Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського“

Харківський авіаційний інститут”

Широкий Юрій Вячеславович

УДК 621.375.826

ПРОЦЕСИ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНОЇ ЛАЗЕРНОЇ ОБРОБКИ

ТА ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМОВО-ІОННОГО ЗМІЦНЕННЯ

Спеціальність 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічник наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім.М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України, м.Харків.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Костюк Геннадій Ігорович,

Національний аерокосмічний університет ім.М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, МОН України, м.Харків,

завідувач кафедри робототехніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Добротворський Сергій Семенович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри технологій машинобудування;

кандидат технічних наук, доцент

Чистяк Володимир Григорович,

Харківський національний економічний університет,

доцент кафедри техніки і технології

Провідна установа: Інститут машин і систем Національної академії наук України та Міністерства промислової політики України, м.Харків.

Захист відбудеться “18” травня 2007р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий 15.04.2007р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Застела О.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальність теми: Машинобудування, а особливо авіаційна і космічна техніка висувають високі вимоги до підвищення надійності і довговічності деталей, а також до підвищення продуктивності обробки деталей і зниженню витрат на виробництво.

У сучасній авіаційній і ракетно-космічній техніці деталі працюють в особливо складних експлуатаційних умовах одночасної дії динамічних, стаціонарних, термоциклічних навантажень в умовах агресивних і корозійних середовищ. Усе це висуває високі вимоги до поверхневого шару деталей.

Практика проектування, виробництва, експлуатації і ремонту деталей авіаційної техніки говорить про те, що радикальним способом підвищення її експлуатаційних характеристик є комбінована обробка на основі лазерного зміцнення, плазмово-іонної й іонно-променевої обробки, де лазерна обробка дозволяє одержувати зміцнені шари до 1 мм, що значно розширює можливості комбінованої обробки, тому що іонна імплантація дозволяє зміцнити шар тільки до 0,2 мм, а плазмово-іонна дозволяє одержувати покриття до 10-15 мкм без розтріскування покриття. Незважаючи на застосування лазерного зміцнення та лазерної розмірної обробки як індивідуальної технології, так і в комбінованій, спільний розгляд теплофізики і термомеханіки не проводився, також не враховувалася кінцева швидкість розповсюдження тепла. Дослідженнями в області лазерної обробки займалися Рикалін М.М., Григорьянц А.С., Коваленко В.С. та їх співробітники.

Комбінована обробка досліджувалася Костюком Г.I. і Мухіним В.С., де застосовувалась як складова лазерного зміцнення, що теж підтверджує актуальність дослідження впливу лазерної обробки на результат комбінованої обробки.

У той же час при розмірній тривимірній обробці був виявлений термопружний відкол матеріалу, але достатнього аргументованого теоретичного підтвердження цього ефекту не було приведено (тільки оцінки). Це також підтверджує актуальність розгляду спільної задачі теплопровідності і термопружності для виявлення режимів з термопружним відколом матеріалу та винайти продуктивні режими розмірної лазерної обробки та лазерного зміцнення.

Усе це вказує на актуальність застосування лазерного зміцнення в комбінованій обробці, тому що індивідуальні технології за якісними характеристиками досягли насичення (див. монографію Костюка Г.I.). Підвищення можливостей цих технологій може бути реалізовано за рахунок їхніх комбінацій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась за пріоритним напрямком "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології у енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі" секція 13 "Аерокосмічна техніка і транспорт", за науково-дослідною роботою “Створення фізико-технічних основ підвищення якості матеріалів покрить аерокосмічних конструкцій” ДР 0103Ш004034, хоздоговірними темами та договорами про співдружність.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка наукових основ використання лазерного випромінення для розмірної обробки та при комбінованому зміцненні. Досягнення поставленої мети вимагає розв’язання наступних задач:

- розробка сумісної моделі теплофізичних і термомеханічних процесів при дії лазерного випромінювання на конструкційні матеріали;

- дослідження та аналіз полів температур і напружень в зоні дії випромінення на матеріали з метою з’ясування механізмів видалення матеріалу в паровій, рідкій та твердій фазах, що необхідно для вибору режимів ефективної обробки при зміцненні й розмірній обробці;

- розробка моделі теплофізичних і термомеханічних процесів з врахуванням кінцевої швидкості розповсюдження тепла і її вплив на поля температур та напружень, що важливо для випадку оборобки імпульсним випромінюванням малої тривалості, коли суттєво зростає можливість механізму термопружного руйнування (відколу) матеріалу при динамічній дії теплового потоку;

- створення системних основ застосування лазерного зміцнення у комбінованих технологіях;

- експериментальна перевірка можливості підвищення мікротвердості, вигинних характеристик, стійкості різальних інструментів (РІ);

- отримання на основі експериментальних досліджень полів температур плоскої деталі (з матеріалів, що підлягають інтенсивному окисненню на повітрі) при нагріві скануючим лазерним і електронним промінем в вакуумі;

- розробка лазерної компьютеризованої установки для прошивки отворів й прорізки пазів та перевірка технологічних можливостей цієї установки.

