Точность лазерной резки: параметры и способы обеспечения

Точность лазерной резки является ключевым параметром, от которого зависит качество готового изделия. Для деталей в некоторых отраслях отклонение даже на одну сотую миллиметра может быть критичным, поэтому резка с помощью лазера должна справляться и с такими требованиями.

На точность такого способа резки влияет множество факторов: тип заготовки, ее размеры, настройка луча, состояние деталей самого станка, а также качество чертежей, по которым идет раскрой. И чтобы в результате деталь получилась качественной, нужно учитывать все эти показатели.

Параметры точности лазерной резки

Современное оборудование способно обеспечить точность лазерной резки металла в пределах 0,1 мм. Впрочем, этот показатель зависит от ряда обстоятельств, а погрешности, если необходимо, могут определяться экспериментально.

Современное оборудование дает ширину разреза на входе луча около 0,15–0,2 мм – зависит от фокусного пятна или диаметра лазера. На ширину реза на выходе оказывает влияние скорость работы. Ширина может оставаться и прежней при возрастании скорости, но чаще возникает закономерность – чем выше скорость работы, тем ширина реза меньше. Однако появляется шероховатость поверхности реза.

Специалистам известно, что диаметр точки входа лазера больше, чем последующий рез. Поэтому при проведении ответственных работ для сохранения точности изготовления выполняют резку «с заходом». Так называется действие, при котором прожигание точки входа делают со смещением в нерабочую зону материала. Тот же прием используют при необходимости предотвратить выплеск испаряемого металла или его наплыв.

При резке фигур замкнутого контура возникает сложность с их выпадением из листа металла. Для этого оставляют небольшие перемычки, которые называют «подвесами». Их толщина от 0,5 до 1 мм. После окончания резки «подвесы» аккуратно и точно подрезают и вынимают готовое изделие.

Для особенно «ответственной» продукции, например, медицинских стентов или ювелирных изделий, требуется резка, выполненная с большой точностью. Тогда используют прецизионную лазерную резку, которую также называют высокоточной. Изготовление происходит на установках, которые выдают пучок с энергией высокой плотности. Точность лазерной резки на таком оборудовании достигает 0,005 мм.

Что ухудшает точность лазерной резки

В процессе использования любого лазерного оборудования, даже самого дорогого и профессионального, снижается точность позиционирования луча лазера. Специалисты указывают несколько причин:

• В оптической системе нарушается юстировка.

Настройка оптики (юстировка) чрезвычайно важна при построении маршрута перемещения луча лазера. Даже небольшой сдвиг поворота любого из зеркал нарушает точность регулировки, приводит к изменению траектории движения луча и, как результат, лазер неправильно выводится на поверхность материала. Причиной такого сдвига может быть механическое воздействие на оборудование (например, удар), вибрация его корпуса, ошибки при очистке оптики. Исправить положение поможет повторная настройка, при которой каждому рефлектору с точностью выставляется центр.

• Покрытие на зеркалах истирается.

Даже качественно сделанное покрытие со временем постепенно истончается. Лазерный луч из-за этого слишком рассеивается, линзы теряют свою отражающую способность, а излучение теряет мощность. Ошибки в обработке поверхности зеркал (применение излишне грубой ткани для протирки или использование металлических инструментов) могут привести к появлению царапин.

Если покрытие линзы окажется сильно поврежденным, ее необходимо заменить качественной оптикой от хорошо зарекомендовавшего себя производителя. Линзы более низкой ценовой категории имеют покрытие, отличающееся коротким сроком эксплуатации и быстрым прогоранием.

• Происходит загрязнение.

Точность настройки оборудования для лазерной резки страдает от отпечатков пальцев, нагара, мелкой пыли, оседающей на фокусирующих линзах, и пр. Для восстановления работоспособности необходимо регулярно обрабатывать линзы беличьими кистями, дабы убрать пыль, а также специальным раствором для протирки линзы и зеркал. При этом необходимо внимательно следить за сохранением настройки точности расположения зеркал.

• Жесткость конструкции нарушается.

Снижение точности резки может появляться из-за того, что на приводных ремнях ослабляется натяжение. В случае возникновения такой неисправности необходимо обратиться к рекомендациям завода-изготовителя: скорректировать натяжение ремней, а также сделать так, чтобы натяжение стало одинаковым на всех элементах.

Плохо закрепленная в конусе излучателя линза может начать вибрировать в процессе работы оборудования.

• Изменяется угол рабочей поверхности.

На точность резки может также влиять поверхность, на которую перед обработкой помещают заготовку. Если, несмотря на проверку системы передачи луча (ее настройку и уход), точность резки не устраивает, стоит обратить внимание на поверхность стола, на котором происходит раскрой металла. Ее проверяют, используя уровень, поскольку необходимо добиться точности горизонтали – для этого регулируют подвижные опоры.

Требования к чертежам для точной лазерной резки

Графические векторные файлы, с которыми работают программы для лазерной резки листов металла, имеют формат dwg, dxf. Это чертежи, используемые для изготовления деталей методом резки. Впрочем, в настоящее время возможна работа дизайнеров и с другими графическими векторными пакетами. Несмотря на то, что программа требует файлы определенного формата для проведения резки, созданный дизайнером чертеж можно легко перекодировать в нужный размер, а затем уже загрузить его в аппаратуру.

Современное оборудование работает с форматами программных пакетов CorelDraw, а также AutoCAD. Таким образом, чертежи, содержащие задание по лазерной резке или гравировке, должны поддерживаться именно ими.

