RU2781187C1

RU2781187C1 - Method for automated cutting of quartz and silica fabrics by gas laser cutting

Info

Publication number: RU2781187C1
Application number: RU2022103310A
Authority: RU
Inventors: Станислав Анатольевич Койтов; Андрей Владимирович Новгородов; Павел Михайлович Терехов; Олег Павлович Щетников
Original assignee: Акционерное общество "Опытное конструкторское бюро "Новатор"
Filing date: 2022-02-09
Publication date: 2022-10-07

Abstract

FIELD: aviation and rocket technology.

SUBSTANCE: invention relates to a method for automated cutting of quartz and silica fabrics and can be used in aviation and rocket technology for cutting blanks from quartz and silica fabrics intended for the manufacture of an ablative heat-protective coating (HPC) and aerodynamic controls for high-speed rocket products. The method includes laying a fabric on a substrate and cutting with a gas-laser beam along a predetermined trajectory. Quartz and silica fabrics with a surface density of not more than 10 kg×m^-2 are taken as blanks. The fabric is fed automatically, and a lamella table equipped with a device for fixing and tensioning the fabric is used as a substrate. The workpieces are cut with a laser beam with the following parameters: power not more than 90 W and movement speed not more than 25 mm/s, which allow cutting the fabric in one pass with minimal melting of the edges of the workpiece.

EFFECT: increasing the accuracy of cutting and the quality of quartz and silica fabrics obtained by cutting.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к авиационной и ракетной технике и может быть использовано для раскроя заготовок из кварцевых и кремнеземных тканей, предназначенных для изготовления абляционного теплозащитного покрытия (ТЗП) и аэродинамических элементов управления высокоскоростных изделий ракетной техники.The invention relates to aviation and rocket technology and can be used for cutting blanks from quartz and silica fabrics intended for the manufacture of an ablative heat-protective coating (HPC) and aerodynamic controls for high-speed rocket products.

Особенностями предлагаемого способа является: возможность раскроя кварцевых и кремнеземных тканей с поверхностной плотностью до 10 кг×м^-2; автоматизация подачи ткани с одновременным раскроем, значительно снижающая длительность изготовления деталей, а также исключающая человеческий фактор; возможность получения заготовок с высокой точностью (до 0,01 мм) с контролируемым оплавлением краев кремнеземной ткани, исключающего деформирование геометрических размеров (кромки) и позволяющего изготавливать детали из кремнеземных тканей путем послойной укладки заготовок.The features of the proposed method are: the possibility of cutting quartz and silica fabrics with a surface density of up to 10 kg×m ^-2 ; automation of fabric supply with simultaneous cutting, which significantly reduces the duration of parts manufacturing, as well as eliminating the human factor; the possibility of obtaining workpieces with high accuracy (up to 0.01 mm) with controlled melting of the edges of the silica fabric, which excludes the deformation of geometric dimensions (edges) and makes it possible to manufacture parts from silica fabrics by layer-by-layer stacking of workpieces.

Известны аналогичные способы раскроя неметаллических тканых материалов.Similar methods are known for cutting non-metallic woven materials.

В статье авторов Н.В. Выморокова, И.Р. Полонской «Автоматизация процессов изготовления изделий и конструкций из ПКМ с использованием программного модуля «FIBERSIM» (см. Тезисы докладов XX Международной научно-технической конференции «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов», ГНЦ РФ ОАО «ОНПП «Технология», Обнинск, 2013, стр. 103) сообщается об автоматизированном раскрое неметаллических материалов на промышленном плоттере. Программа раскроя ткани представляет собой раскладку всех выкраиваемых элементов по длине и ширине рулона ткани. Трехкоординатный станок с механическим резцом производит раскрой ткани по заданной программе.In the article of the authors N.V. Vymorokova, I.R. Polonskaya "Automation of the processes of manufacturing products and structures from PCM using the FIBERSIM software module" (see Abstracts of the XX International Scientific and Technical Conference "Designs and Technologies for Obtaining Products from Non-Metallic Materials", State Scientific Center of the Russian Federation OAO ONPP Tekhnologiya, Obninsk, 2013, p. 103) reports on automated nesting of non-metallic materials on an industrial plotter. The fabric cutting program is a layout of all the elements to be cut along the length and width of the fabric roll. A three-axis machine with a mechanical cutter cuts fabric according to a given program.