Об’єктом дослідження є фізичні процеси при дії лазерного випромінювання при лазерному зміцненні та лазерній розмірній обробці

Предметом дослідження у дисертації є теплофізичні та термомеханічні процеси, фізичні процеси видалення матеріалу у твердій (термопружний відкол), рідкій (викид рідкої фази) та паровій (випаровування) фазах та їх вплив на ефективність і якість лазерного зміцнення та розмірної лазерної обробки.

Методи дослідження. В теоретичній частині при вирішенні сумісної нестаціонарної тривимірної задачі теплопровідності та термопружності (задача Даниловської) залучено модифікований метод МСЕ для розрахунку полів температур та температурних напружень, а також ефективності масовидалення. Залучені сучасні методи системного та експериментального дослідження, так при дослідженні вигинної міцності та мікротвердості залучені класичні методи.

Наукова новизна отриманих результатів:

- на основі рішення тривимірної нестаціонарної спільної задачі теплопровідності і термопружності отримані поля температур і напружень, які дозволяють винайти режими видалення матеріалу в паровій, рідкій і твердій фазі, що дозволяє знайти режими зміцнення з оплавленням і без, режими продуктивної розмірної обробки з термопружним відколом матеріалу, цей режим підтверджено експериментом;

- уперше для випадку дії лазерного випромінювання на конструкційні матеріали вирішена спільна задача теплопровідності та термопружності з врахуванням кінцевої швидкості поширення тепла і отримані значення температурних напружень в цій області, що можуть привести до термопружного відколу;

- показаний вплив температурних напружень на характер розвитку температурних полів (враховуються витрати енергії на деформування), що істотно знижує величини температур при їхній реалізації (на початку нагрівання) і підвищує при їхній релаксації;

- отримані поля температур і напружень для випадку нерухомого джерела тепла і такого, що переміщується, виявлений суттєвий вплив швидкості переміщення потоку на характер розвитку температурних полів, часу дії і щільності теплового потоку на коефіцієнт енергетичного масовидалення, знайдені режими з викидом рідкої і твердої фази;

- показана можливість підвищення вигинної міцності в 1,7...1,22 рази, мікротвердості в 1,2...1,4 рази за рахунок застосування лазерного зміцнення у комбінованій обробці;

-запропоновані методи застосування лазерного випромінювання (ЛВ) у комбінованій обробці.

Практичне значення отриманих результатів:

- створена напівпромислова лазерна установка для прошивання отворів і прорізки пазів, що забезпечує прошивання 140 отворів діаметром 0,3 мм за 6 хвилин;

- результати дослідження моделювання дії безперервного лазерного випромінювання на конструкційні матеріали у вакуумі при його моделюванні електронним променем дозволяють одержувати практично будь-які поля температур - перевірено експериментально;

- системні та експериментальні основи застосування лазерного зміцнення в комбінованій обробці дозволяють обирати технологічні параметри для лазерної і комбінованої обробки, що забезпечують підвищення вигинної міцності в 1,17... 1,22 рази, мікротвердості у 1,2 ... 1,4 рази за рахунок застосування лазерної обробки в складі комбінованої обробки.

- робота впроваджена на ДП ХМЗ ФЕД з економічним ефектом 97 тисяч грн.

- фізико-технічні основи застосування лазерної обробки у складі комбінованої та фізико-технічні аспекти масовидалення у зоні дії лазерного випромінювання впроваджені в учбовий процес Національного аерокосмічного університету ім М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”.

Особистий внесок здобувача полягає у тому, що здобувач особисто провів такі експериментальні дослідження: дослідження мікротвердості швидкоріжучої сталі після нанесення покриття та комбінованого зміцнення в залежності від технологічних та геометричних параметрів обробки; дослідження вигинної міцності для плоских зразків з покриттям і комбінованим зміцненням; розробка конструкції компьютерізованої лазерної установки та проведення експериментального дослідження її продуктивності.

Крім того, здобувачем проведені наступні теоретичні дослідження: проведено модернізацію розрахункової схеми задачі теплопровідності та термопружності, а також проведено розрахунки полів температур та температурних напружень при дії лазерного випромінювання з урахуванням кінцевої швидкості поширення тепла; створено методологію дослідження температурних полів плоских деталей, які нагріваються скануючим електронним або лазерним променем в вакуумі при різних законах руху електронного та лазерного променів; розроблено системні карти з лазерної обробки та концепцію прогнозування якісних характеристик деталей при лазерній обробці.

Здобувачем самостійно проведена основна частина експериментального та теоретичного дослідження у всіх публікаціях, а в роботі використані тільки ті частини публікацій, які він провів одноособово або під керівництвом наукового керівника.

