hνnm= Еn-Em.
В двухуровневой системе инверсную населенность, создать невозможно. При достижении равенства N2=N1 независимо от энергии накачки число переходов, с уровня Е1 на Е2 будет равняться числу обратных переходов, так как эти два перехода являются равновероятными. Поэтому для осуществления инверсии необходимо подбирать систему с тремяили более рабочими уровнями энергии, причём один из верхних уровней должен быть метастабильным.
После проведения накачки и осуществления инверсии подвергаем совокупность микрочастиц облучению потоком фотонов слабой интенсивности с частотой νnm, соответствующей переходу с уровня Еn на уровень Еm. Начальный поток фотонов части образуется и вследствие спонтанных переходов. В результате взаимодействия светового потока с микрочастицами произойдет лавинное размножение фотонов (рис.4.3). После взаимодействия одного фотона с возбужденной микрочастицей образуются два фотона. Далее, эти два фотона превратятся в четыре, восемь, шестнадцать и т.д. На выходе из рабочей среды интенсивность пучка света будет значительно больше, т.е. произойдет его усиление.
Работа квантового генератора
Принцип усиления и генерации сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний на основе вынужденных квантовых переходов был предложен в 1952 г. советскими учеными В.Г.Басовым и А.В.Прохоровым и американским ученым Ч.Таунсом. Ими был разработан квантовый генератор сантиметрового диапазона - мазер, работающий на пучке молекул аммиака. За эти работы Н.Г.Басову, А.М.Прохорову и Ч.Таунсу в 1964 году была присуждена Нобелевская премия. Первый лазер был создан в 1960 г, американским ученым Т.Мейманом.
Для превращения рабочей среды из усилителя в генератор ее помещают в резонатор,обеспечивающий непрерывную подачу части световой энергии усиленного светового потока обратно в активную среду, т.е. положительную обратную связь.
Самым простым резонатором (рис.4.4) является система, состоящая из двух параллельно расположенных плоских зеркал (резонатор Фабри - Перо). Зеркало 1 выполняется непрозрачным для данной световой волны с коэффициентом отражения, близким к 100% (глухое зеркало). Зеркало 2 является частично прозрачным с коэффициентом отражения 50 - 90%. Возникший в активном элементе 3световой поток дойдет до одного зеркала, например, 1, отразится от него, пойдет усиливаясь в обратном направлений до зеркала 2. Часть потока 4 выходит из резонатора, а часть (до 50 -90%) - вновь отразится и пойдет, усиливаясь, обратно к зеркалу 1 и т.д. С помощью зеркал как бы удлиняется путь L в усиливающей среде [см.формулу (4.4)].
Если потери, света в зеркалах 1 и 2 будут компенсироваться усилением света в активном элементе, то в системе установится стационарный режим генерации светового потока.
Луч лазера 4 представляет собой части световой волны* проходящей через полупрозрачное зеркало 2 . Импульс излучения лазера (рис. 4.5) при свободной генерации, т.е. без применения каких-либо внешних ограничений, имеет длительность ~10-3 с и состоит из большого числа отдельных хаотично расположенных импульсов-пичков длительностью ~10-6с, следующих друг за другом со скважностью ~5. Огибающаяпичков имеет колоколообразную несимметричную форму.
Пичковый характер импульса обуславливается взаимодействием между различными типами колебаний, устанавливающихся в резонаторе.
 |  |
В резонаторе возникает большое число волн, распространяющихся вдоль оси в обоих направлениях. Вследствие того, что все возникшие волны когерентны, наблюдается их интерференция. Максимальная амплитуда результирующей волны получается при разности хода складываемых волн, равной целому числу длин волн. Если длина пути, проходимого волной между двумя отражениями от одного зеркала, равна 2L (L - расстояние между зеркалами резонатора), то для получения яркого выходящего луча должно быть
2L = qλ (4.5)
где q - целое число; λ-длина световой волны.
Таким образом, на длине резонатора L должно укладываться целое число полуволн qλ/2
Условие (4.5) записывается также в виде
, (4.6)
где C - скорость света; ν=с/λ - частота излучения.