CorelDraw имеет собственные требования к файлам и чертежам:

• Символы и вставки текста необходимо преобразовывать в кривые – Curves.
• Ширина кривых обязательно фиксируется константой Hairline в любом чертеже.
• Масштаб документа – 1:1.
• Отверстия и контуры необходимо создавать одним замкнутым движением (фрагментом).
• Версии программы CorelDraw должным быть от 6 и до 14.

Созданный эскиз изделия должен представлять собой схематический объект, наружный контур которого замкнут. Внутри изделие может содержать незамкнутый рез, то есть прорези и отверстия.

Перечислим ряд требований, предъявляемых к эскизам:

• Масштаб 1:1.
• Внешний и внутренний контуры должны быть замкнуты.
• Все контуры должны выполняться с использованием команд CIRCLE, LINE, ARC.
• Команды ELLIPSE, SPLINE не подходят для работы с лазерным оборудованием.
• Для выполнения ровного разреза необходимо выполнять крупные, а не мелкие линии и дуги.
• Рекомендуется не накладывать линии друг на друга, поскольку лазерному лучу придется резать одно и то же место несколько раз.
• Чертеж должен содержать информацию о количестве деталей и материале изготовления.
• В файле должна быть прописана полная информация о чертеже. Разбивка на несколько файлов не допускается.
• Информация о раскладке деталей необязательна.

Размер заготовки для резки изделия должна быть больше его внешнего контура на 5–10 мм.

Перевод контура букв в кривые происходит с помощью шрифтов Corel, они обводят каждую букву два раза или более. Участки эскиза с кривыми линиями разделяются на небольшие точечные отрезки. Все указанные выше требования необходимо точно соблюдать для получения качественной резки.

Лазерная резка дает возможность производить изделия с высокой точностью. Возможное отклонение от запланированных размеров – 0,3 мм. Ширина реза должна всегда зависеть от толщины заготовки. Например, для заготовки толщиной 4 мм, выбирается ширина реза 0,3 мм. В результате рез будет значительно меньше, чем диаметр отверстия.

Требования к чертежам для точной лазерной резки

Достоинствами лазерной резки, помимо вышеперечисленных, является точность изготавливаемых деталей. Это особенно заметно при осмотре небольших изделий сложной формы, вырезов, четко очерченных углов. А одним из главных преимуществ считается ее высокая производительность. Данный вид резки особенно хорошо зарекомендовал себя в работе со сталью, толщина которой меньше 6 мм. При этом сохраняются точность и качество, а также достаточно большая скорость резки.

Еще одной сильной стороной лазерной резки является отсутствие окалины на тонких листах металла. Это ускоряет процесс производства, позволяя сразу передавать материал на следующую операцию. Листы, толщина которых менее 4 мм, после обработки имеют прямолинейные и гладкие кромки. Если же обрабатывается более толстый лист, то кромка может иметь небольшое отклонение со скосом около 0,5°.

Отверстия, получаемые при лазерной резке, имеют диаметр, немного увеличивающийся книзу, но являются качественными, точными и круглыми. С увеличением толщины обрабатываемого металла подобный вид резки используется не так часто. При толщине, равной 2–4 см, она применяется уже значительно реже плазменной резки. А при толщине более 4 см и вовсе не применяется.

Диапазон толщины металла, при работе с которым эффективна плазменная резка, значительно больше, чем для той, когда применяется лазерная. Но сохраняется достаточно хорошая точность и качество реза. Экономически плазменная резка более выгодна для обработки алюминия и его сплавов, имеющих толщину менее 12 см, чугуна толщиной меньше 9 см, меди – менее 8 см, углеродистых и легированных сталей – до 15 см.

Плазменная резка редко применяется для толщины ≤ 0,8 мм. Характерной особенностью данного вида обработки металла является небольшая конусность поверхности разреза, находящаяся в диапазоне 3–10°. При большой толщине металла конусность делает диаметр нижней кромки отверстия меньшим, чем верхний. При толщине 2 см эта разница (между входом и выходом) может достигать 1 мм. Плазменная резка ограничена минимальным размером отверстия. Хорошее качество и точность данного вида резки возможны при диаметре, большем или равном толщине обрабатываемого металла.

Плазменная резка дает кратковременное термическое воздействие на кромку металла (обжиг). Из-за этого снижается качество изделий. Нередко после обработки на деталях присутствует окалина, которую можно легко убрать.

Поведем итоги о том, что же лучше – плазменная или лазерная резка? При сравнении описанных выше способов можно сделать вывод, что при малой толщине обрабатываемого металла результаты резки примерно одинаковы. Для металлов с толщиной более 6 мм эффективнее применять плазменную резку. Скорость выполнения операций в этом случае выше, а уровень затрат энергии ниже, по сравнению с лазерной резкой.

Однако при малой толщине лазерная резка имеет преимущества, выражающиеся в более высокой точности и качестве изделий, по сравнению с плазменной. Также резка с использованием лазера имеет большую эффективность при изготовлении деталей сложной формы, когда важны точность и максимальная приближенность к проекту.

Лазерная резка имеет большую универсальность, в отличие от плазменной. Помимо непосредственно резки, лазер используется для разметки, маркировки, упрочнения и пр. Кроме того, расход материалов, используемых при такой резке, значительно меньше, поскольку срок их службы выше, чем при плазменной.