5 / 13
Экспериментальная оценка режимов размерной обработки углепластиков…
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2017. № 1
77
Выбор модели лазера и оптической системы был обусловлен необходимостью
обеспечения высокой плотности мощности в сфокусированном пятне излучения и
короткого времени взаимодействия лазерного излучения с веществом для сниже-
ния эффекта накопления теплоты в материале. Так, в работе [6] показано, что для
уменьшения ширины ЗТВ до менее 100 мкм необходимо иметь плотность мощно-
сти лазерного излучения не менее 10
8
Вт/см
2
, в [7] приводится оценка пороговой
плотности мощности
q
пор
, необходимой для импульсного нагрева поверхности до
температуры испарения
Т
и
(см. табл. 2), по формуле
и н
пор
имп
,
2
T T
q
A
(1)
где
T
н
— начальная температура материала;
— теплопроводность углеродного
волокна;
А
— коэффициент поглощения излучения АВН; χ — коэффициент
температуропроводности АВН; τ — длительность импульса излучения. Расчет
показал, что с учетом параметров источника излучения (см. табл. 1) необходимо
обеспечить уровень плотности мощности не менее 10
7
Вт/см
2
.
Диаметр сфокусированного пятна излучения обеспечиваемый эксперимен-
тальной установкой, определяется по формуле [8]:
2
4
,
d
M f
D
(2)
где
= 1,06 мкм — длина волны падающего излучения;
D
= 7,8 мм — диаметр
коллимированного пучка по уровню 1/
e
2
;
M
2
= 1,76 — параметр качества пучка;
f
= 100 мм — фокусное расстояние объектива. При этом глубина фокуса (длина
перетяжки) составляет
2
2
.
4
d z
(3)
В результате получаем:
d
= 30 мкм, 2
z
= 1,4 мм.
Плотность мощности излучения в фокусе можно найти как
ср
имп
имп имп
,
P
W
f
S
(4)
где
P
ср
— средняя мощность лазерного излучения;
f
имп
— частота следования
импульсов; τ
имп
— длительность импульсов;
S
— площадь сфокусированного
пятна. Расчет показал, что во всех режимах работы лазера плотность мощности
находится на уровне 10
9
Вт/см
2
. Такой плотности мощности излучения, обеспе-
чиваемой экспериментальной установкой, достаточно для высококачественной
обработки углепластиков.
Методика оценки качества обработки.
Факторы, определяющие качество
детали из ВПКМ при лазерной обработке, делятся на три категории [2, 9]. На
рис. 3 приведено их описание.