НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ДЖАВАД ДЖАДАЛЛАХ МУСТАФА

АЛЬ ДУВЕЙК

(Королівство Іорданія)

УДК 621.375.826

ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ ІНСТРУМЕНТІВ ТА ДЕТАЛЕЙ З КЛИНОПОДІБНИМИ РОБОЧИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ ЗАСТОСУВАННЯМ ЛАЗЕРНОГО ЗМІЦНЕННЯ

Спеціальність: 05.03.07 – Процеси фізико-технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Київ-2004 р.

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі лазерної технології, конструювання машин та матеріалознавства Національного технічного університету України “ Київський політехнічний інститут ”

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор ГОЛОВКО Леонід Федорович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри лазерної технології, конструювання машин та матеріалознавства.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор БІЛОЦЬКИЙ Олексій Васильович, Національний технічний університет України ”Київський політехнічний інститут”, професор кафедри фізики металів;

кандидат технічних наук, ОСИПЕНКО Василь Іванович, Черкаський державний технологічний університет доцент кафедри комп’ютеризованих технологій високоефективної обробки матеріалів.

Провідна установа: | Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, відділ плавки та рафінування сплавів, м. Київ.

Захист відбудеться 21 червня 2004 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.15 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, прт. Перемоги, 37, корпус 19, ауд.435.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, прт . Перемоги, 37.

Автореферат розіслано 20 травня 2004 р.

В. о. вченого секретаря спеціалізованої ради,

доктор технічних наук, професор ФОМІЧОВ С.К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Лазерне зміцнення ефективне для поліпшення фізико-механічних властивостей матеріалів деталей машин та інструментів. Основними перевагами цього процесу є: можливість проведення селективного зміцнення; відсутність залишкових деформацій; можливість формування в металевих сплавах специфічних структур, що володіють високою зносостійкістю і твердістю; можливість керування геометричними розмірами зміцнених шарів.

На сьогоднішній день виконана велика кількість теоретичних і експериментальних досліджень, присвячених вивченню фізико-хімічних процесів, що протікають у матеріалах при дії лазерного випромінювання. Як правило, розглядалися ситуації, коли лазерне випромінювання діє на вироби, розміри яких і маса досить великі, що представляють собою з теплофізичної точки зору напівобмежений масив. На практиці дуже часто реальні вироби мають більш складну форму. Зокрема, до таких виробів можна віднести різні інструменти і деталі машин, у яких робочі елементи мають форму клина з різними кутами загострення (ножі, різці, фрези, протяжки, довбаки, матриці і пуансони штампів і пресформ, лопатки газових турбін, відсічні крайки деталей гідроапаратури і таке інше.

При розробці технології лазерного зміцнення гострих крайок цих виробів необхідно вирішувати визначені задачі. А саме, у залежності від хімічного складу і вихідного структурного стану матеріалу, кута загострення клина визначати умови лазерного опромінення, що забезпечували б одержання зміцненого шару з необхідними геометричними розмірами і найбільш сприятливою структурою. Стосовно до масивних виробів ці задачі у своїй більшості можуть бути вирішені розрахунковими шляхом, а отримані результати потім уточнені експериментально.

Якщо говорити про вироби клиноподібної форми, то для них вирішити ці питання експериментальним шляхом або взагалі неможливо ( малі кути загострення, менше 20?), чи це пов'язано з дуже великими матеріальними і часовими витратами. Особливо ускладнюється рішення подібних задач, якщо такі вироби виготовлені з високолегованих сталей, наприклад зі швидкорізальної. Це обумовлено тим, що на цей час немає чіткої точки зору на механізм зміцнення швидкорізальних сталей в умовах лазерного опромінення, не встановлені закономірності, які відображають зв'язок характеристик структурно-фазового стану поверхневих шарів з умовами лазерного опромінення.

Вважаючи на те, що лазерне зміцнення на практиці принципово дозволяє суттєво, у 2-5 разів підвищити зносостійкість і надійність роботи таких інструментів та деталей, вирішення наведених вище питань є актуальним науковим завданням, важливим для розвитку промисловості України.

Зв’язок роботи з науковими програмами університету:

Дослідження, виконані у дисертаційній роботі проводилися у рамках державного проекту “Розробка наукових основ лазерного багатомірного формоутворення різноманітних виробів та розробка промислового варіанту лазерного устаткування для машинобудування, медицини” (номер державної реєстрації 197V009828 від 1999 року).