Недостатком известного способа является деформация кромки заготовки во время раскроя малогабаритных заготовок и заготовок со сложной геометрией. Деформация кромки может привести к дальнейшему «разлохмачиванию» заготовки во время логистики или при производстве конечной детали. Кроме того, данный способ не позволяет производить раскрой заготовок сложной геометрии из кварцевых и кремнеземных тканей с поверхностной плотностью от 4 до 10 кг×м^-2.The disadvantage of this method is the deformation of the edge of the workpiece during the cutting of small workpieces and workpieces with complex geometry. Edge distortion can lead to further “fraying” of the workpiece during logistics or production of the final part. In addition, this method does not allow cutting workpieces of complex geometry from quartz and silica fabrics with a surface density of 4 to 10 kg×m ^-2 .

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Способ лазерной резки тонколистового углепластика», описанный в патенте № RU 2 689 346 (МПК B23K 26/382; B23K 26/14, опубл. 27.05.2019 Бюл. №15), принимаем его за прототип. В данном случае описывается способ газолазерной резки тонколистового углепластика, включающий укладку заготовки углепластика на подложку-трафарет с вырезанным контуром детали, подачу соосно с лазерным пучком технологического газа и перемещение луча по заданной траектории, отличающийся тем, что лазерный луч подают импульсами с частотой 100-5000 Гц и скважностью импульсов 3,0-1,25, при этом контур детали выполняют с перемычками. Технический результат известного изобретения заключается в обеспечении заданной точности обработки при минимальном дефекте кромки реза (минимальной зоне термического влияния).The closest in technical essence and the achieved result is the "Method of laser cutting of thin-sheet carbon fiber" described in patent No. RU 2 689 346 (IPC B23K 26/382; B23K 26/14, publ. 27.05.2019 Bull. No. 15), we accept it for the prototype. In this case, a method for gas-laser cutting of thin-sheet carbon fiber is described, which includes laying a carbon fiber blank on a substrate-stencil with a cut-out contour of the part, supplying process gas coaxially with the laser beam and moving the beam along a given trajectory, characterized in that the laser beam is supplied with pulses with a frequency of 100-5000 Hz and a pulse duty cycle of 3.0-1.25, while the contour of the part is performed with jumpers. The technical result of the well-known invention is to provide a given processing accuracy with a minimum cut edge defect (minimum heat-affected zone).

Однако, раскрой кварцевых и кремнеземных тканей данным способом будет неизбежно приводить к значительному оплавлению краев, ввиду более низких температур плавления (по сравнению с углеволокном). Оплавление краев ткани не позволит изготовить детали (аэродинамические элементы управления) послойным набором заготовок с требуемой точностью по толщине.However, cutting quartz and silica fabrics in this way will inevitably lead to significant edge melting due to lower melting temperatures (compared to carbon fiber). Melting of the edges of the fabric will not allow to produce parts (aerodynamic controls) with a layered set of blanks with the required accuracy in thickness.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключается в повышении точности и качества раскроя за счет контролируемого оплавления краев кремнеземной ткани, исключающего деформирование геометрических размеров (кромки).The technical problem to be solved by the claimed invention is to improve the accuracy and quality of cutting due to controlled melting of the edges of the silica fabric, which excludes deformation of geometric dimensions (edges).

Предлагаемый способ позволяет кроить малогабаритные заготовки и заготовки со сложной геометрией из кварцевых и кремнеземных тканей с поверхностной плотностью до 10 кг×м^-2 с контролируемым оплавлением краев, допускающий, в том числе, изготовить детали (аэродинамические элементы управления) послойным набором заготовок с требуемой точностью по толщине.The proposed method allows cutting small-sized workpieces and workpieces with complex geometry from quartz and silica fabrics with a surface density of up to 10 kg×m ^-2 with controlled melting of the edges, which allows, among other things, to manufacture parts (aerodynamic controls) in a layered set of workpieces with the required accuracy by thickness.

Способ автоматизированного раскроя кварцевых и кремнеземных тканей методом газолазерной резки поясняется чертежом на фиг. 1, где 1 - устройство размотки ткани с двигателем, 2 - ламелевый стол, 3 - устройство фиксации (по типу рамка с прижимными валиками), 4 - газовый лазер СО₂ - N₂ - Не (с трехфазными шаговыми двигателями, ременным редуктором и индуктивными датчиками).The method for automated cutting of quartz and silica fabrics by gas-laser cutting is illustrated in the drawing in Fig. 1, where 1 is a fabric unwinder with a motor, 2 is a lamella table, 3 is a fixation device (like a frame with pressure rollers), 4 is a gas laser CO ₂ - N ₂ - He (with three-phase stepper motors, a belt reducer and inductive sensors).

