CC BY
31ЛАЗЕРНОЕ МНОГОЛУЧЕВОЕ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЕ ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ
МАШИНОСТРОЕНИЯ
Аракелян Сергей Мартиросович
доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики и
прикладной математики, Владимирский государственный университет Скрябин Игорь Олегович аспирант кафедры физики и прикладной математики, Владимирский государственный университет Евстюнин Григорий Анатольевич кандидат экономических наук, заведующий базовой кафедры «Лазерная поверхностная обработка материалов: устройства и технологии» ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения»
Абрахин Сергей Иванович кандидат технических наук, доцент Владимирский государственный университет Новикова Ольга Алексеевна инженер кафедры физики и прикладной математики Владимирский государственный университет LASER MULTIPATH THERMOSTRENGTHENING RESPONSIBLE DETAILS OF MECHANICAL ENGINEERING Arakelian S.M. doctor of physics and mathematics, professor, Vladimir State University Skryabin I.O. Postgraduate of the Department of Physics and Applied Mathematics Vladimir State University Evstyunin G.A. Candidate of Economic Sciences LLC "New laser technology thermostrengthening" Abrakhin S.I. Candidate of Engineering Sciences, docent Vladimir State University
Novikova O.A. Engineer of the Department of Physics and Applied Mathematics Vladimir State University АННОТАЦИЯ
Проведено исследование термоупрочнения образцов машиностроительных сталей, широко применяемых в промышленности и машиностроении. Для исследования выбирались конструкционные и инструментальные типы стали. Представлены экспериментальные данные при различных режимах обработки. Осуществлено исследование результатов термообработки. Определены оптимальные режимы обработки. Проведено исследование технологических режимов и решений при лазерном термоупрочнении реальных изделий.
ABSTRACT
Investigated thermohardening samples engineering steels are widely used in industry and mechanical engineering. To investigate the chosen structural and tool steels. Experimental data with different processing modes. Conducting research of heat treatment results. Determine the optimal modes of processing. The research technological regimes and decisions by laser thermostrengthening real products.
Ключевые слова: лазерное термоупрочнение, лазерная закалка, лазерные технологические комплексы, многоканальный СО2 лазер, конструкционные стали, инструментальные стали.
Keywords: thermostrengthening laser, laser hardening, laser technological complexes, multi-CO2 laser, structural steel, tool steel.
Введение
Широкое применение технологий лазерного термоупрочнения требует постоянного увеличения эффективности данного процесса. Внедрение новых источников лазерного излучения, систем точного позиционирование, новых методов и средств транспортировки и формирования лазерных пучков и систем автоматизированного управления лазерными комплексами дает возможность интенсифицировать этот процесс. Однако, введение новых методов и средств в разрабатываемые комплексы требует значительных материальных затрат, и поэтому особое значение приобретает физическое моделирование процесса обработки поверхности и отработка режимов на существующих лазерный технологических комплексах[1].
В данной работе для проведения экспериментальных исследований были выбраны конструкционные стали марок 65Г, 30ХГСА, 45 и инструментальные стали марок У8А и 9ХС.
Рессорно-пружинная сталь 65Г характеризуется повышенной износостойкостью, при этом относительно дешева. Именно эти характеристики позволили данному виду стали найти широкое применение в машиностроении.
Шайбы, пружины и рессоры, корпуса подшипников, тормозные ленты и диски, фланцы и шестерни, подающие и зажимные цанги, а также прочие элементы узлов и конструкций — все это изготавливается из стали 65Г. Как правило из нее изготовлены листовые рессоры заднего моста в грузовых автомашинах. Сталь 65Г не применяется в сварных конструкциях и для работы с ударной нагрузкой.
Сталь 65Г, как и любая пружинно-рессорная сталь, обладает хорошими режущими свойствами и поддается оксидированию (воронению, чернению). Полоса или лист 65Г успешно применяются для изготовления ножей. В основном из этой стали изготавливают метательные ножи, реже — разделочные. Методом ковки из стали 65Г изготавливают казацкие шашки. Считается, что сталь 65Г один
из самых дешевых материалов для изготовления ножей, так что ножи из этой стали будут делать еще долго.
Сходные физические и механические свойства позволили использовать лист 65Г вместо таких видов стали, как 55С2 и 60С2, 70 и 70Г и 9Хс. Часто при употреблении словосочетания «пружинно-рессорная сталь», подразумевают как раз сталь 65Г.