Мета роботи: Створення технології лазерного зміцнення клиноподібних крайок інструментів і деталей та методології визначення оптимальних режимів опромінювання, які забезпечують гарантовану їхню якість.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішуються такі задачі:

·

·

·

·

·

·

·

·

Об’єкт і предмет дослідження. Об’єктом дослідження є процес лазерного зміцнювання матеріалів. Предметом дослідження є закономірності формування зміцнених шарів у вуглецевих та швидкорізальних сталях при дії лазерного випромінювання в умовах обмеженого тепловідводу.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися на основі загальних положень теорії теплопровідності при дії висококонцентрованих джерел енергії з використанням чисельного методу кінцевих різниць, програмного пакету “Матлаб”. Експериментальні дослідження проводилися з використанням оригінальних методик дослідження процесів лазерної обробки, методів металографічного та рентгеноструктурного аналізу, методик дослідження напруженого стану та триботехнічних характеристик опромінених матеріалів.

Наукова новизна отриманих результатів.

·

·

·

·

·

·

·

Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність роботи полягає в розробці технологічних рекомендацій щодо визначення режимів лазерного зміцнення інструментів та деталей, які мають клиноподібні робочі елементи. Використання розробленої технології лазерного зміцнення інструментів зі швидкорізальних сталей забезпечує, при оптимальних режимах опромінення, підвищення їхньої стійкості в 2 – 4 рази в залежності від конструкції і умов роботи, а для деяких деталей машин, наприклад барабанних ножів для розмелювання сої, і до 10 раз.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто було розроблено алгоритм виконання дослідження, поставлено задачу дослідження структурно-фазових перетворень; розроблено ряд методик, експериментальний лазерний комплекс на базі СО2 лазера, пристрої для вимірювання та контролю параметрів випромінювання; виконано математичне моделювання процесу лазерного нагрівання масивних зразків. За допомогою математичного моделювання проведено параметричний аналіз процесу лазерного нагрівання клиноподібних елементів, визначені основні параметри процесу; запропоновані параметри оптимізації процесу лазерного зміцнення клиноподібних виробів і сама методика оптимізації, розроблена послідовність визначення оптимальних параметрів режиму лазерного зміцнення та практично доведена відповідність теоретичних розрахунків отриманим експериментальним даним. Автором виконано лазерне зміцненні реальних зразків, досліджено їх напружений стан та триботехнічні характеристики поверхневих шарів, зносостійкість реальних інструментів та деталей.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідались на міжнародній конференції присвяченій 100 річчю проф. Розенберга О.М (ІНМ НАН України, м. Київ, 2001р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Нові процеси та їх моделі в ресурсо- та енергозберігаючих технологіях” (м. Одеса, 2003р.); Науково-технічній конференції студентів і молодих вчених (м.Київ,2002р.). Отримані результати впроваджені при виготовленні інструментального оснащення на ВАТ “ХІММАШ” (м.Коростень), при лазерному зміцненні ножів машин для розмелювання сої, які використовуються у виробничому процесі підприємства по переробці молока та кормодомішок, що підтверджено відповідними документами.

Публікації. Результати дисертаційного дослідження відображено у 7 публікаціях: 4 статті у фахових виданнях, 1 публікація у окремому ювілейному виданні в Трудах Інституту надтвердих матеріалів НАН України, 2 публікації у матеріалах міжнародних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, переліку використаних джерел з 120 найменувань та 3 додатків.

Дисертаційна робота містить 152 сторінки машинописного тексту, 41 рисунок, 10 таблиць.

оСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, визначені завдання досліджень, відмічено наукову новизну та практичну цінність роботи.

