Обзор станков для лазерной обработки металла

Практическим воплощением достижений академической физики является лазерная обработка металла. Открытый во второй половине двадцатого века квантовый генератор, или лазер, представляет собой источник монохроматического когерентного света и является удивительным оптическим прибором, который лавинообразно генерирует фотоны, с одинаковой  энергией, направленностью движения и поляризацией, т.е. излучает узконаправленный световой луч высокой мощности.

Физики и инженеры сразу же оценили это открытие по достоинству, и уже в 1962 году, почти сразу после испытания первого лабораторного квантового генератора, были разработаны и предложены рынку коммерческие лазеры фирмы «Спектра физикс» (США). Это время настоящей революции в лазерной технологии, в результате которой были созданы и теперь успешно используются множество модификаций и типов лазеров: от самых маленьких, размером в несколько микрон, до гиганта «Нова» в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в США, длиной 137 м и суммарной мощностью в 1014 Вт. Лазерная техника проникла во все научные и производственные области и, более востребована в металлообработке.

Лазер стал высокоэффективным инструментом в станках, благодаря уникальным свойствам: высокой мощности излучения (до 108-109 Вт/см2 в непрерывном режиме и до 1016-1017 Вт/см2 в импульсном) на локальном участке обработки, позволяющим  мгновенно нагревать (прожигать) и охлаждать металл, не подвергая тепловой деформации всю заготовку. Удаление продуктов сгорания из зоны резки осуществляется продувкой кислородом, воздухом, азотом или другим технологическим газом. Кроме того, лазерный луч – легко управляем, т.е. органично вписывается в автоматизированные системы.

В 70-80 годы XX века лазер стал успешно применяться в сварке, наплавке, маркировке, закалке, в резке металлов при  изготовлении таких деталей, как прокладки, кронштейны, панели, приборные щитки, двери, декоративные решетки, дисковые пилы.

После появления кинематическисложных  роботов-манипуляторов и гибких оптоэлектронных лучепроводов лазерная обработка металлов получила «второе дыхание», т.е. стала применяться при  резке пространственных металлоизделий.  Лазерное оборудование, применяемое при резке, классифицируют по источникам излучения и выходной мощности, которая в свою очередь определяет материал обработки. Так, для обработки черных металлов и нержавеющей стали применяют твердотельные (на гранате с неодимом  Nd:YAG) квазинепрерывные и импульсно–периодические источники лазерного излучения с выходной мощностью 100-300 Вт; в то же время для обработки легированных сталей и некоторых видов сплавов (впрочем, и для черных металлов тоже) используют газовые непрерывные СО2 лазеры с выходной мощностью до 2500 Вт.

Как правило, современное оборудование для лазерной резки металла состоит из: 

Огромные мощности излучения приводят к перегреву лазера, поэтому для его охлаждения используют двухконтурные водяные системы, либо холодильные компрессоры на фреоне. Источники питания лазера подбирают, исходя из решаемых технологических задач – трансформаторные или импульсные. Там, где нужна надежность, используют трансформаторные схемы; при минимизации лазерных установок применяют импульсные.

Современные координатные столы являются высокоточным оборудованием и, как правило, базируются на портальной схеме («летающей оптике»), где неподвижная металлическая заготовка режется  перемещаемым лазерным лучом. Есть и другие схемы.  Так, при резке   Nd:YAG - лазерами  луч перемещается по одной координате, а стол с листовым материалом, по другой.

Управление координатным станком осуществляется промышленным компьютером и, кроме аппаратных устройств – приводов, датчиков и т.д., –  включает пакет следующих  файлов:

В режимах лазерной резки используют разный технологический газ, например, для щадящей  резки черного металла используют кислород (газолазерная резка), а для нержавеющей стали – поток инертного газа, обычно азота. Для удаления газообразных и аэрозольных продуктов распада, возникающих при прожигании металлического листа, применяют вентиляцию, которую создает специальное устройство, являющееся неотъемлемой частью всех промышленных комплексов лазерной обработки. 

