Способ резки стеклянных трубок и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК C03B33/06 

Изобретение относится к обработке стекла, в частности к способам разделения стеклянных трубок малого диаметра, и может быть использовано в стекольной, светотехнической, электротехнической, электронной и радиотехнической промышленности.

Известен способ резки стеклянных трубок, включающий механическое нанесение дефекта на поверхность трубки (риски) по линии реза и последующий нагрев полосы реза лазерным лучом.

Однако этот способ наиболее пригоден для разделения трубок диаметром свыше 10 мм и характеризуется низкой производительностью, обусловленной необходимостью использования малых мощностей пучка для исключения размягчения стекла,

а также наличием большого количества подготовительных операций перед непосредственным разделением каждой трубки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ лазерной резки стеклянных трубок малого диаметра, включающий нанесение риски механическим пу-тем, нагрев полосы лазерным лучом при вращении трубок относительно лазерного луча с одновременным перемещением вдоль него и последующим охлаждением линии реза. Благодаря применению такого приема, как одновременный нагрев нескольких трубок малого диаметра стало возможным повысить производительность

процесса разделения стеклянных трубок.

XI 00

Ј

сл ю о

Однако способ резки стеклянных трубок малого диаметра с предварительным механическим нанесением риски на холодную поверхность трубок не обеспечивает гарантированного качества разделения. Механическое нанесение риски требует применения дорогостоящего особопрочно- го режущего инструмента (чаще всего алмазного). В процессе обработки трубок неизбежно происходит затупление инструмента. Трудность фиксации момента затуп- инструмента приводит4 к выпуску бракованной продукции. Замена режущего инструмента новым снижает производительность процесса и увеличивает затраты рабочего времени

Таким образом, основным недостатком известного с пособа резки стеклянных трубок является негарантированное качество реза и, следовательно, снижение выхода годной продукции

Целью изобретения является увеличение выхода годной продукции и улучшение качества.

На чертеже показан общий вид устройства для резки стеклянных трубок.

В состав устройства входит лазер 1, оптическая система 2 разделения пучка на два канала 3 и 4 - оптические элементы преобразования одного из полученных разделением пучков в полосовой пучок (например, сферическая и цилиндрическая линза) 5 - элемент фокусировки второго полученного пучка (например, сферическая фокусирующая линза), основание б, на котором перемещаются обрабатываемые трубки 7, 8 и 9 - два лазерных сфокусированных пучка, предназначенных для нагревания узкой полосы по направлению реза 8 и нанесения риски 9 и узел 10 охлаждения трубок, например влажная губка

Способ осуществляется следующим образом.

Трубки малого диаметра 7 перемещают с одновременным вращением по основанию 6 таким образом что они попадают в зону действия лазерного пучка 8, нагревающего полосу вдоль линии разделения, а затем в .зону второго, сфокусированного в пятно малых размеров лазерного пучка 9 Здесь лазерный луч разрушает часть толщи трубки с поверхности и наносит риску. Разрушение материала производится в режиме непрерывной устойчивой деструкции (скрайбирования) Для этого скорость перемещения трубки под лучом должна быть близка к скорости деструкции материала Преимущественный характер разрушения материала - деструкция за счет испарения материала. После нанесения риски происходит разделение трубки путем охлаждения нагретой зоны в узле 10 Температурное поле вблизи образовавшейся риски, полученной при лазерном воздействии

непосредственно перед охлаждением, создает в ходе охлаждения добавочные по сравнению с прототипом термические напряжения растяжения, локализованные непосредственно в самом ослабленном месте

трубки Эти добавочные напряжения гарантируют надежное разделение по линии риски

Пример. Исходным параметром для расчетов роторной установки тремораскола

является технологическая производительность установки разделения, которая принималась равной шт/с Эта производительность обеспечивает, с учетом потерь времени на загрузку и соответствуюидем коэффициенте использования установки по времени ki 0,2, сменную производительность N 5 6 105 шт Время цикла нагрева-охлаждения кольцевой зоны принимаем равным Тц 1 с С учетом коэффициенга заполн ен ия окружности ротора барабана, по которой перемещаются и вращаются трубки, k2 0,5 диаметр барабана D 2Rin(k2T4 л) мм для трубок диаметром 2Ri 3 мм Для обеспечения равномерности нагрева кольцевой зоны скорость вращения трубок вокруг своей оси принимаем равной 300 об/мин Зона охлаждения и позиционирования трубок при этом должна составлять не менее кз тпа 0,2

части окружности барабана или не менее 72° по ее окружности. Время нагрева кольцевой зоны при этом т тц (1-кз) 0,8 с.

Нагрев кольцевой зоны должен обеспечить достижение высокой температуры поверхности трубки Однако для предотвращения релаксации полезных в данном случае термических напряжений температура размягчения не должна достигаться в зоне нагрева Температура начала размягчения

стекла определяется маркой стекла и в нашем случае она может быть принята равной Тр 650°С Максимально допустимую температуру стекла принимаем равной Тт 300°С Это требование и полагаем в основу

расчета процесса обработки и выбора лазера для нагрева Учтем высокую скорость вращения трубок вокруг собственной оси, малое время нагрева г и относительно большую толщину стенки трубки &R 0,5«м«

5 Va г 0 5 мм, где .0034 см2/с - температуропроводность стекла Тогда задача нагрева полупространства поверхностным источником в виде полосы заданной ширины 2Ь Оценку минимальной ширины полосы 2Ь получим в предположении использования фокусирующей системы в виде совме- щенных на общей оптической оси фокусирующего объектива и конического отражательного зеркала. Для фокусного расстояния объектива + 100 мм 200 мм, ширина перетяжки (ширина полосы сфокусированного излучения) в такой системе 2Ь 0,5 мм. Средняя поглощательная способность на поверхности облученной трубки при нормальном падении излучения составляет rf 0,8 и средняя интенсивность поглощения мощности на каждой трубке равна

q Рл г)/( 4 я Db),

где Рл - мощность лазерного пучка.