Перший розділ містить аналіз сучасного стану питання використання лазерного випромінювання для поверхневого зміцнення різноманітних інструментів та деталей машин. Показано, що розширення застосування технології лазерного зміцнення в промисловості поки ще стримується рядом проблем. Залишається ще високою вартість процесу. Однак цей показник не є принциповим. З появою на ринку лазерного технологічного устаткування потужних лазерів нового класу, світлодіодних з потужністю випромінювання до 2кВт і вище при к.к.д. 40-60% і революційно малими габаритними розмірами створюються умови для різкого, на порядок, зниження собівартості процесу обробки. Як інші проблеми відзначаються недостатня відтворюваність результатів обробки та питання її якості. Останнє стосується процесів лазерного зміцнення інструментів та деталей машин, які мають клиноподібні робочі елементи, особливо з малими кутами загострення. Ситуація суттєво ускладнюється, якщо ці вироби виготовлені із високолегованих, наприклад, швидкорізальних сталей, термообробка яких завжди була непростим завданням. В напрямку лазерного зміцнення швидкорізальних сталей виконано уже багато робіт. Але до цього часу не відомі закономірності утворення структур при різних умовах лазерного опромінювання таких сталей, яка із можливих структур є оптимальною з точки зору зносостійкості інструментів або деталей машин і тим більше, при яких умовах вона утворюється. Загальним недоліком результатів всіх робот е те, що досліджувані структури завжди пов’язувались с режимами опромінення, а не з параметрами нагрівання (температурою, часом, швидкістю нагрівання та охолодження). Цей факт дуже впливає на можливість відтворювання результатів. Методики, які б дозволяли науково обгрунтовано визначати оптимальні умови лазерного зміцнення таких виробів, відсутні. Тому і у науковців, і у заводчан існують одночасно прямо протилежні думки про доцільність застосування лазерного випромінювання для зміцнення інструментів із швидкорізальних сталей.

В результаті виконаного аналізу були виявлені перспективні напрямки підвищення ефективності і якості цього процесу, сформульовані мета і завдання досліджень. Такі дослідження раніше не проводилися і тому представляють як науковий так і практичний інтерес.

У другому розділі наведено опис експериментального обладнання та методик досліджень. Дослідження проводились на спеціально розроблених двох експериментальних технологічних комплексах на базі потужних СО2 лазерів типа “ |

Латус-31” та “Комета-2”, оснащених приладами для вимірювання та контролю основних параметрів випромінювання–потужності, просторового розподілу потужності у вихідному та сфокусованому пучку, діаметра плями фокусування, поглинаючої здібності поверхонь, що опромінювались, пристроями для вимірювання температур нагрівання поверхневих шарів за допомогою хромель-алюмелевих термопар з діаметром електродів 0,15 мм. Для досліджень були виготовлені спеціальні зразки із вуглецевої сталі У8 та швидкорізальної сталі Р6М5, піддані об'ємному загартуванню і відпустці у відповідності зі стандартом. Вуглецева інструментальна сталь У8 була обрана в зв'язку з тим, що закономірності структурних змін в ній при дії лазерного випромінювання добре вивчені, границі між різними структурами чіткі, добре

Рис.1. Алгоритм визначення оптимальних режимів лазерного зміцнення інструментів та деталей машин, які мають кліиновидні робочі елементи.

окреслюються відповідними ізотермами. Останнє використовувались при моделюванні теплових процесів для перевірки точності розрахунків та корегування моделі.

Зразки розміром 40х40х5 мм із технологічним поглинаючим покриттям на основі ZnО опромінювались при постійній потужності випромінювання 1000 Вт. Лазерний промінь фокусувався на оброблюваній поверхні сферичною лінзою із KCl з фокусною відстанню 300 мм. Діаметр плями фокусування змінювався в діапазоні 4 – 7 мм, швидкість обробки варіювалася в межах 0,2 – 1,5 м/хв. Дослідження проводились відповідно з алгоритмом, приведеним на рис.1. На першому етапі вивчались закономірності змінювання структури поверхневого шару масивних зразків у залежності від умов лазерного опромінення ( - довжина хвилі, Р,Р(x,y) – потужність випромінювання та її розподіл, d - діаметр плями фокусування) і визначались оптимальні. Розрахунком визначались відповідні оптимальній структурі характеристики теплового стану (температура (Тн), швидкість (Vн) і час нагрівання (tн) та охолодження (Vо).

На другому етапі розроблялась математична модель процесу нагрівання лазерним променем, що рухається, тіла клиноподібної форми з різними кутами загострення, виконувався параметричний аналіз і виявлялись найбільш значимі фактори та параметри. Чисельним моделюванням визначались критичні значення факторів, які обмежують область їхніх оптимальних значень при обраних параметрах оптимізації. В оптимальній області режимів обробки вибирались ті з них, які забезпечують бажані геометричні розміри зміцненої зони, і для них визначались конкретні характеристики теплового стану клина. Потім одержані характеристики зпівставлялись з відповідним характеристикам температурного поля для напівобмеженого тіла, які обумовлювали утворення необхідної структури. При їх відповідності в межах заданої точності таким чином і визначались оптимальні режими зміцнення клина.