Из-за теплового движения микрочастиц частота излучения не в точности равна ν, а лежит в интервале значений ν±Δν. Спектральная линия излучения микрочастицы активной среды имеет вид колоколообразной кривой (рис.4.6),
В резонаторе устанавливаются колебания с частотами, определяемыми по формуле (6.6). Наибольшую интенсивность будут иметь колебания, совпадающие с вершиной спектральной линии (см.рис.4.6).
Основные элементы лазера
Каждый лазер имеет следующие основные элементы:
а) активную среду (активный элемент), в кокорой создаётся инверсия населённость энергетических уровней микрочастиц ( атомов, молекул, ионов) и возникает световой луч;
б) систему накачки - устройство для создания инверсии а активной среде;
в) оптический резонатор - устройство для обеспечения положительной обратной связи.
По перечисленным признакам лазеры подразделяются на отдельные группы.
По типу применяемого вещества активного элемента лазеры разделяются на твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые. Последние являются также твердотельными, но отличаются от них характером генерации. Поэтому они выделяются в отдельную группу. Внутри каждой группы определяются подгруппы. Например, газовые лазеры подразделяются на молекулярные, атомные, ионные.
Различают лазеры по способам накачки. Применяют оптическую накачку при облучении светом; электрическую при прохождении электрического тока через активное вещество; химическую, когда инверсия возникает вследствие химической реакции; газодинамическую, при которой инверсия обеспечивается при нагреве и быстром охлаждении в сверхзвуковом потоке газа.
Во типу резонаторов принято подразделять лазеры на линейные (см.рис.4.4) и кольцевые.
Лазеры излучают световой поток в непрерывном или импульсном режимах с длительностью tи=10-3...10-12 с.
Порядок проведения работы
1. Изучить физические основы работы лазеров по данному руководству.
2. Изучить конструкцию твёрдотельного лазера непрерывного излучения ЛТН-102А по его техническому описанию.
3. Изучить правила техники безопасности при работе на лазерах.
4Наблюдать работу лазера ЛТН-102А и записать показания приборов в табл.4.1 отчета.
Таблица 4.1
| J , А | Характеристика следа |
5. В отчете по практическому занятию необходимо указать основные узлы лазерной установки; режим обработки и характеристика следа луча.
6. Защитить отчет и ответить на вопросы преподавателя.
Контрольные вопросы
1. Что такое лазер?
2. Каков механизм спонтанного и индуцированного излучения фотонов? Какой из этих типов излучения используется в лазерах?
3. Что такое инверсия населенностей энергетических уровней?Как она создается и используется в лазерах?
4. Поясните работу квантового генератора.
5. Каковы основные элементы лазеров? Назовите существующие группы оптических квантовых генераторов.
УСТАНОВКА ДЛЯ РЕЗКИ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧЁМ
(краткое описание)
Назначение установки
Лазерная установка с твердотельным лазером непрерывного действия модели ЛТН-102А предназначена для резки металлических листов толщиной до 0,4 - 0,5 мм.
Технические характеристики
1. Лазер ЛТН-102А - твердотельный непрерывного излучения.
2. Активный элемент -иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ), активированный ионами неодима Nd3+.
3. Лампа накачки -дуговая, непрерывного горения c крип тоновым наполнением.
4. Длина волны лазерного излучения, мкм………………1,06.
5. Максимальная мощность лазерного излучения, Вт …………………….1,25.
6. Энергетическая расходимость лазерного излучения по уровню 0,5 мощности, мрад.9.
7. Диаметр пучка лазерного излучения по уровню 0,5 мощности у выходного окна излучателя не более, мм……………………………...4.
8. Максимальная сила тока накачки, А………………………………34.
9. Питание лазера осуществляется от трехфазной сети
переменного тока напряжением, В……………………………………….380/220;
частотой, Гц………………………………………………………………………50.
10. Максимальная электрическая мощность, потребляемая лазером не более, кВт……………10.