Апробація роботи: Основнi положення та pезультати дисеpтацiйної pоботи обговоpювались на 11, 12, 13, 14, 15 та 16-ій мiжнаpодних конфеpенцiях "Новi технологiї в машинобудуваннi", Хаpкiв-Рибаче (2002-2006р.p.); на семінарі “Електрофізичні технології” ХАІ, Харків; науково-технiчних pадах Коpпоpацiї ФЕД; мiжгалузевому семiнаpi "Новi технологiї в машинобудуваннi" (2002-2006 p.p.).

Публікації. За матеpiалами дисеpтацiї опублiковано сімнадцять дpукованих пpаць, з них вісім - статтi (у фахових виданнях ВАК) та дев’ять - матеріали доповiдей на конфеpенцiях

Структура й об’єм. Дисертаційна робота складається зі вступу, пяти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (74 джерел), 3 додатка. Повний зміст роботи викладений на 216 сторінках машинописного тексту, з них 198 сторінок основного тексту, 10 сторінок списку літератури, 54 повних сторінок з малюнками й таблицями (37 сторінок з малюнками, 17 сторінок з таблицями), 5 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету й задачі досліджень, представлено наукову новизну й практичну значимість отриманих результатів, наведено загальну структуру роботи.

У першому розділі проведено розгляд можливостей підвищення службових характеристик деталей і стійкості РІ за рахунок різних методів зміцнення: плазмово-іонні покриття, іонна імплантація й іонне легування, лазерне зміцнення і комбінована обробка, причому розглянуто вплив цих видів обробки на стійкість РІ, мікротвердість і шорсткість поверхневого шару і зносостійкість, так само розглянуті фізичні особливості лазерної обробки.

Проведений огляд робіт з методів зміцнення показує, що в даний час є результати по застосуванню лазерного зміцнення в комбінованій технології, але теоретичних основ їхнього застосування поки ще немає. Усе це вимагає вивчення питання впливу лазерного зміцнення на результати комбінованої обробки, а також теоретичного дослідження фізики видалення матеріалу при лазерній обробці: відзначається можливість видалення матеріалу у твердій фазі у виді кластерів, у рідкій фазі у виді крапель і в паровій фазі, але механізм термопружного відколу (кластерного віднесення) ще не вивчався повною мірою теоретично, як і механізм викиду. Незважаючи на те, що час дії імпульсного лазерного випромінювання може складати від 10-11 до 10-7 с, теплофізичні процеси розглядаються у припущенні про нескінченну швидкість поширення тепла. Усе це говорить про необхідність розгляду задачі про дію лазерного випромінювання з урахуванням кінцевої швидкості поширення тепла. Незважаючи на те, що на температурне деформування затрачається енергія, у теоретичних задачах теплопровідності (балансі тепла) цей процес не враховується, що приводить до чималої неточності результатів розрахунку, особливо при дослідженні динамічної дії лазера.

Робіт, розглядаючих тривимірну розмірну лазерну обробку, практично немає, виключення складають роботи, присвячені лазерному різанню. Усе це довело можливість сформулювати мету та задачі дослідженнь.

У другому розділі розглянуто дію лазерного випромінювання на конструкційні матеріали, яка включає теплофізичні процеси, що приводять до випару, плавленню, викиду рідкої фази, термомеханічні процеси, що приводять до термопружного руйнування матеріалу і до термоутомлювального відшаровування, а так само до появи залишкових напружень. Усе це приводить при лазерному зміцненні до зміни як геометричних характеристик деталі, так і фізико-механічних характеристик за рахунок дії температур, що перевищують критичні температури для конструкційних матеріалів.

При лазерній розмірній обробці найбільш економічним і продуктивним режимом обробки буде режим з термопружним руйнуванням матеріалу, а для чистової обробки режим з випарювальним виходом матеріалу, де також необхідно не допустити оплавлення деталі, що актуально для призначення раціональних режимів лазерної обробки.

У задачі про взаємодію лазерного випромінювання з конструкційним матеріалом розглянуті характер дії джерела тепла, баланс тепла в елементарному об’ємі деталі, де враховане переміщення променя, теплопровідність, переміщення фронту випарування, дія об'ємної частини випромінювання, а також термопружне деформування матеріалу і дифузія матеріалу під дією теплового випромінювання.

