LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Технологія металів. Машинобуд. → Підвищення якості інструментів та деталей з клиноподібними робочими елементами застосуванням лазерного зміцнення

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 (l - 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 l=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