Точность лазерной резки листа: допуски, заусенцы, конусность и класс по ISO 9013

Что реально держит лазер

Размеры контура на плоской развёртке лазер выдерживает лучше, чем любой следующий за ним процесс: гибка добавляет ±0,25–0,38 мм на каждый гиб, а резка остаётся в пределах десятых долей. Поставщики оборудования и сервисы называют близкие цифры. Protolabs в своём руководстве по допускам даёт ±0,13 мм для расстояния кромка — кромка и отверстие — отверстие на одной плоскости. Производитель листогибов и лазеров Durma приводит таблицу достижимых допусков для стали, и она хорошо ложится на практику цеха.

Это достижимые значения на хорошо обслуженном станке с чистой оптикой, а не гарантия каждой детали. В чертёж лучше писать с запасом: ±0,1 мм для тонкого листа, ±0,2 мм для 6–10 мм и ±0,3–0,5 мм для толстого. Если допуски на размеры не указаны, действуют общие допуски по ГОСТ 30893.1: в классе точности m это ±0,2 мм для размеров 6–30 мм, ±0,3 мм для 30–120 мм и ±0,5 мм для 120–400 мм. Подробнее, откуда они берутся и как их проверять, написано в статье о контроле качества деталей после лазера.

Допуск на размер обычно проще выдержать, чем форму. Тонкий лист при частой перфорации и нагреве уходит в «пропеллер», и плоскостность детали портится раньше, чем размеры выходят за допуск. Если плоскостность важна, её нужно вписать в чертёж отдельно, пользуясь справочником допусков формы и расположения.

Ширина реза и поправка на контур

Луч удаляет полоску металла, которая и называется керфом. У волоконных станков на тонком листе это 0,1–0,3 мм, на толстом ширина больше. Станок движется по траектории, смещённой на половину этой ширины: наружный контур режут снаружи линии, отверстие изнутри. Это смещение задаёт технолог в программе, и конструктор его не считает.

На чертёж керф попадает в двух случаях. Первый: детали с посадкой «деталь в паз», где зазор в десятые доли миллиметра. Тогда на стороне цеха делают пробную вырезку и подгоняют поправку. Второй: DXF прислали уже с компенсацией, и цех второй раз её не вносит. Поэтому в файле контур делают по чертёжным размерам без смещений, а подробности есть в статье о требованиях к DXF.

Класс реза по ISO 9013

Стандарт ISO 9013 описывает геометрические характеристики и допуски качества термических резов: газокислородных, плазменных и лазерных. Для лазера он распространяется на толщины от 0,5 до 32 мм. Качество кромки оценивают двумя параметрами.

Второй параметр, Rz5, это средняя высота профиля на длине кромки: по сути шероховатость от борозд на стенке реза. У него четыре диапазона. Стандарт определяет и допуски на сами размеры с классами 1 и 2. Допуск каждого диапазона не постоянная величина, а функция толщины листа: чем лист толще, тем шире допуск и по углу, и по шероховатости. Числовые формулы в открытых источниках не публикуются, они в самом стандарте, поэтому здесь мы их не приводим. Производители сообщают, что волоконный лазер на тонком и среднем листе обычно укладывается в диапазоны 1 и 2, а на нержавейке до 6 мм и углеродистой стали до 12 мм это достигается при тщательно подобранных режимах.

Практический вывод для чертежа: просить диапазон 1 имеет смысл, только если без него не работает конструкция (кромка под сварку без разделки, посадочная кромка). В остальных случаях пишут «класс по ISO 9013, диапазон 3» или не пишут ничего, опираясь на то, что цех режет по своим настройкам. Тонкий лист в диапазон 1 вписывается без усилий, а на 20 мм цеху придётся снижать скорость.

Конусность

Луч расходится, и ширина реза сверху шире, чем снизу. На тонком листе разницы почти не видно, на толстом кромка получается наклонной, а отверстие коническим. У отверстий диаметр на входе луча чуть больше, чем на выходе. Угол наклона определяют фокус, мощность и газ: если фокус дрейфует, видны разные ширины реза сверху и снизу.

Конусность проверяют угольником и щупом: зазор под приложенным к кромке угольником, делённый на толщину, даёт тангенс угла. Для иллюстрации: на листе 10 мм зазор 0,3 мм означает наклон около 1,7°. Это не типичное значение, а пример перевода миллиметров в градусы. Если деталь вставляется в паз с зазором 0,1 мм, такой наклон недопустим, и либо кромку фрезеруют, либо просят цех резать с иной настройкой фокуса.