Третій розділ присвячено дослідженню структурно-фазових перетворень, які відбуваються у вуглицевих і швидкорізальних інструментальних сталях, а також у визначених конструкційних матеріалах при дії безперервного лазерного випромінювання з =10,6мкм в залежності від умов зміцнення.

При лазерній обробці стали У8 з вихідною мартенситно-трооститною структурою, отриманою після об'ємного гартування і відпуску, за режимами, які не викликають оплавлення, в зразках утворюється двошарова структура. Перший шар має мікроструктуру середньоголчастого мартенситу і залишкового аустеніту. Другий шар має трооститну структуру з карбідами цементитного типу. У зоні переходу мікроструктура плавно змінюється від троосто-цементитної до мартенсито-трооститної структури основи. Розміри зміцнених зон в попередньо гартованій сталі У8 приблизно на 10-15% більше зон, які утворюються при лазерному гартуванні нормалізованої сталі, хоча їх структури по мікротвердості суттєво не відрізняються (11-12 ГПа ).

Мікроструктура зон лазерного впливу на сталь Р6М5 характеризується наявністю від двох до чотирьох шарів у залежності від режиму обробки (рис.2).

Для режиму обробки з потужністю випромінювання Р=1000 Вт, при швидкостях переміщення зразка V = 0,2; 0,4 і 0,6 м/хв і діаметрі плями фокусування d0=5 мм спостерігається оплавлення поверхневого шару. Глибина зони оплавлення зі збільшенням швидкості обробки зменшується. Для зразків опромінених при d0=5мм, V=0,8;1,0;1,2:1,5м/хв оплавлення не спостерігається. Мікротвердість на поверхні зразка обробленого з оплавленням поверхні (d=5мм, V=0,2м/хв) дорівнює 7,5 ГПа, без оплавлення (V=1,5м/хв)- 8,4 ГПа.

Для всіх зразків стали Р6М5 безпосередньо в поверхні виявлена структура, яка |

являє собою світлу смугу, травимість якої значно нижче, ніж у вихідної структури.

У зразках стали, оброблених з оплавленням, за світлою зоною, глибина якої зменшується зі збільшенням швидкості обробки спостерігається дрібнозерниста структура з рівновісними зернами. По мірі видалення від поверхні, зерна набувають витягнутої форми. Дрібнозернистий шар переходить у явно виражену дендритну структуру, що утворилася в процесі кристалізації розплавленого металу при спрямовановому тепловідводі. За областю з дендритною структурою виявляється зона зі світлотравимими зернами, на границях яких відзначається велика кількість надлишкової фази, що виділяється у виді широких темних протравлених суцільних границь. У середині зерен також помітне виділення надлишкової фази, але в менших кількостях. З глибиною суцільність границь порушується і спостерігається більш інтенсивне виділення у середині зерен. За зоною оплавлення спостерігається світла зерниста структура, із включеннями часток карбідів як по границях зерен, так і у середині зерен. Травлення цих зерен значно нижче, ніж вихідної структури.

Ймовірно це зв'язано з тим, що в цій області температура нагрівання була близькою до температури плавлення, у результаті чого відбулося значне розчинення карбідів і збагачення твердого розчину легуючими елементами. За цією ділянкою видно темну зону, але яка світліша, ніж вихідна структура. У зернах є включення карбідів у виді світлих часток, навколо яких відзначаються більш світлотравимі

Рис.2.Микроструктура зони лазерного нагріву в сталі Р6М5:d0=5мм;V =

0,2м/хв;Р=1000Вт.

ділянки твердого розчину. Очевидно при нагріванні відбулося часткове розчинення |

карбідів і легування твердого розчину. У цій зоні кількість часток карбідів значно вище, ніж у матриці. Виділення великої кількості часток відбулося в результаті відпустки загартованого раніше вихідного матеріалу. Мікротвердість зони відпустки нижче матриці і дорівнює 5,5-5,8 ГПа.

Для зразків сталі Р6М5, обробка яких проводилася при діаметрі фокальної плями d=5мм, максимальна мікротвердість

Рис.3. Мікротвердість зон лазерного впливу в сталі Р6М5 при різних швидкостях обробки (Р=1,0 кВт, d=5мм).

