Повышение эффективности технологии обработки деталей летательных аппаратов за счет форсирования технологического CO2-лазера

• Автор: Угланов, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 05.07.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 172 с. : ил.

1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ С02-ЛАЗЕРОВ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ИЗ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК

1.1. Современное производство плоских деталей

1.2. Современное состояние лазерной обработки и перспективы мощных технологических лазеров в производстве ЛА

1.2.1 Резервы повышения эффективности технологических С02-лазеров

1.2.2. Параметры и показатели процесса газолазерной резки

1.3. Анализ существующих методов форсирования С02 -лазеров

1.3.1. Повышение энергетических характеристик оптимизацией метода и режима газоразрядной накачки
1.3.2. Повышение энергетических характеристик за счет изменения состава рабочей смеси электроразрядчых С02-лазеров
1.3.3. Возможность повышения энергетических характеристик СО2 -лазерах за счет охлаждения рабочей смеси

1.3.3.1. Влияние температуры на генерацию ССЬ-лазера

1.3.3.2. Примеры реализации на практике метода повышения энергетических характеристик С02 -лазера за счет охлаждения до температур ниже 0°С
Задачи исследования
Выводы по главе
2. УТОЧНЕННАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК С02-ЛАЗЕРА
2.1 Анализ существующих методик расчета энергетических характеристик С02-лазера и теплофизических параметров рабочей смеси
2.2 Уточненный расчет энергетических характеристик С02-лазера и теплофизических параметров рабочей смеси
2.2.1 Последовательность выполнения расчета
2.2.2. Результаты расчета
2.2.3. Алгоритм расчета
Выводы по главе
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛАЗЕРА НА ЕГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

3.1. Цели и задачи эксперимента
3.2. Экспериментальная установка для исследования влияния температуры охлаждения лазера на его энергетические характеристики
3.3. Методика проведения экспериментов
3.3.1. Порядок проведения экспериментов
3.3.2 Определение мощности излучения специальным калориметром
3.3.3 Анализ экспериментальных данных
3.3.3.1 Мощность излучения лазера
3.3.3.2 Расход охлаждающей жидкости
3.3.3.3 Энергетический баланс и общая эффективность лазерной установки
3.3.4 Оценка погрешности измерения мощности излучения
Выводы по главе
4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФОРСИРОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ С02 -ЛАЗЕРОВ
4.1. Взаимосвязи технико-экономических показателей форсированного лазерного технологического комплекса, в состав которого входит
холодильная машина
4.2 Технико-экономическое моделирование, оптимизация и границы эффективности серийных технологических лазеров и форсированных за счет охлаждения до температур ниже 0°С
4.2.1. Принципы построения технико-экономических моделей ТЛ и процессов термической лазерной технологии
4.2.2. Обоснование рациональных технико-экономических показателей ТЛ
4.2.3 Анализ данных, полученных в результате расчета экономического эффекта от использования ТЛ в процессах лазерной резки и сварки деталей авиационного назначения
Выводы по главе
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Заключение
Список литературы
ПРИЛОЖЕНИЕ

Современное производство ЛА включает в себя большую номенклатуру деталей, выполняемых из листовых материалов таких как: нержавеющая сталь, титановые и алюминиевые сплавы, пластики и композиционные материалы и др. Эти детали имеют довольно сложную конфигурацию, а заготовки - различную толщину. Применение штамповки, как наиболее используемого ныне метода, требует предварительной подготовки соответствующей оснастки для каждой детали. Это соответственно требует существенных затрат денежных средств, времени и людских ресурсов. К тому же изделия сложной формы требуют дополнительной чистовой обработки после выполнения основных технологических операций. В результате длительность технологического процесса производства таких деталей весьма велика, а сам процесс - дорог. Все это приводит к тому, что производство удорожается и предприятие, пренебрегающее прогрессивными технологиями, становится неконкурентноспособным.
В последнее время в опытном и серийном производствах широкое распространение получила лазерная обработка и резка деталей. Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет обрабатывать практически любые металлы и сплавы независимо от их механических и теплофизических свойств. При этом можно получать узкие разрезы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал, возникающие термические деформации, как в процессе резки, так и остаточные после полного остывания, минимальны. Вследствие этого можно изготавливать плоские детали с высокой степенью точности, в том числе из легкодеформируемых и нежестких заготовок. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Сравнительно простое управление лазерным лучом по-

Рассчитанные с учетом тепловых процессов зависимости коэффициента усиления лазера на чистом С02 от концентрации рабочего газа приведены на рис. 1.29, б для нескольких значений температуры стенок активного элемента. Форма кривых осталась практически той же, что и на рис. 1.29,а, однако оптимальные значения концентрации С02 по мере нагревания газа изменяются слабее и уменьшаются.
К0-103, см'1

1 1—і—IК0-1(Г, см’1
1,5
0,5

300 •
400
1 і
Ко-10 , см’’
0 1 2 3 4 Рсо2,гПа

8 12 НСО2,10'6см-3 0 1
б в
Рсо2,гПи
Рис. 1.29. Зависимость коэффициента усиления С02 - лазера от давления С02 в рабочей
смеси [24].
Приведенные зависимости находятся в хорошем качественном соответствии с результатами эксперимента, показанными на рис. 1.29,в. Эксперименты проводились при охлаждении разрядной трубки проточной ВОДОЙ (Тст = 290К) ИЛИ смесью ЭТИЛеНГЛИКОЛЯ С твердой углекислотой (Тст = 25 8К) при токе разряда 20 мА. При разных ТСт оптимальные давления наполнения трубки совпадали (следовательно, максимум коэффициента усиления в соответствии с расчетами для более нагретой трубки реализовался при меньших концентрациях С02 в приосевой области).
Расчеты и эксперименты соответствовали оптимальному току разряда. Варьируя интенсивность возбуждения, можно показать, что с ростом тока разряда в предположении чрезвычайно быстрого теплоотвода из объема активной среды инверсная населенность вначале растет и лишь при