Одним из методов, альтернативных «летающей оптике», является применение деформируемых зеркал, сочетающих преимущество стационарной и «портальной» схемы. Лазерный луч дважды меняет траекторию, отражаясь в комплексе зеркал с управляемой формой поверхностью, прежде чем достичь обрабатываемой заготовки. Явным преимуществом метода является отсутствие сложной механики; к недостаткам следует отнести сложность в управлении поверхности зеркал.

Несмотря на общность исходных идей, подходов и принципов, используемых в оборудованиях для лазерной резки металлов, станкостроительные фирмы стараются производить оригинальную технику, чтобы не оказаться в аутсайдерах данного, весьма перспективного сегмента рынка – металлообработки. Остановимся на лидерах, чьи станки получили широкое распространение.

Немецкая фирма  Trumpf, известна  своими станками Trumatic 600L и Trumatic L3030, на которых используется принцип «летающей оптики». На этих станках всё сделано с немецким педантизмом: безупречные СО2 лазеры фирмы FANUC (Германия) обеспечат качество резки на самом высоком уровне; стол укомплектован направляющими, изготовленными с филигранной точностью; привод осуществляется пошаговыми одномоментными двигателями и зубчатыми ремнями, что в совокупности с лазерными датчиками контроля положения гарантируют идеальное позиционирование лазерной головки; пневматика, управляемая компьютером, автоматизирует подачу и выгрузку стальных листов.

Технологические комплексы лазерной резки компании Tecnology Italiano FPL TRADE претендуют на универсальность выполняемых задач и, в зависимости от комплектации,  оснащаются лазером мощностью 1000, 2000 или 4000 Ватт. Однако, в отличие от большинства технических собратьев, объединенных принципом «летающей оптики», лазеры в станках Tecnology Italiano FPL TRADE закреплены неподвижно. Получается генерированное стабильное излучение, а это сказывается на безупречном качестве разреза. Координатный стол вместе с заготовкой обладает внушительным весом и крепиться на специальной (без остаточных напряжений в конструкции) массивной раме. Управляется  он мощными и сложными приводами. Поэтому данное оборудование скорее ориентированно на растровую гравировку или на раскрой единичных или небольших партий особо сложных изделий.

Среди японских станкостроителей, традиционно лидирующих в металлообработке, следует выделить станки группы фирмы Ymazaki Mazak, которые способны осуществлять лазерную резку объемных конструкций – труб различного диаметра, сложных коробов и др. с различной толщиной до 25 мм. Оборудование комплектуется системами автоматической подачи и выгрузки изделий, т.е. может использоваться в конвейерной обработке. Интересен в этом плане  автоматизированный комплекс Fabric Gear, предназначенный для лазерной резки профилей различного сечений: круглого, квадратного, прямоугольного, треугольного, и других видов. Безусловно, он относится к металлообрабатывающим центрам последнего поколения, поскольку оснащен системой искусственного интеллекта и дополнительным инструментом, позволяющие обрабатывать особо сложные объемные изделий в автоматическом режиме. Эта компания производит свои станки на шести заводах в Японии, США, Англии и Сингапуре.

Среди других фирм интересными в этой области являются Bystronic (Швейцарская машиностроительная группа; AMADA (Япония);  SALVAGNINI (Италия); LVD (Бельгия).

Из отечественных производителей оборудования для лазерной резки металла следует выделить продукцию ЗАО ТехноЛазер ( Московская область, г.Шатура) которая  выпускает станки для лазерной резки листовых материалов на базе технологических СО2-лазеров мощностью от 700 до 5000 Вт и 2-x координатных столов, оснащенных палеттой – загрузочным устройством, основной функцией которого является доставка заготовки в технологическое пространство лазерной резки. К явному недостатку относится ручной режим работы палетты. Перемещение лазерной головки стандартное, портального типа  и, осуществляется исполнительными механизмами (двигатель, редуктор, ведущая шестерня) путем перемещения  двух продольных ферм, соединенных поперечными балками.

Координатный стол на лазерных станках ТехноЛазер

Лазерные технологии ( в том числе и лазерная резка металла), безусловно, находятся в самом начале своей эволюции и будут совершенствоваться за счет внедрения новых экономичных и сверхмощных лазеров, светопроводов, схем  доставки к заготовке и других новшеств.