11. Система охлаждения двухконтурная:
а) расход дистиллированной воды во внутреннем контуре не менее, л/мин…………….....20;
б) во внешний контур подается водопроводная вода при давлении не более, МПа……… 0,6;
в) расход циркуляционной (водопроводной) воды не менее, л/мин……………...10;
г) температура циркуляционной воды не ниже, °С………………………………..10.
12. Устойчивая работа лазера осуществляется:
а) при температуре окружающей среды, °С ……………………………..от 10 до 35;
б) при смене рабочих температур, °С…………………………………….от 10 до 35;
в) при относительной влажности для 25°С, %.............................................................до 80;
г) при атмосферном давлении, кПа (630 - 830 ммрт.ст)…………………..84-106.
13. Время готовности лазера не более, мин…………………………………..15.
14. Время непрерывной работы не более, ч…………………………………8.
15. Перерыв после 8 ч работы не менее, мин…………………………………45.
16. Суточная наработка не более, ч……………………………………………16.
Принцип работы лазера
В основе работы лазера лежит принцип индуцированного (вынужденного) излучения, возникающего в активной среде.
Излучатель лазера состоит из трех основных частей:
1) активного элемента - источника индуцированного излучения;
2) системы накачки - источника возбуждения активного вещества;
3) резонатора.
Активный элемент - иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами неодима Nd3+ имеет четырехуровневую энергетическую рабочую схему, упрощенно изображенную на рис.6.7. При сообщении активному веществу энергии ионы неодима переходят с основного уровня 1 на вспомогательные возбужденные уровни, лежащие в области 4. Затем с уровней 4 происходят безизлучательные переходы на уровень 3. Избыток энергии передается кристаллической решетке ИАГ и превращается в тепло.
Индуцированный переход осуществляется с уровня 3 на уровень 2. Далее ионы возвращаются в основное состояние 1 , переход 2→1 также безизлучательный, энергия превращается в тепло. Рабочее вещество подобрано так, что вероятность перехода частиц между уровнями 3→2 на несколько порядков меньше вероятностей перехода между уровнями 4→3 и 2→1 , Это означает, что время жизни возбужденных частиц на уровне 3 (~10-3 c) на несколько порядков выше, чем на уровнях 4 и 2 (~10-8 с).
Благодаря этому между уровнем 3 , называемым "метастабильным", и уровнем 2 создается инверсное распределение ионов (инверсная населенность уровней).
Для возбуждения ионов неодима до энергий, соответствующих уровням 4 , в лазере ЛТН-102A используется энергия дуговой лампы непрерывного горения с криптоновым наполнением (оптическая накачка).
Для обеспечения устойчивой генерации электромагнитного излучения активный элемент устанавливается в резонатор, который осуществляет положительную обратную связь, направляя часть генерируемой энергии обратно в активный элемент. В лазере ЛТН-102А резонатор состоит из двух зеркал, расположенных параллельно друг другу и торцам активного элемента.
Иттрий-алюминиевый гранат, активированный неодимом, генерирует волны, соответствующие инфракрасной области спектра электромагнитных волн. Наиболее интенсивная генерация происходит на длине волны 1,06 мкм.
Устройство лазерной установки
Лазерная установка (рис.4.8) состоит из следующих основных частей:
- излучателя 3;
- источника питания иохлаждения 1;
- узла фокусировки лазерного луча и подачи воздуха 10;
- стола крепления и подачи обрабатываемой заготовки 11;
- блока управления заслонкой и подачей детали 2;
- подставки для крепления излучателя, узла фокусировки луча и стола крепления и подачи обрабатываемой детали 12.
Основной составной частью лазера является излучатель 3. Внутри излучателя находятся активный элемент 5, лампа накачки 6, отражатель 7, зеркала резонатора 4 и 9, заслонка с электромеханическим приводом 8 .
Элемент выполнен в виде круглого стержня диаметром 6,3 мм и длиной 100 мм и изготовлен из монокристалла иттрий-алюминиевого граната, активированного трехвалентными ионами неодима.
