LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

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

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, g- 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; l,a -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 a 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; j1 - кут загострення клину;

Рис.8. Розрахункова схема процесу лазерного нагрівання клину.


a, l , 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 j1, 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: j = 0, z = 1мм, j1= 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 j1 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,