В условиях высокоточной обработки пикосекундными лазерными маркировочными машинами выбор материала основания, как основного несущего компонента оборудования, напрямую определяет стабильность точности обработки. Гранит и чугун являются двумя распространёнными материалами для изготовления основания. В данной статье будет проведено сравнение по таким аспектам, как физические свойства, принцип прецизионного затухания и данные практического применения, что обеспечит научную основу для модернизации оборудования.
I. Различия в свойствах материалов: логика, лежащая в основе точности работы
Гранит – это природная магматическая горная порода, образованная в результате тесной кристаллизации таких минералов, как кварц и полевой шпат. Он характеризуется плотной структурой и высокой твёрдостью. Его плотность обычно составляет от 2,7 до 3,1 г/см³, а коэффициент теплового расширения чрезвычайно низок, приблизительно (4-8) × 10⁻⁶/℃, что позволяет эффективно противостоять влиянию температурных изменений на точность работы оборудования. Кроме того, уникальная микроструктура гранита наделяет его превосходными демпфирующими свойствами, позволяя ему быстро поглощать энергию внешних вибраций и снижать их влияние на точность обработки.
Чугун, как традиционный промышленный материал, имеет плотность около 7,86 г/см³, относительно высокую прочность на сжатие, но является горячим
Коэффициент расширения (примерно 12×10⁻⁶/℃) в 1,5–3 раза выше, чем у гранита. Кроме того, внутри чугуна присутствуют пластинчатые структуры графита. При длительной эксплуатации эти структуры могут привести к концентрации напряжений, что влияет на стабильность материала и, как следствие, к снижению точности.
II. Механизм прецизионного затухания при обработке на пикосекундном уровне
Пикосекундная лазерная обработка предъявляет чрезвычайно высокие требования к стабильности окружающей среды. Любая незначительная деформация исходного материала будет существенно влиять на результат обработки. Температурные колебания, вибрации, возникающие при работе оборудования, усталость при длительной нагрузке и т. д. — всё это ключевые факторы, приводящие к снижению точности.
При изменении температуры размеры гранита незначительно меняются из-за его низкого коэффициента теплового расширения. Относительно высокий коэффициент теплового расширения чугуна приводит к деформации основания, которую трудно обнаружить невооруженным глазом. Эта деформация напрямую влияет на стабильность оптического пути лазера и приводит к смещению положения маркировки. Что касается вибрации, высокая демпфирующая способность гранита позволяет гасить вибрацию частотой 100 Гц в течение 0,12 секунды, в то время как чугуну требуется 0,9 секунды. В условиях высокочастотной вибрации точность обработки оборудования с чугунным основанием более подвержена колебаниям.
III. Сравнение данных о прецизионном затухании
Согласно испытаниям, проведенным профессиональными организациями, при непрерывной 8-часовой работе пикосекундного лазера погрешность позиционирования оборудования с гранитным основанием по осям XY составляет ±0,5 мкм. Погрешность точности оборудования с чугунным основанием достигает ±3 мкм, что является существенным различием. В условиях имитации температурного изменения на 5°C погрешность термодеформации оборудования с гранитным основанием составляет всего +0,8 мкм, в то время как для оборудования с чугунным основанием она достигает +12 мкм.
Более того, с точки зрения долгосрочного использования, вероятность ошибки в оценке гранитных оснований составляет всего 0,03%, в то время как вероятность ошибки в оценке чугунных оснований достигает 0,5% из-за проблем со структурной устойчивостью. Эти данные убедительно демонстрируют, что в условиях высокой точности пикосекундной обработки преимущество гранитных оснований в плане устойчивости является значительным.
IV. Предложения по модернизации и практическое применение
Для предприятий, стремящихся к максимальной точности обработки, замена чугунного основания на гранитное является эффективным способом повышения производительности оборудования. В процессе модернизации следует уделять внимание точности обработки гранитного основания, чтобы обеспечить соответствие плоскостности поверхности проектным требованиям. Кроме того, в сочетании со вспомогательными устройствами, такими как система виброизоляции с воздушной флотацией, можно дополнительно оптимизировать виброизоляционные характеристики оборудования.
В настоящее время в таких отраслях, как производство полупроводниковых кристаллов и прецизионная обработка оптических компонентов, широко применяются лазерные маркировочные станки с гранитным основанием, что значительно повышает выход продукции и эффективность производства. Например, после модернизации оборудования с чугунным основанием одним из производителей оптических компонентов точность обработки продукции увеличилась с 82% до 97%, а эффективность производства значительно возросла.
В заключение следует отметить, что гранит, обладающий превосходной термостойкостью, высокими демпфирующими свойствами и способностью сохранять точность в течение длительного времени, стал идеальным выбором для модернизации пикосекундных лазерных маркираторов, превосходящим чугун. Предприятия могут разумно выбирать базовые материалы, исходя из своих технологических требований и бюджета, для комплексной модернизации оборудования.
Время публикации: 19 мая 2025 г.