Сталь 30ХГСА относится к классу легированных конструкционных сталей. Она была создана для нужд авиации, но благодаря отличным характеристикам быстро перешла в разряд популярных материалов в машиностроении. Нередко сталь 30хгса называют «хромансиль». Это название сплав получил благодаря содержащемся в нем легирующим элементам (хром, марганец и кремний), латинские названия которых в сокращении и составили слово «хромансиль». Аналогами хромансиля являются стали марок 40ХФА, 35ХМ, 40ХН, 25ХГСА и 35ХГСА.
Маркировка стали 30хгса включает число, находящееся на первом месте и показывающее выраженный в сотых долях процент содержания углерода. В данном случае он составляет 3%, то есть соответствует норме для класса сре-днелегированных сталей (до 2,5% - низколегированная, от 2,5 до 10% - среднелегированная, от 10% - высоколегированная). Литеры «Х», «Г» и «С» указывают на содержание в стали легирующих элементов - хрома, марганца и кремния. Так как после буквенных обозначений легирующих элементов нет чисел, значит их процентное содержание приблизительно равно 1%. Литера «А» на конце маркировки показывает, что сталь 30хгса относится к категории высококачественных сталей.
Химический состав стали 30хгса выглядит так: от 0,28 до 0,34% углерода, от 0,9 до 1,2% кремния, от 0,8 до 1,1% марганца, не более 0,3% никеля, не больше 0,025% серы, менее 0,025% фосфора, от 0,8 до 1,1% хрома и менее 0,3% меди.
Хром придает стали 30хгса прочность и делает ее устойчивой у коррозии. Марганец увеличивает сопротивление ударным нагрузкам, дополнительно усиливая прочность сплава, а также способствует износостойкости стали 30хгса. Добавление кремния необходимо для увеличения показателя ударной вязкости.
Легированная сталь 30хгса относится к разряду улучшаемых, то есть подвергается процедуре закалки при температуре от 550 до 660 °С. Это позволяет создавать не только высокопрочные авиационные, но и необходимые в машиностроении детали. Например, оси, валы, фланцы, лопатки компрессорных машин, крепежные детали, рычаги и многое другое.
Сталь 45 среди подобных материалов выделяется рядом представленных далее характеристик: химическим составом элементов, возможными заменителями, максимальной температурой работоспособности, функционально -стью и назначением, техническим и литейным набором характеристик. В качестве основных заменителей по подобным свойствам выделяют следующие стали: 50Г2, 40Х и 50. Они по своим характеристикам являются наиболее близкими и обладают похожим набором функций. Сталь марки 45 максимально хорошо подходит для валов, как распределительных, так и коленчатых, бандажей, шпин-
делей, цилиндров, самых различных форм и видов кулачков и так далее. Иными словами, для всех устройств и приборов, которым необходима максимальная прочность, износоустойчивостью и надежностью. По химическому составу сталь 45 содержит: марганец, медь, никель, хром, мышьяк, фосфор и другие элементы. Что касается механических свойств сталь 45 выдерживает большие перепады температур, всевозможные климатические воздействия и изменения. Сталь 45 легко проходит температурные испытания в диапазоне 200 - 600°С.
По способности справляться со всевозможными воздействиями выделяют сталь 45 калиброванную, горячекатаную, кованую, серебрянку, со специальным методом обработки и отжимом. Еще одна вариативная форма стали - это лист. Он может быть горячекатаным и холоднокатаным. На момент начала и конца температура ковки может достигать 1250°С и 700°С соответственно. Сталь 45 марки считается одним из наиболее трудносвариваемых материалов, но зато она не имеет отпускной способности. Такие свойства наиболее важны для сложных конфигураций и форм. Процесс сварки может проводится двумя способами: РДС и КТС. С разными химическими элементами критические точки работы могут варьироваться в диапазоне 350°С - 730°С. Ударная вязкость конечной детали из стали 45 зависит от толщины и диаметра листа. Несомненно, наиболее прочным окажется лист с большей толщиной. Благодаря методам производства и обработки стали, практически любое изделие способно выдержать даже самые сильные воздействия, а также крупногабаритные конструкции. Но предел выносливости имеется у любого материала, у стали 45 он является наибольшим благодаря физическим свойствам исходного материала.