У результаті рішення цієї задачі з граничними умовами на поверхні деталі, де враховано: тепловий потік від дії лазерного випромінювання, тепловіддача з випарованим матеріалом, взаємоопромінювання середовища і деталі, а також конвективний теплообмін і теплове випромінювання, розраховані поля температур та температурних напружень. Умовами сумісності деформації обумовлюється взаємозв'язок між переміщенням і руйнуванням, виконання яких забезпечується введенням додаткових напружень, якщо вони не виконують умови сумісності. Враховучи, що час дії теплових потоків при лазерному випромінюванні малий, необхідно враховувати кінцеву швидкість поширення тепла, тому була розглянута задача, яка одержується введенням додаткового доданка, що враховує кінцеву швидкість поширення тепла. У результаті рішення цієї задачі були отримані поля температур і напружень (рис. 1). Видно, що з'явився стрибок температур у зоні обмеженої дії джерела тепла, у цій зоні з'являється ще додатковий максимум температурних напружень. Таким чином, урахування кінцевої швидкості поширення тепла впливає на характер розподілу температур, з'являються стрибки температур, підвищується максимальна температура за рахунок зниження ефекту теплопровідності, підвищується значення температурних напружень у зоні поширення (максимальних градієнтів температур) тепла на 3-7%, з'являється додатковий максимум температурних напружень у зоні стрибка температур, порівнянний з основним максимумом (30-35 % від max).

У третьому розділі розглянуто результати розрахунку полів температур і напружень, ефективності викиду матеріалу як у твердій, так і в рідкій фазі в залежності від величини щільності теплового потоку, швидкості переміщення плями взаємодії і часу дії лазерного випромінювання, враховані різні механізми видалення металу в рідкій фазі.

Проведені також дослідження полів температур і напружень у конструкційних матеріалах при дії лазерного випромінювання, а також дається взаємозв'язок параметрів обробки, розподілу температур і напружень, характеру й ефективності масовидалення, що важливо для розмірної обробки конструкційних матеріалів лазерним випромінюванням.

У результаті рішення спільної задачі теплопровідності і теплопружності отримані поля температур на різних глибинах для різних матеріалів і розглянута динаміка їх у часі. Також отримані поля температурних напружень, де видно, що найбільше напруження реалізується в зоні максимальних градієнтів температур.

Проведено дослідження впливу технологічних параметрів (ТП) на характер розвитку температурних полів. Досліджувалися ТП: швидкість переміщення і щільність теплового потоку. Видно, що швидкість переміщення істотно впливає на характер зміни розподілу температур - зі збільшенням швидкості максимальна температура істотно падає.

Були проведені дослідження напруженого стану і перевірка експериментальних передумов термопружного руйнування. У результаті цього зясовано, що за певних умов реалізується механізм тільки термопружного руйнування (рис. 2), при великих щільностях теплового потоку реалізується як механізм руйнування з термопружним руйнуванням по периферії, так і механізм оплавлення і викиду рідкої фази в центрі.

Проведено дослідження ефективності масовидалення: розглянуті механізми викиду рідкого метала за рахунок дії реактивного струменя випаруваного матеріалу, за рахунок дії температурної хвилі і за рахунок тиску світла. Видно, що цей викид матеріалу приводить до появи стрибків на графіках залежності ефективності масовидалення в кілограмах на Джоуль у залежності від часу дії для різних щільностей теплового потоку.

Проведені розрахунки дозволили одержувати, і досить точно, поля температур і напружень у зоні дії лазерного випромінювання з різною щільністю теплового потоку і швидкістю переміщення плями при різних часах його дії, а також величини коефіцієнта енергетичного масовидалення від технологічних параметрів (щільність теплового потоку, час його дії і швидкість переміщення променя) і від величини температурних напружень. Проведене зіставлення результатів розрахунку і експерименту по величині енергетичного масовидалення дає згоду результатів розрахунку і експерименту, а точність розрахунків складає 7-8%. Усе це говорить про можливість використання цієї моделі і для розрахунку полів температур і напружень, а точність, мабуть, буде більш високою (рис. 3).

У четвертому розділі на основі дослідження концепцій створення автоматизованої інтегрованої системи технологічного супроводу технологій зміцнення, вивчення коефіцієнтів впливу типу покрить і виду зміцнення на якісні характеристики від технологічних параметрів, геометричних параметрів розміщення різального інструмента (РІ) і деталей, фізико-механічних характеристик (ФМХ) деталей та РІ до обробки, умов експлуатації і режимів різання для різних типів зміцнення і покриттів, а також за допомогою методики оцінки ефективності використання покриття або комбінованого зміцнення для підвищення експлуатаційних властивостей деталей і різальних інструментів, показано можливість вибору найбільш ефективного виду зміцнення або покриття, що забезпечує комплекс найбільш важливих споживчих властивостей деталей і різального інструмента. Наприклад, ефективні технологічні параметри лазерної обробки обираються за допомогою системної картки (рис. 4).

Для вирішення питання про визначення технологічних параметрів при обробці необхідно знати, як впливають ті або інші технологічні параметри, геометричні параметри і ФМХ матеріалу перед обробкою на якісні характеристики деталі (зносостійкість, коррозійну стійкість, на сили різання, на коефіцієнт тертя й інші фізико-механічні характеристики).