Здесь учтено, что облучение трубки происходит с одной стороны. Распределение температурного поля на поверхности полупространства Z SO в момент времени г при нагреве его поверхностным полосовым источником с удельной мощностью q дается выражением:

T LbjЈ. L2b(r)-l (яг )

,Е, Г 1Ь+хЈ-|b x

. L 4b2r J 2Ь(ят )

,Е,г.1ЦхЈ-|.

L 4 b2 T J

где Я- коэффициент теплопроводности материала;

Ei(y) - интегральная показательная функция;

Ф (у) - функция ошибок;

r/b - безразмерное время.

Используя закономерность изменения температуры поверхности полупространства при линейном потоке тепла на поверхность

t

Ti 2q(ar/7r)/A.

получаем плотность мощности q для заданного времени т и для максимальной температуры (на середине полосы), равной Tm. a затем определяется мощность лазера. Расчеты проводились при следующих теплофи- зических параметрах стекла коэффициент

теплопроводности Я 0,74 Вт/м- (рад, удельная теплоемкость С 0,88 10 Дж/кгтрад, плотность р 2,5-Ю3 кг/м3 температуропроводность а 3,36 м2/с 5 Для длительности цикла нагреза ,8 с мощность лазера составляет менее 68 Вт Таким образом, в качестве источника лазерного излучения в установке для прецизионного разделения стеклянных трубок

0 выбираем С02 - лазер типа 1/1ЛГН-709 с номинальной мощностью Рл 80 Вт

Пример. Производят разделение стеклянных трубок (2-4 мм) на макете установки, состоящем из лазера ИЛГН-709, бло5 ка разделения пучка, блока фокусировки излучения и механического устройства для обеспечения одновременного поступательного перемещения и вращения-стеклянных заготовок вокруг оси. Образцы подвергают

0 действию лазерного излучения с полосовым разделением интенсивности по окружности трубок. Интенсивность излучения в полосовом пятне излучения при этом составляла 22 Вт/см при длительности нагрева трубок,

5 равной 0,6 1 с. Фокусировку излучения лазера для нанесения риски производят лин1- зой из KCI с фокусным расстоянием 200 мм. Отбор требуемой для нанесения риски части мощности пучка проводят путем использо0 вания плоского поворотного зеркала диаметром 0,46 см. Уровень отводимой мощности измеряют на измерителе ИМО- 2Н и составил 12 Вт от общих 80 Вт. При скорости вращения заготовок 5 об/с и ско5 рости поступательного перемещения заготовок 600 мм/с на поверхности трубок образуют риски длиной 2,5-3 мм, шириной 0,СЗ мм и глубиной 0,04 мм. Дальнейший контакт трубок со смачиваемым шнуром из

0 асбестового волокна проводили к спонтанному разделению трубок по линии риски без образования сколов и трещин на торцах трубок. Производительность процесса 100 шт/с

5 Использование способа лазерной резки стеклянных трубок малого диаметра позволяет улучшить качество получаемой поверхности и повысить производительность процесса за счет увеличения выхода годной

0 продукции. Экономический эффект определяется увеличением выхода годной продукции с 80. .85% до 95...98% и исключением расхода режущего (алмазного) инструмента Формула изобретения

51, Способ резки стеклянных трубок,

включающий нанесение риски, нагрев полосы вдоль по окружности трубок лазерным лучом с одновременным вращением трубок и их перемещением относительно лазерного луча и последующее резкое охлаждение линии реза, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода годной продукции и улучшения качества, нанесение риски производят лазерным излучением в режиме скрайбирования после нагрева полосы вдоль окружности трубок.

2. Устройство для резки стеклянных трубок, включающее лазер, блок позиционирования и перемещения трубок, узел

0

охлаждения и оптическую систему преобразования лазерного пучка в полосу, отличающееся тем, что. с целью увеличения выхода годной продукции и улучшения качества, оно снабжено блоком разделения пучка на два канала и оптической системой преобразования лазерного пучка в пятно малых размеров, причем оптические оси двух оптических систем располагают в одной плоскости, совпадающей с плоскостью предполагаемого разделения трубок.

Сущность изобретения. Способ резки стеклянных трубок включает нанесение риски, нагрев полосы вдоль по окружности трубок лазерным лучом с одновременным вращением трубок и их перемещением относительно лазерного луча и последующее резкое охлаждение линии реза. Нанесение риски производят лазерным излучением в режиме скрайбирования после нагрева полосы вдоль окружности трубок. Устройство для резки стеклянных трубок включает лазер, блок позиционирования и перемещения трубок, узел охлаждения и оптическую систему преобразования лазерного пучка в полосу. Устройство также снабжено блоком разделения пучка на два канала и оптической системой преобразования лазерного пучка в пятно малых размеров. Оптические оси двух оптических систем располагают в одной плоскости, совпадающей с плоскостью предполагаемого разделения трубок 2 с.п.ф-лы, 1 ил, (/ С

экран