виявлена для режиму обробки з швидкістю руху зразка V=0,8 м/хв і дорівнює 11,2 ГПа (рис.3). Зі зниженням швидкості обробки мікротвердість поверхні зони лазерного впливу зменшується: при швидкості 0,5 м/хв вона дорівнює 8,3 ГПа, при швидкості V=0,2 м/хв - 7,5 ГПа. Підвищення швидкості обробки приводить також до зниження мікротвердості: при швидкості руху V=1,0 м/хв вона складає 9,3ГПа, при швидкості V=1,5м/хв-8,4 ГПа.

Фазовий аналіз зон лазерного впливу показав, що в поверхневому шарі зразків, оброблених у режимі Р = 1000 Вт, d0 = 5мм має місце - твердий розчин???, - ?твердий розчин, карбіди швидкорізальної сталі Fe3W3C, карбід VC, оксид Fe3O4 . |

Кількість аустеніту визначали методом гомологічних пар. Максимальна кількість аустеніту зафіксована для зразка обробленого з оплавленням і складає 47%. Зі збільшенням швидкості обробки з 0,2м/хв до 1,5м/хв кількість аустеніту зменшується до 22% (рис.4). Це можна пояснити в такий спосіб.

Рис.4.Кількість залишкового аустеніту в зоні лазерного впливу (А,%) у залежності від швидкості обробки при Р=1,0 кВт, d=5мм.

При малих швидкостях обробки (0,2 м/хв, 0,4 м/хв) температура розплавленого металу вище, ніж при швидкостях 1,0 м/хв, 1,5 м/хв, повніше розчиняються карбіди, легованість аустеніту збільшується, підвищується його стійкість, що при охолодженні і гартуванні приводить до підвищеного його вмісту в структурі. |

Відносна кількість карбідів у поверхневому шарі приблизно оцінювалася за інтенсивністю ліній Fe3W3C [лінії (511), (422), (331), (440)]. Для зразка, обробленого з оплавленням (V=0,2 м/хв) інтенсивність ліній карбідів максимальна. В міру збільшення швидкості переміщення зразка (з 0,2 м/хв до 1,5 м/хв) інтенсивність ліній карбідів зменшується (рис.5), але все-таки залишається більш сильною, чим інтенсивність ліній карбідів у основі.

Рис.5.Відносна інтегральна інтенсивність ліній карбідів (?Iк/IFe) у залежності від швидкості обробки при Р=1,0 кВт, d=5мм.

Таку закономірність можна пояснити тим, що при малих швидкостях обробки (V=0,2 м/хв, V=0,5 м/хв) температура розплавленого металу досягає максимальних значень, час охолодження більше, ніж при високих швидкостях обробки (V=1,0м/хв, V=1,5м/хв). За цей час відбувається виділення карбідів і їхня коагуляція в більшій мері, чим при більш швидкій обробці.

Лазерне опромінення зразків при діаметрі фокальної плями d=4 мм приводить до формування зон, мікротвердість яких підвищується з 8,2 ГПа до 8,4 ГПа, при збільшенні швидкості з 0,2 м/хв до 0,5 м/хв, а потім знижується до 7 ГПа при 1,5 м/хв. Збільшення діаметра фокальної плями (до d=7 мм) при колишній потужності випромінювання впливає на глибину зон лазерного нагріву. Для швидкості V=0,2 м/хв (d=5 мм) вона дорівнює 1,55 мм, при d=7 мм-1,35 мм. Найбільша мікротвердість спостерігається при швидкості V=0,6 м/хв і дорівнює 9,5-10 ГПа. Таким чином треба вважати, що оптимальними с точки зору максимальної мікротвердості структури, характеру її побудови та фазового складу зміцненої сталі Р6М5, є умови зміцнення: d0=5мм,V=0,8 м/хв, Р=100 Вт.

Підвищення мікротвердості структури зони лазерного впливу обумовлено аустенітно - мартенситними перетвореннями, наявністю високолегованого залишкового аустеніту, з яким відбувся фазовий наклеп, наявністю дрібнодисперсних карбідів.

Четвертий розділ присвячено теоретично-експериментальному дослідженню закономірностей змінювання характеристик теплового стану масивних тіл, та об’єктів з обмеженими умовами тепловідводу типа клин в залежності от умов лазерного опромінювання.

Рис.6. Розрахункова схема лазерного нагрівання масивних зразків.

Рис.7. Розподіл температур по глибині в напрямку переміщення зразка із сталі Р6М5. |

Для режимів лазерної обробки, які забезпечують отримання оптимальної структури в напівобмеженому тілі, були розраховані й експериментально перевірені температури нагрівання та їхній розподіл, швидкості нагрівання і охолодження , відповідно для сталей У8 і Р6М5. Розрахункова схема процесу лазерного нагрівання приведена на рис.6.