Ці системні карти дозволяють вибирати технологічні параметри, а у випадку, коли немає таких системних карт, можна користуватися коефіцієнтами впливу типу зміцнення на якісні характеристики, що дозволять, використовуючи одну базову технологію, нашаруванням цих коефіцієнтів одержувати комбіновані технології. Представлений також коефіцієнт ефективності технологій, тобто в скількі разів покращаться ті або інші ФМХ з використанням комбінованої обробки.

Для того, щоб визначитися, наскількі велика можливість підвищити за рахунок комбінованої обробки фізико-механічні характеристики матеріалу, було проведене дослідження міцностних характеристик матеріалів після нанесення покрить і комбінованого зміцнення, а також мікротвердості покрить; отримані значення мікротвердості покрить з 0,8Zr + 0,2Hf , яка перевищує величину мікротвердості ZrN і HfN у два рази; доведено, що комбіноване зміцнення ПІО + ІЛО, а також ПІО + ІЛО + ЛО приводить до деякого збільшення мікротвердості цього досить твердого покриття, особливо значно це підвищення для покрить Al2O3; отримано, що комбіноване зміцнення підвищує глибину зміцненого шару і навіть може підвищити мікротвердість поверхні, особливо ефективно для покриття Al2O3 + ІЛО Al ++ Л Мод.

Рис. 4. Системна картка для застосування лазерної обробки у комбінованій.

Досліджувана вигинна міцность твердих сплавів ВК6, ВК6ОМ: з покриттями Mo2N, ZrN; з додатковим іонним легуванням іонами Мо+, Zr +; з комбінованим зміцненням (ПІО+ІЛО+ЛО) Mo2N+Мо++ЛМод і ZrN+Zr++ЛМод.

Дослідження проводилося за стандартною методикою. Робочий обсяг складав 125, 150, 200, 375 мм3. Проведено дослідження контрольних зразків із ВК6, ВК6ОМ без покрить і з покриттями Mo2N, Zr+, з імплантованими іонами цирконію.

Результати дослідження коефіцієнта впливу на вигинну міцність у залежності від робочого обсягу представлені на рис. 5. Показано, що в результаті комбінованого зміцнення значення коефіцієнтів впливу відрізняються незначно (від 1,05 до 1,23) і ці коефіцієнти впливу істотно спростять створення АРМ технолога, що використовує РІ з покриттям і комбінованим зміцненням.

У п’ятому розділі показано теоретично, що можуть бути обрані технологічні режими (фізичні параметри), при яких можна реалізовувати зміцнення з оплавленням або без, розмірну обробку з видаленням матеріалу в паровій, рідкій і твердій фазі (за рахунок термопружного відколу матеріалу).

Завдяки лазерному випромінюванню (ЛВ) можливо нагрівати метали і сплави, що інтенсивно окислюються при високих температурах, вимагають використання захисного середовища або вакууму для їхнього нагрівання при обробці.

Досліджено та винайдено найбільш раціональний закон переміщення променя (електронного і лазерного) для одержання необхідного розподілу температур у плоскій деталі.

На основі теоретичного розгляду процесів при дії ЛВ на конструкційні матеріали й описи їхнього руйнування під дією ЛВ, розглянуті питання створення промислової установки та технологічних режимів для прошивання отворів малих діаметрів і прорізання пазів у малорозмірних циліндричних деталях.

Розроблена і налагоджена комп'ютеризована лазерна технологічна установка показує високу продуктивність (прошивання 140 отворів за 6 хвилин) і забезпечує необхідну якість отворів, вона впроваджена на ДП ХМЗ ФЕД.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Розроблені наукові основи використання лазерного випромінювання при комбінованому зміцненні та для розмірної лазерної обробки деталей і представлені шляхи їх реалізації.

1. Отримані поля температур і напружень, які дозволили на основі розробленої тривимірної нестаціонарної сумісної задачи теплопровідності і термопружності винайти режими видалення матеріалу в паровій, рідкій і твердій фазах, що дозволяє знайти режими зміцнення з оплавленням і без, режими продуктивної розмірної обробки з термопружним відколом матеріалу.

2. Вперше для випадку дії лазерного випромінювання на конструкційні матеріали вирішена задача теплопровідності і термопружності з врахуванням кінцевої швидкості розповсюдження тепла, що дозволяє знайти додатковий стрибок температур на межі розповсюдження тепла й значні температурні напруження в цій області, які можуть відповідати за термопружний відкол матеріалу.

3. Рішення сумісної задачі теплопровідності і термопружності дозволило суттєво уточнити величини температурних напружень порівняно з їх оцінками за характером розподілу температур, які не дозволяють врахувати витрати енергії на деформування й призводять до суттєво завищених температур при малому часу дії лазерного випромінювання (10-12 – 10-10с).