Отражатель изготовлен из специального кварцевого стекла в форме эллиптического цилиндра с полированной боковой поверхностью, покрытой слоем серебра. На рис.4.9 показаны поперечное сечение отражателя и схема фокусировки излучения лампы накачки 1 на активный элемент 2 стенками отражателя 3. Активный элемент и лампа накачки расположены по фокальным осям эллиптического отражателя. Благодаря этому, максимум плотности энергии, излученной лампой, приходится на центральную часть активного элемента. Кварцевое стекло отражателя поглощает вредные для активного элемента ультра-фиолетовые волны, излучаемые лампой.
Резонатор излучателя образован двумя зеркалами в виде шайб диаметром 40 ммтолщиной 4 мм, изготовленных из специального стекла с многослойными диэлектрическими отражающими покрытиями. Глухое зеркало 4(см.рис.4.8) крепится к задней части корпуса излучателя и имеет коэффициент пропускания излучения менее 0,2%. Выходное зеркало 9 крепится к передней части излучателя. Коэффициент пропускания этого зеркала составляет 10 ± 2%.
С помощью заслонки 8 перекрывается выход лазерного луча из излучателя без выключения лампы накачки при проведении подготовительных и наладочных работ.
Источник питания и охлаждения 1 (рис.4.8) состоит из блока питания, блока охлаждения и блока зажигания.
Система охлаждения лазера - жидкостная двухконтурная с теплообменным устройством типа вода - вода. Охлаждающая жидкость (дистиллированная вода) циркулирует по внутреннемузамкнутому контуру при помощи насоса 14. Насос подает жидкость из бака 13по шлангам к излучателю, где она проходит вдоль лампы накачки, активного элемента и отражателя. Так как большая часть подводимой к лампе электрической энергии (до 5 кВт) выделяется в виде тепла, то дистиллированная вода сильно нагревается. Из излучателя она возвращается в бак, в котором находится змеевик теплообменника.
Теплообменник с помощью шлангов подключается к внешней водопроводной магистрали. Вода из водопровода поступает в теплообменник, поглощает выделившееся при работе лазера тепло и направляется в слив. Включение лампы накачки при не включенной или неисправной системе охлаждения приводит к выводу из строя активного элемента, лампы накачки и отражателя.
Узел фокусировки и подачи воздуха 10 состоит из линзы, фокусирующей лазерный луч на поверхность обрабатываемой детали, и устройства для подачи воздуха в зону резки.
Стол крепления и подачи детали 11 служит для крепления и автоматического перемещения детали в вертикальном и горизонтальном направлениях в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу. Перемещение производится с помощью двух электродвигателей постоянного тока со встроенным редуктором и реечными передачами.
На пульт управления ИПО-1 выведены измерительные приборы, органы управления и индикации лазера (рис.4.10);
Рис.4.10. Пульт управления лазером ЛТН-102А
1. Переключатель "Питание".
2. Переключатель "Сеть"- для включения и выключения источника ИПО-1 и подачи напряжения на электромотор насоса устройства охлаждения.
3.Три лампы индикации "Сеть". Лампы горят, если на ИПО-1 подано напряжение.
4.Лампа индикации "Авария". Дампа "Авария" горит, пока во внешнем контуре охлаждения расход воды менее 10 л/мин, а во внутреннем - менее 20 л/мин. Лампа "Авария" гаснет, когда в системах охлаждения устанавливается необходимый расход воды.
5. Переключатель "Силовая" для включения и выключения блока зажигания и подачи рабочего напряжения на лампу накачки.
6.АмперметрА для измерения силы тока лампы накачки.
7. Потенциометр "Выходной ток" - для регулировки тока накачки.
8. Переключатель "Зажигание" - для проверки нормальной работы блока зажигания и лампы накачки. При нажатии клавши этого переключателя стрелка амперметра должна отклониться до 25 - 30 А, а затем опуститься до 0.