Як модель використовувалося диференціальне рівняння виду:

,

де с- тепломісткість, - густина матеріалу

Початкові умови:

.

Крайові умови:

у зоні дії лазерного випромінювання: ,

поза зоною дії випромінювання:

,

,

,

, | ,

де Т(x,y,z,t)- температура в точці c координатами (x,y,z,) у момент часу t; , -коефіцієнти теплопровідності та тепловіддачі.

Чисельне рішення даного рівняння проводилося методом кінцевих різниць. На рис.7 приведено фрагмент розподілу температур по глибині в напрямку переміщення зразка, виготовленого із швидкорізальної сталі Р6М5, при дії випромінювання потужного СО2 лазера при таких параметрах обробки: d0=5 мм, V=1,2 м/хв,Р=1000 Вт, А=0.8. Такі розподіли температур отримані і для інших режимів опромінювання, а також для сталі У8. Одночасно визначались розподіли температур по опроміненій поверхні зразків в координатах Х,У, в поперечному напряку в координатах X,Z, розподіл швидкостей охолодження. Співставлення результатів розрахунків з даними металографічного та рентгеноструктурного аналізу та експериентальна перевірка температур нагріву за допомогою термопар дозволило визначити термічні параметри процесу формування оптимальної структури (Тн= 1280-1310С, t н = 0,3- 0,35 с, Vo= 6103С/c).

Процес лазерного нагрівання клиноподібних елементів безперервним випромінюванням можна представити у вигляді схеми, яка представлена на рис.8. Досліджуваним об'єктом є тіло клиноподібної форми, по поверхні якого рухається з постійною швидкістю V паралельно осі Z, на деякій відстані від неї, поверхневе нормально розподілене теплове джерело. При цьому температура навколишнього середовища tс і коефіцієнт тепловіддачі ??приймаються постійними й однаковими для всіх обмежуючих поверхонь. Математична модель лазерного нагрівання клину для граничного квазістаціонарного стану може бути представлена у вигляді: |

,

; ;

; ,

де qmax – максимальне значення епюри теплопідводу; tc – температура середовища; V – швидкість руху лазерного променя; ro – радіус плями нагрівання;rd, rн – внутрішній і зовнішній радіус деталі; а* - відстань від крайки клину до місця розташування максимуму теплопідводу; 1 - кут загострення клину;

Рис.8. Розрахункова схема процесу лазерного нагрівання клину.

a, , Cv - коефіцієнти температуропровідності і теплопровідності та питома об'ємна теплоємність матеріалу; Ре - число Пекле, .

За допомогою даної моделі разом з інститутом технічної теплофізики НАН України проводилися чисельні дослідження з використанням методу повних поліаргументних систем. |

На першому етапі моделювання був проведений параметричний аналіз. При цьому були проаналізовані ефекти впливу на тепловий стан клину кута загострення 1, швидкості переміщення лазерного променя V, відстані а* від крайки клину до центра плями фокусування, величини радіуса плями фокусування лазерного променя на поверхні, r0. Дані обчислень зіставлялися з результатами натурних експериментів.

Результати обчислень показали, що в клині, як і в напівобмеженому масиві з ростом V спостерігається зниження рівня температури. Однак при цьому, має місце істотний вплив величини швидкості V на характер розподілу температури в радіальному напрямку.

Рис.9. Вплив величини а* на розподіл температур клину у радіальному напрямку: = 0, z = 1мм, 1= 60, r0 = 2мм, V = 1 м/хв.

Вивчався вплив на температурний режим клиноподібних елементів відстані а* між крайкою клина і місцем розташування максимуму теплопідводу (рис.9). У розглянутих умовах було встановлено, що максимальне значення температури виявляється зміщеним щодо крайки клина тим значніше, чим більше величина а*. Зміна величини а*, як і V домінуючи впливає на розподіл температур у виробі. Характеризуючи в цілому особливості впливу параметра ro і 1 на температурний режим клину, необхідно відзначити, що вони також впливають, але менш істотно. Тому при оптимізації процесу нагрівання доцільно прийняти діаметр плями фокусування і потужність лазерного випромінювання постійними, а керування температурним режимом клина вести за рахунок зміни швидкості обробки і величини зсуву максимуму інтенсивності для різних кутів загострення клина. При проведенні обчислювальних експериментів приймалося до уваги, що зміцненою є зона, в рамках якої виконуються дві умови: по-перше, максимальні температури перевищують температуру фазових перетворень у сталі ТАс1 або ТАсm і , по-друге, максимальні швидкості охолодження Vtmax завжди більше критичних Vtкр.