Заусенец и грат: откуда берутся и как убирают

Грат это застывший расплав на нижней кромке реза. Он возникает, когда газ не успевает вынести металл из пропила. Производители станков называют такие причины.

Высоту сопла над листом настраивают вместе с диаметром сопла, толщиной и газом: от неё зависит давление, которое реально доходит до реза. Выбор газа и режимы подробно разобраны в статье о газах при лазерной резке. Ориентир оттуда: если на нержавейке 5 мм снизить давление азота с 14 до 10 бар, на кромке появится налёт глубиной около 0,3 мм.

Грат срезают абразивными подушками, шлифованием или на станке для механической зачистки кромок. На мелкой серии это обычная операция. Если заусенец должен отсутствовать, это нужно сказать в заказе, потому что без него цеху проще пропустить деталь как есть.

Окалина, оплавление и зона термического влияния

Кислород горит в резе вместе с железом и ускоряет процесс, но оставляет на кромке оксидную плёнку. Это окалина. Под порошковую покраску такая плёнка может отслоиться вместе с покрытием, а в сварном шве может дать поры, поэтому кромки чаще зачищают. Азот вытесняет кислород из зоны реза, и кромка получается светлой, но газ нужен под высоким давлением, и метр реза становится дороже. Расход и стоимость газа посчитаны в той же статье.

Зона термического влияния, ЗТВ, это полоса металла у кромки, где структура изменилась от нагрева. На тонком листе она узкая, на толстом заметнее. Если лист режут кислородом и потом гнут по линии у самой кромки, а также сверлят и нарезают резьбу в отверстии, вырезанном лазером, закалённая кромка может мешать. Чаще всего это решает зазор между кромкой и гибом, зачистка или рассверливание отверстия. Измеренных значений глубины ЗТВ для разных материалов у нас нет, так что оценка здесь качественная, и для ответственных деталей её уточняют у цеха или металлографией.

Малые отверстия, перемычки и микросоединения

Правила для лазера по геометрии контура такие. Диаметр отверстия и ширина паза не меньше толщины листа, иначе качество стенки падает, а на нержавейке и толстой стали отверстие просто не прорезается. Расстояние от отверстия до края и между элементами: не меньше толщины, а лучше 1,5 толщины. Перемычка между соседними вырезами тоже не уже 1,5 толщины, иначе она сгорит или поведёт. Эти значения совпадают с рекомендациями Fabcon и Protolabs.

Микросоединения оставляют вокруг мелких деталей, чтобы они не падали в решётку стола и не наклонялись при резке. Это узкая перемычка в несколько десятых долей миллиметра: её отламывают, а след зачищают. Если деталь с гладкой кромкой по всему периметру, микросоединения нужно либо запретить, либо оговорить места, где они допустимы. Иначе на видимой кромке останется след.

Что писать в чертеже

Сжатая запись достаточна. Укажите допуски на размеры или ссылку на общий класс ГОСТ 30893.1. Если нужно, добавьте шероховатость кромки, например «Rz5 по ISO 9013, диапазон 2», и требование «острые кромки притупить» или «заусенцы удалить». Для отверстий под потайной крепёж отдельно задают зенковку: лазер её не делает. Если кромка идёт под покраску или сварку, напишите «без окалины» и газ, которым надо резать, либо «зачистить».

Как проверять

Контур мерят штангенциркулем: цифровой имеет погрешность ±0,03 мм, чего достаточно для допуска ±0,1 мм. Кромку на конусность проверяют угольником и щупом, шероховатость сравнивают с образцами или проверяют профилометром, перевод Ra в Rz делает калькулятор. Для серии из одинаковых деталей делают шаблон из первой годной: зазор между шаблоном и контуром виден на просвет. Координатно-измерительная машина нужна, когда допуски на положение отверстий в сотых долях или нужен протокол измерений. Подробно про инструмент и частоту контроля написано в статье про контроль качества.

Какие требования удорожают деталь

Цена лазерной резки складывается из времени резки, газа и операций после резки. Все требования, которые замедляют станок или добавляют ручную работу, дороже.

• Жёсткий допуск на толстом листе. Нужна меньшая скорость, а иногда ещё и фрезеровка кромки.
• Класс ISO 9013 на диапазон 1–2 для толстого листа. Те же причины.
• Азот вместо кислорода на углеродистой стали. Кромка без окалины под покраску, но азот расходуется в разы больше кислорода.
• Зачистка с двух сторон, зенковка и притупление кромок. Всё это ручные операции, цена которых растёт с числом деталей и отверстий.
• Протокол измерений на каждую деталь. Время оператора и КИМ.

Влияние толщины, газа и скорости на цену метра реза можно прикинуть в калькуляторе стоимости лазерной резки.