4. Отримані поля температур і напружень для випадку дії нерухомого джерела тепла та такого, що переміщується, а також виявлений вплив швидкості переміщення на величину температур і температурних напружень й характер їх розподілу, виявлений вплив часу дії ІВ і щільності теплового потоку на коефіцієнт енергетичного масовидалення й виявлені режими з викидом рідкої та твердої фаз.

5. Розроблені системні основи використання лазерного зміцнення в комбінованій технології й проведена експерементальна перевірка, отримано підвищення мікротвердості у 1,2 – 1,4 рази та стійкість РІ в 2 – 2,3 рази за рахунок використання лазерної обробки.

6. На основі експериментального дослідження полів температур при нагріві плоскої деталі скануючим лазерним і електроним променем в вакуумі доведена практична можливість забезпечити потрібні поля температур для подальшого використання при деформуванні заготівок з матеріалів, що інтенсивно окиснюються у вакуумі.

7. Створена промислова лазерна технологічна установа для прошивки отворів і прорізки пазів, проведена перевірка її технологічних можливостей; установка дозволила забезпечити прошивку 140 отворів діаметром 0,3 мм за 6 хвилин; на ДП ХМЗ ФЕД упроваджена лазерна технологічна установка для прошивки отворів і прорізі пазів, а також наукові основи створення комбінованих технологій с використанням лазерного зміцнення, з економічним ефектом 97 тис. грн.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Костюк Г.И., Воляк Е.А., Широкий Ю.В. Исследование влияния технологических параметров лазерной обработки на поля температур и напряжений, а также на эффективность удаления материала// Вісті АІНУ. – 2005. - № 3(26). - С.7 – 17.

2. Костюк Г.И., Широкий Ю.В., Степаненко Л.П. Научные и практические основы создания компьютерной лазерной установки для прошивки отверстий и прорези пазов в цилиндрических деталях// Вісті АІНУ. – 2004. - №4(24). - С. 58 – 62.

3. Костюк Г.И., Воляк Е.А., Широкий Ю.В., Дубнюк С.М. Методология и результаты исследования температурных полей плоских деталей, наргевающихся сканирующим электронным или лазерным лучом в вакууме//Авіаційно-космічна техніка і технологія.Х. – 2003. - №38/3. - С.57 – 71.

4. Костюк Г.И., Воляк Е.А., Белов Н.Л., Решетников В.И., Широкий Ю.В. Теоретические методы прогнозирования качественных характеристик деталей и РИ от технологических параметров, физико-механических характеристик деталей и РИ до упрочнения, геометрических параметров размещения РИ в установке, условий эксплуатации и режимов резанья выбора вида упрочнения или покрытия// Авіаційна-космічна техніка і технологія.Х. – 2003. - №39/4. – С. 6 – 21.

5. Костюк Г.И., Син Юаньдун, Широкий Ю.В. Исследование микротвердости быстрорежущей стали после нанесения покрытия, комбинированного упрочнения в зависимости от технологических и геометрических параметров обработки// Авіаційно-космічна техніка і технологія. Х. – 2002. - №33. - С. 62 – 70.

6. Костюк Г.И., Воляк Е.А., Широкий Ю.В. Модель теплофизических и термомеханических процессов при действии лазерного излучения на конструкционные материалы деталей АТ// Авіаційно-космічна техніка і технологія. Х. – 2002. - №31. – С. 280 – 291.

7. Костюк Г.И., Воляк Е.А., Широкий Ю.В. Особенности развития полей температур и напряжений в материале при лазерной обработке с учетом конечной скорости распространения тепла// Вісті АІНУ – 2005. - №3(26). - С. 137 – 143.

8. Костюк Г.И., Антонова О.О., Воляк Е.А., Широкий Ю.В. Исследование характеристик прочности материалов после нанесения покрытия и комбинированного упрочнения// Авіаційно-космічна техніка і технологія. Х. – 2002. - №32. - С. 316 – 321.

9. Костюк Г.И., Антонова О.О., Воляк Е.А., Широкий Ю.В. Изгибные характеристики прочности материалов после нанесения покрытия и различных видов комбинированного упрочнения// Матеріали ХІ Міжнар. конф. “Нові технології в машинобудуванні” - Харків-Рибаче. – 2002. – С. 19.

10. Костюк Г.И., Син Юаньдун, Широкий Ю.В. Влияние технологическх параметров и геометрических параметров в установке на микротвердость при комбинированной обработке деталей АТ// Матеріали ХІ Міжнар. конф. “Нові технології в машинобудуванні” - Харків-Рибаче. – 2002. – С. 21.

11. Костюк Г.И., Воляк Е.А., Широкий Ю.В., Дубнюк С.М. Методология и результаты исследования температурных полей плоских деталей, нагривающим сканирующим электронным или лазерным лучом в вакууме// Матеріали ХІІ Міжнар. конф. “Нові технології в машинобудуванні” - Харків-Рибаче. – 2003. – С. 11.