Завдяки експериментальній перевірці результатів і поступової корекції моделі для даних матеріалів і умов опромінення удалося одержати цілком задовільну згоду даних, що зіставлялись. Розбіжності розмірів зміцненої зони за результатами натурного й обчислювального експериментів не перевищували 7%, що дало можливість використати дану модель для подальшого вивчення закономірностей формування зміцнених шарів, розрахунку режимів лазерного опромінювання.

При виборі оптимальних режимів лазерного зміцнення необхідно вибрати параметри оптимізації. У зв'язку з цим, неприпустимими режимами опромінення вважалися ті, котрі обумовлювали наступні негативні ситуації:

- оплавлення крайки клину;

- оплавлення деякої зони поверхні клину, розташованої на видаленні від його крайки;

- відрив зміцненої зони від крайки, (тобто зміцнена зона завжди повинна бути не тільки на передній поверхні клина, але і на задній);

- структура зони лазерного нагрівання в клині не має заданих властивостей, тому що швидкість охолодження в зоні була нижчою критичної для гартування.

Для кожної з відзначених негативних ситуацій можна вказати деякий граничний випадок, що розмежовує області припустимих і неприпустимих значень технологічних параметрів. Стосовно до першої і другої ситуацій такий граничний випадок відповідає початку плавлення матеріалу. Для третьої ситуації - граничний випадок відповідає такому розташуванню зміцненої зони, коли її границя безпосередньо збігається з крайкою клина. Назвемо значення технологічних параметрів, що відповідають зазначеним граничним випадкам критичними. При цьому граничні значення факторів, що відповідають цим негативним ситуаціям, будуть відповідно першими, другими і третіми критичними значеннями.

При находженні зазначених критичних значень технологічних параметрів розглядалася ситуація, коли у всіх випадках приймалися постійними величина густини потужності підведеного теплового потоку, радіусу плями нагрівання ro, температури навколишнього середовища tc і коефіцієнта тепловіддачі .

Рис.10. Критичні швидкості та відповідні значення а*, які визначають оптимальну область режимів лазерного зміцнення клину із сталі Р6М5 при =45, Р=1000Вт, d=5мм. | ?Визначались критичні значення швидкості руху лазерного променя Vкр у залежності від відстані a* між крайкою клина і центром плями нагрівання для різних кутів загострення. На рис.10 приведені залежності критичних швидкостей обробки Vkr1, Vkr2, Vkr3 від величини зсуву a* для клину з кутом загострення 45?? Область технологічних режимів, обмежена відповідними кривими, є оптимальною з погляду виключення згаданих вище негативних ситуацій. Якщо мова йде про прості вуглецеві інструментальні сталі, то варіюванням режимів обробки в межах цієї області можна змінювати геомет-ричні розміри зміцненого шару, але завжди мати потрібну якість структури.

Якщо розглядаються високолеговані

сталі, у нашому випадку сталь Р6М5, то обрані режими необхідно уточняти шляхом зіставлення характеристик температурних полів, що відповідають обраній крапці оптимальної області режимів для клина і режимам, що обумовлюють одержання оптимальної структури в напівобмеженому масиві.

П’ятий розділ присвячено вивченню впливу лазерного опромінювання на фізико-механічні властивості матеріалів та експлуатаційні характеристики виробів.

Вивчення величини і характеру розподілу залишкових макронапружень і тріботехнічних характеристик проводилось на зразках, виготовлених з частини реальних інструментів, виготовлених з вуглецевої сталі У8 і сталі Р6М5. Вивчення впливу лазерного зміцнення на характер і величину зношування інструментів виконувалися на дискових довбяках, виготовлених зі сталі Р6М5 та на барабанних ножах для розмелювання сои.