Заявляемый способ автоматизированного раскроя кварцевых и кремнеземных тканей методом газолазерной резки осуществляется следующим образом (см. фиг. 1):The inventive method for automated cutting of quartz and silica fabrics by gas laser cutting is carried out as follows (see Fig. 1):

Кварцевая или кремнеземная ткань из рулона автоматизированным способом через устройство размотки ткани с двигателем 1 подается в рабочую зону лазерного пучка на поверхность ламелевого стола 2, который снижает возможность возникновения дефектов на материале при резке за счет уменьшения площади соприкосновения с тканью, а также отражения лазерного пучка. Ткань в рабочей зоне лазера фиксикуется прижимными валиками 3. Производится выкройка заготовок с помощью лазерного пучка 4 мощностью до 90 Вт и скоростью перемещения до 25 мм/с, позволяющими вырезать заготовку из ткани за один проход луча с оплавлением краев, не приводящим к утолщению готовой детали.Quartz or silica fabric from a roll is automatically fed through a fabric unwinder with a motor 1 into the working area of the laser beam on the surface of the lamella table 2, which reduces the possibility of defects on the material during cutting by reducing the area of contact with the fabric, as well as the reflection of the laser beam. The fabric in the working area of the laser is fixed by pressure rollers 3. The blanks are patterned using a laser beam 4 with a power of up to 90 W and a movement speed of up to 25 mm/s, which makes it possible to cut the blank from the fabric in one beam pass with melting of the edges, which does not lead to thickening of the finished part .

Мощность лазерного пучка свыше 90 Вт приведет к значительному неконтролируемому анизотропному оплавлению краев вырезанных заготовок, а скорость перемещения лазерного пучка свыше 25 мм/с потребует более одного прохода лазерного пучка для разреза всей толщины ткани с поверхностной плотностью до 10 кг×м^-2, что увеличит длительность раскроя.A laser beam power above 90 W will lead to significant uncontrolled anisotropic melting of the edges of the cut blanks, and a laser beam speed above 25 mm/s will require more than one pass of the laser beam to cut the entire thickness of tissue with a surface density of up to 10 kg×m ^-2 , which will increase cutting duration.

Особенностями предлагаемого способа являются:The features of the proposed method are:

1. Автоматизированная система подачи ткани в рабочую зону лазерного пучка, что позволяет кроить ткани в объемах промышленного производства.1. An automated system for feeding fabric into the working area of the laser beam, which makes it possible to cut fabrics in industrial production volumes.

2. Ламелевый стол снижает вероятность появления дефектов в зоне реза заготовок.2. Lamellar table reduces the likelihood of defects in the cutting area of workpieces.

3. Система фиксации (натяжения) позволяет удерживать ткань в рабочей зоне лазерного пучка, а также исключить сдвиг ткани и, как следствие, деформацию кромки заготовки.3. The system of fixation (tension) allows you to keep the fabric in the working area of the laser beam, as well as to exclude tissue shift and, as a result, deformation of the workpiece edge.

4. Лазерный пучок мощностью до 90 Вт и скоростью перемещения до 25 мм/с позволяет кроить заготовки из кварцевых и кремнеземных тканей с поверхностной плотностью до 10 кг×м^-2 с контролируемым оплавлением краев.4. A laser beam with a power of up to 90 W and a travel speed of up to 25 mm/s makes it possible to cut blanks from quartz and silica fabrics with a surface density of up to 10 kg×m ^-2 with controlled edge melting.

Таким образом, заявляемый способ автоматизированного раскроя кварцевых и кремнеземных тканей методом газолазерной резки позволяет увеличить скорость выполнения операции выкройки заготовок из кварцевых и кремнеземных тканей, повысить качество выкраиваемых заготовок, значительно сократить трудоемкость процесса, обладает новизной и промышленной применимостью.Thus, the claimed method of automated cutting of quartz and silica fabrics by gas-laser cutting allows to increase the speed of the operation of cutting blanks from quartz and silica fabrics, improve the quality of cut blanks, significantly reduce the labor intensity of the process, has novelty and industrial applicability.

Claims

A method for automated cutting of quartz and silica fabrics by gas-laser cutting, including laying fabric on a substrate and cutting with a gas-laser beam along a given trajectory, characterized in that quartz and silica fabrics with a surface density of not more than 10 kg×m ^-2 are taken as fabric blanks, with in this case, a lamella table with a tissue fixation device is used as a substrate, and the tissue is fed automatically, and cutting is carried out with a laser beam with a power of not more than 90 W and a movement speed of not more than 25 mm/s, while cutting the fabric is performed in one pass with controlled melting of the edges blanks.