12. Костюк Г.И., Воляк Е.А., Белов М.Л., Решетников В.И., Широкий Ю.В. Теоретические методы прогнозирования качественных характеристик деталей и РИ от технологических параметров, физико-механических характеристик деталей и РИ до упрочнения, геометрических параметров розмещения РИ в установке, условий эксплуатации и режимов резанья выбора вида упрочнения или покрытия // Матеріали ХІІ Міжнар. конф. “Нові технології в машинобудуванні” - Харків-Рибаче. – 2003. – С. 11.

13. Широкий Ю.В. Лазерная технологическая установка для прошивки отверстий и прорези пазов в цилиндрических деталях топливной аппарутуры// Матеріали Міжнар. наук. техн. конф. “Інте-гровані компьютерні технології в машинобудуванні”. Х. – 2004. - С. 108.

14. Костюк Г.И., Широкий Ю.В. Создание компьютерной лазерной установки для прошивки отверстий и прорези пазов в цилиндрических деталях топливной аппаратуры// Матеріали ХIV Міжнар. конф. “Нові технології в машинобудуванні” - Харків-Рибаче. – 2004. – С. 11.

15. Костюк Г.И., Воляк Е.А., Широкий Ю.В., Скорописов В.П. Влияние технологических параметров лазерной обработки на динамику полей температур и напряжений, эффективность удаления материала// Матеріали ХV Міжнар. конф. “Нові технології в машинобудуванні” - Харків-Рибаче. – 2005. – С. 9.

16. Костюк Г.И., Воляк Е.А., Широкий Ю.В., Скорописов В.П. Задача теплопроводности и термоупругости для расчета полей температур и напряжений при лазерной обработке с учетом конечной скорости распространения тепла// Матеріали ХV Міжнар. конф. “Нові технології в машинобудуванні” - Харків-Рибаче. – 2005. – С. 20.

17. Костюк Г.И., Широкий Ю.В., Дубнюк С.Н. Теплофизические и термомеханические процессы при действии ионизирующего излучения на материалы и эффективность лазерной обработки// Матеріали ХVІ Міжнар. конф. “Нові технології в машинобудуванні” - Харків-Рибаче. – 2006. – С. 33.

АНОТАЦІЯ

Широкий Ю.В. “Процеси фізико-технічної лазерної обробки та лазерно –плазмово-іонного зміцнення”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 – процеси фізико-технічної обробки. Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2007.

Дисертація присвячена розробці наукових основ лазерно-плазмово-іонного зміцнення, а також застосуванню розмірної лазерної обробки при комбінованому зміцненню.

Створені фізико-технологічні основи лазерної розмірної обробки і досліджене лазерно-плазмово-іонне зміцнення, які включають теоретичні аспекти; створена сумісна модель теплопровідності та термопружності в зоні дії лазерного випромінювання (ЛВ), що дозволяє знайти поля температур і температурних напружень, визначити механізм руйнування матеріалу в паровій, рідкій (викид рідкої фази) та твердій фаз (термопружного відколу); підтвердити експериментально їх реалізацію та виявити вплив технологічних параметрів (щільність теплового потоку, швидкість переміщення, час дії) на ефективність нагріву, зміцнення або розмірної обробки.

Розроблені системні основи технологічного супровіду зміцнюючих технологій з використанням ЛВ.

Доведена можливість підвищення вигинних міцностних характеристик, мікротвердості та стійкості РІ за рахунок лазерно-плазмово-іонної обробки, а також використання ЛВ для нагріву деталей (з матеріалів, що підлягають інтенсивному окисненню у вакуумі), або моделюванню дією ЛВ й електронним променем.

Розроблена і налагоджена комп'ютеризована лазерна технологічна установка показує високу продуктивність (прошивання 140 отворів за 6 хвилин) і забезпечує необхідну якість отворів. Ця установка вона впроваджена на ДП ХМЗ ФЕД.

Ключові слова: лазерна розмірна обробка, комбінована обробка, плазмово-іонна обробка, вигинна міцність, мікротвердість.

АННОТАЦИЯ

Широкий Ю.В. “Процессы физико-технической лазерной обработки и лазерно–плазменно-ионного упрочнения”. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 – процессы физико-технической обработки. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена разработке научных основ лазерно-плазменно-ионного упрочнения, а также применения размерной лазерной обработки при комбинированном упрочнении.

Проведено исследование возможностей повышения служебных характеристик деталей и стойкости режущих инструментов (РИ) за счет различных методов упрочнения.

Рассмотрено действие лазерного излучения (ЛИ) на конструкционные материалы.

В модели взаимодействия ЛИ с конструкционными материалами учтены характер действия источника тепла, баланс тепла в элементарном объеме детали (учитывается перемещение луча, теплопроводность, перемещение фронта испарения, действие объемной части излучения, энергия термоупругой деформации материала и диффузии материала под действием теплового излучения).