9. Переключатель "Режим" - для перевода лазера в дежурный режим. При нажатии клавиши этого переключателя ток лампы накачки устанавливается около 10 А, лампа горит, а излучение лазера отсутствует.
10. Счетчик "Время наработки" (в часах).
11. Разъём "Выход" для подключения осциллографа.
12. Лампа индикации "Сеть им". Дампа горит при подаче напряжения на индикатор мощности.
13. МикроамперметрμА для измерения относительной мощности излучения лазера.
14. Переключатель и потенциометр "Уст.0" установка нуля микроамперметра производится с помощью потенциометра "Уст.0" при нажатой клавише переключателя "Уст.0".
15. Переключатель "Мощность % клавишами "x1", "x3" и "х10" -для переключения пределов измерения микроамперметра.
16. Потенциометр "Калибровка" для градуировки микроамперметра по измерителю средней мощности и энергии импульсов ИМО-2.
Управление электродвигателями подачи образца осуществляется с пульта (рис.4.11) блока управления подачей детали:
- тумблер 8 служит для включения (и выключения) блока управления в электрическую сеть;
- тумблеры 1, 2, 3 служат для (установки скорости подачи в горизонтальном направлении (табл.4.2);
- тумблера 4 , 5 ,6 служат для изменения скорости детали по вертикали (см.табл.4.2);
- тумблеры 9 и 10 служат для включения подачи заготовки и изменения на правления ее движения. При включении тумблера 9 заготовка движется вправо или влево. При включении тумблера 10 - вверх или вниз;
- с помощью тумблера 7 открывают и закрывают заслонку лазерного луча 8 (см.рис.6.8). При открытой заслонке на панели блока управления подачей детали загорается предупреждающая надпись "Излучение".
Таблица 4.2
| Горизонтальное движение | Вертикальное движение | ||
| Положение тумблероввверх | Скорость, мм/с | Положение тумблероввверх | Скорость, мм/с |
| 4,0 | 3,3 | ||
| 4,5 | 3,4 | ||
| 4,2 | 3,5 | ||
| 1,2 | 5,7 | 4,5 | 4,1 |
| 1,3 | 5,4 | 4,6 | 4,3 |
| 2,3 | 5,5 | 5,6 | 4,6 |
| 1,2,3 | 6,0 | 4,5,6 | 4,8 |
Порядок работы на установке
1. Лазерный луч должен быть заранее сфокусирован на поверхность обрабатываемой заготовки.
2. Закрепить обрабатываемую заготовку на столе.
3. Тумблером 8 (см.рис.4.11) подать напряжение на блок управления подачей заготовки.
4. На пульте блока управления додачей установить требуемую скорость подач детали.
5. Открыть кран водопроводной магистрали и убедиться в прохождении водопроводной воды в систему слива.
6. Вставить ключ в замок переключателя "Питание"(см.рис.4.10)и повернуть его по часовой стрелке до упора.
7. Нажать клавишу "Вкл." переключателя "Сеть", при этом должны загореться три лампы индикации "Сеть", лампа "Сеть им." и лампа "Авария", которая при установлений необходимого расхода жидкостей в контурах системы охлаждения гаснет. В случае, если лампа"Авария" не гаснет, нажать клавишу "Выкл." переключателя "Сеть", повернуть ключ замка переключателя "Питание" против часовой стрелки до упора. Проверить систему охлаждения лазера, при наличии неисправностей устранить их.
8. Нажать клавишу переключателя "Зажигание" и убедиться, что в лампе накачки происходит пробой. В момент нажатия кнопки стрелка амперметра резко отклоняется до значения 25 - 30 А и затем снова устанавливается на нуле.
9. Нажать клавишу "Вкл." переключателя "Силовая". При этом подается напряжение на лампу накачки и величина выходного тока устанавливается около 10 А.
10. Во избежание запотевания торцов активного элемента прогреть установку в течение 10 минут при токе накачки 10-14 А, не допуская появления генераций.
11. Потенциометром "Выходной ток" установить силу тока на лампе накачки 15 А.
12. Проверить с помощью визуализатора наличи