Залишкові напруги вимірялися в поверхневому шарі зразків зі сталі У8 и Р6М5, зміцнених лазерним випромінюванням на оптимальних режимах ( 1=60, Р=1000 Вт, V=0,8 м/хв, d0=5 мм, а*=2мм), за допомогою рентгенографічного sin2??методу. З поверхонь зміцненого і вихідного зразків знімалися при різних кутах ковзання рентгенівського променя дифракційні картини, які потім аналізувалися, визначались відповідні деформації і розраховувалася сума головних напружень (1 + 2). Рентгенографічну зйомку проводили у випромінюванні залізного анода з реєстрацією відображень від площин (211) ??з зміцненої зони, потім перехідної і основного матеріалу. За отриманими даним розраховувалася відносна деформація ()? і визначалась сума головних напружень ( при Е = 21000 МПа, = 0,26, = 1,6973,

1 + 2 = -1370,92 МПа). |

Було встановлено, що в зміцненому шарі сталей У8 і Р6М5 формуються стискаючі залишкові напруги (рис.11). У зоні відпустки напруги змінюють свій знак і переходять у розтягуючі, плавно зменшуючись у міру видалення від ребра клина. Отримані дані свідчать про сприятливий розподіл залишкових напружень у зміцнених інструментах з погляду міцності і зносостійкості.

Оцінку зносостійкості структур, сформованих лазерним опроміненням у сталях У8 і Р6М5, проводили на машині

Рис.11.Розподіл залишкових напружень у зміцненому поверхневому шарі клина.

тертя ПВК-2 за схемою контакту “плоский зразок-ролик”. Контрзразками служили ролики зі сталі ШХ-15 із твердістю HRCэ55. Порівняння проводилося по величині зносу. Знос зразків і контрзразків вимірявся ваговим методом. Іспити проводилися при однакових навантаженнях (50 Н) і швидкостя ковзання (2,5 м/с) в умовах сухого тертя. Було встановлене підвищення зносостйкості зміцнених зразків щодо стандартних для сталі У8 у 1,6-2 , для сталі Р6М5 у 2,5-3 рази. Відзначалося зниження ~ у 2 рази коефіцієнта тертя, підвищення рівномірність процесу зношування, відсутність відколів та відривів, налипання матеріалу контрзразка на зміцнену поверхню, у тому числі і для сталі 12Х18Н10Т. Отримані результати дозволяють стверджувати, що лазерне зміцнення сталей на оптимальних режимах може забезпечити підвищення стійкості різальних інструментів.

Розміри зміцненого шару, отриманого при дії безперервного лазерного випромінювання, як по передній поверхні ( 4 – 5 мм), так і задній (1-1,5 мм), дозволяють застосовувати найбільш раціональну технологічну схему зміцнення, яка забезпечує багаторазове переточування інструментів до повного зносу. |

Стійкістні випробування довбяків зі сталі Р6М5 з модулем m=4,25мм, зміцнених лазерним випромінюванням і стандартних, проводились при нарізуванні зубцюватого вінця внутрішнього зачеплення, виготовленого з важкооброблюваної сталі 15ХГН2ТА, при наступних режимах: швидкість різання,V =12 м/хв; подача, S=0,22 мм/подв.хід; число подвійних ходів, n=305; охолодження – сульфо-фрезол. Стійкість інструмента визначалась по кількості придатних деталей з погляду точності розмірів і форми, а також шорсткості обробленої поверхні. Паралельно через кожні 50 деталей проводився вимір величи

Рис.12. Величина зносу по задній поверхні зміцненого і стандартного довбяків (hз) від кількості виготовлених деталей (N).

ни зносу по задній поверхні зуба довбяка до величини 0,5 мм.

На мал.11 приведені результати стійкістних іспитів довбяків, які свідчать про високу ефективність лазерного зміцнення. Крім цього, результати отримані в даній роботі, були застосовані при лазерному зміцненні матриць і пуансонів вирубних та витяжних штампів. Випробування зміцнених інструментів в умовах виробництва заводу “Хіммаш” (м.Коростень) знайшли підвищення стійкості штампів у 2-3 рази. При цьому була доведена доцільність застосування для виготовлення деталей штампів замість дорогої високолегованої сталі Х12М вуглецевої стали У8 з лазерним зміцненням. Результати роботи також були апробовані при лазерному зміцненні барабанних ножів машин для розмелювання сої, які використовуються у виробничому процесі підприємства по переробці молока та кормодомішок. Випробуваннями було встановлено підвищення ресурсу роботи барабана у 8-10 разів (500 т змеленої сої – показник стійкості барабанів, виготовлених по базовому варіанту технології, 4000-5000 т – показник стійкості барабанів з лазерним зміцненням), що підтверджено актами впровадження. Розроблена методика може бути використана для визначення режимів лазерного зміцнення різних виробів, практично з любими кутами загострення і виготовлені з інших марок сталей.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.