В результате решения задачи теплопроводности и термоупругости были получены поля температур и напряжений для задачи с учетом конечной скорости распространения тепла. Найден дополнительный скачок температур в зоне ограниченного действия источника тепла, где образуется дополнительный максимум температурных напряжений.

Рассмотрены результаты расчетов полей температур и напряжений, эффективность удаления материала, как в твердой, так и в жидкой фазах в зависимости от величины плотности теплового потока, скорости перемещения пятна взаимодействия и времени действия лазерного излучения, учтены различные механизмы удаления металла в жидкой и твердой фазах (доказано также экспериментально).

Проведены также исследования полей температур и температурных напряжений в конструкционных материалах при действии ЛИ, а также дается взаимосвязь параметров обработки и распределения температур и температурных напряжений, характера и эффективности массоуноса, что важно для размерной обработки конструкционных материалов лазерным излучением. Проведены исследования эффективнсти массоуноса: рассмотрены механизмы выброса жидкого металла за счет реактивного действия испаряющегося материала, действия термоупругой волны и за счет давления света.

Расчеты позволили получить поля температур и напряжений в зоне действия ЛИ с различной плотностью теплового потока и скоростью перемещения пятна при различном времени его действия, а также величины коэффициента энергетического массоуноса от технологических параметров (плотность теплового потока, время его действия и скорость перемещения луча) и от величины температурных напряжений.

Созданы концепции разработки автоматизированной интегрированной системы технологического сопровождения технологий упрочнения, исследованы коэффициенты влияния типов покрытий и вида упрочнения на качественные характеристики в зависимости от технологических параметров, геометрических параметров размещения РИ и деталей, физико-механических характеристик (ФМХ) деталей и РИ до обработки, условий эксплуатации и режимов резания для различных типов упрочнения и покрытий.

Доказана возможность повышения за счет комбинированной обработки ФМХ материала, изгибных прочностных характеристик материалов и микротвердости после нанесения покрытий и комбинированного упрочнения.

Исследован и найден наиболее рациональный закон перемещения луча (электронного и лазерного) для получения необходимого распределения температур в плоских деталях.

На основании теоретического рассмотрения процессов при действии ЛИ на конструкционные материалы и описания механизмов разрушения при действии ЛИ, рассмотрены вопросы создания промышленной установки и технологических режимов для прошивки отверстий малых диаметров и прорезки пазов в малоразмерных цилиндрических деталях.

Разработанная и налаженная компьютеризованная лазерная технологичная установка, которая внедрена на ГП ХМЗ ФЭД, показывает высокую производительность (прошивка 140 отверстий за 6 минут) и обеспечивает необходимое качество отверстий.

Ключевые слова: лазерная размерная обработка, комбинированная обработка, плазменно-ионная обработка, изгибная прочность, микротвердость.

SUMMARY

Shyrokyy Yuriy Viacheslavovych. “Processes of physic-technical laser processing and laser-plasma-ion strengthening”. – The manuscript.

The dissertation for scientific degree of Cand. Tech. Sciences. on a specialty 05.03.07 – processes of physic-technical processing. National Aerospace University named after M.E. Zhukovskyi “Kharkiv Aviation Institute”, Kharkiv, 2007.

The dissertation is devoted to the development of scientific bases of laser-plasma-ion strengthening and also to application of period-timed laser processing when combined strengthening takes place.

Physic-technical bases of laser period-timed processing have been generated and laser-plasma-ion strengthening has been researched, which both include theoretical aspects; generating combined model of heat conduction and heat flexibility in the area of laser radiation (LR) action allows to find out temperatures and voltages` fields, to rate failure mechanism in steam, liquid (liquid phase kick) and solid phase (heat flexibly chip); to laboratory confirm their implementation and to disclose the effect of technological parameters (heat-flow rate, traverse speed, time of operation) to heating effectiveness, strengthening or period-timed processing.

System fundamentals of technological tracking of strengthening technologies with the use of LR have been developed.

Capability of increasing the bending resistance characteristics, microhardness and stability of machining tool using laser-plasma-ion processing, and also the use of LR for heating elements (made of materials which are subjected to intense oxidation in the air), or modulated by the action of LR and cathode ray have been proved.

Computerized laser-technological complex, developed and put into practice, indicated high effectiveness (biting 140 apertures for 6 minutes) and provides necessary quality of apertures, and has been implemented at FED Kharkiv Manufacturing Engineering Factory State Establishment.

Keywords: laser period-timed processing, combined processing, plasma-ion processing, bending resistance, mircohardness.

________________________________________________________________________________

Підписано до друку . .07р. Формат видання 145 х 215.

Формат паперу 60 х 90/16. Папір офсетний.

Обсяг 0,9 авт.арк. Тираж 100 прим. Зам. №.

________________________________________________________________________________