45 сталь используется для производства распределительных и коленчатых валов, валов-шестерен, бандажей, шпинделей, кулачков, цилиндров и прочих изделий, подвергаемых поверхностной термической обработке и улучшению, от которых необходима высокая прочность[2,4].
Сталь У8А применяется для производства инструментов и является инструментальной. Буква «У», находящаяся в начале аббревиатуры указывает на то, что данная сталь является углеродистой. Идущая далее цифра говорит об объеме углерода в десятых долях процента. Буква «А» в конце всегда указывает на то, что сталь прошла процедуру улучшения и обладает повышенным качеством.
Особенностью стали У8А можно назвать такие качества, как податливость ковке, шлифовке. Стоит отметить, что данная сталь не используется при создании сварных конструкций и не льется. Плотность стали У8А равняется 7859 кг/м3. Термическая обработка выполняется при 800°С. В качестве заменителей могут быть использованы такие материалы, как У10А и У7А. Сталь используется для изготовления инструментов, режущая кромка которых не претерпевает нагрева. Чаще всего это деревообрабатывающие инструменты, такие как колун, долото, дисковая и продольная пила, зенковка, фреза, цековка, стамеска и топор. Это также могут быть пневматические небольшого размера инструменты - зубила, обжимки. Не исключением являются и слесарно-монтажные инструменты -плоскогубцы, молотки и кувалды. Помимо всего перечисленного
сталь У8А часто применяется для производства штампов холодной высадки и термообработанной холоднокатаной ленты толщиной от 0,05 до 1,3мм и плющеной ленты толщиной от 0,15 до 2,00 мм для производства пружин и пружинящих деталей, за исключением заводных. Все вышеперечисленные и прочие, сделанные из представленной стали инструменты, обладают высокой ударостойкостью и прочностью, но не эксплуатируются в местах возможного нагрева, поскольку повышение температуры пагубно влияет на свойства стали У8А.
Сталь 9ХС относится к легированной инструментальной стали и используется в качестве материала для изготовления различного рода инструментов. Это могут быть инструменты и детали, которым требуется прочность на кручение или изгиб, высокая износостойкость, например, развертки, сверла, плашки, фрезы, гребенки, метчики, машинные штемпели и так далее. Отечественными аналогами стали 9ХС являются стали ХВСГ и ХВГ.
Сталь 9ХС предназначена для выпуска инструментов, применяемых для обработки холодных материалов. Также в данную группу входят похожие по характеристикам марки сталей 8ХФ, 13Х, 9ХФМ, 9ХФ, 9Х1, Х, 9Г2Ф, 6ХС, 6ХВГ, 9ХВГ, В2Ф, 9ХС, 4ХС, ХГС, ХВГ, ХВСГФ, 5ХВ2СФ, 6ХВ2С, 9Х5ВФ, 7ХГ2ВМФ, Х12, Х6ВФ, Х12Ф1, Х12МФ, Х12ВМФ и другие.
Сталь 9ХС имеет следующую расшифровку: цифра вна-
чале указывает на то, что содержание углерода составляет 0,9%, буквы С и Х говорят о том, что содержание кремния и углерода составляет до полутора процентов, то есть теперь можно сказать, что представленная сталь является легированной.
Сталь 9ХС при обработке не чувствительна к флокенам, это значит, что внутри нее не образуются, ухудшающие прочностные характеристики материала, трещины. Сталь марки 9ХС при температуре в начале 1180 °С - в конце 800 °С отлично поддается ковке. Однако плохо подходит для производства сварных конструкций, но ее использование вполне сносно приконтактно-точечной сварке[2,4].
Методика экспериментальных исследований основана на имеющемся опыте работ по лазерному термоупрочнению и планируется к использованию при подготовке методик испытаний роботизированного универсального интеллектуального лазерного комплекса с диагностикой процессов упрочнения в реальном масштабе времени.
Обработка производится в соответствии с выбранными для эксперимента режимами на специализированном лазерном технологическом комплексе АЛТКУ-5 на основе многоканального СО2 лазера с уникальной компоновкой трубок. Схема представлена на рисунке 1. Режимы обработки выбираются исходя из возможностей технологического комплекса и опыта работ по лазерному термоупрочнению материалов.
ь в т е
Рисунок 1. Схема АЛТКУ-5:
1 - баллон с рабочей смесью; 2 - холодильная машина для источника высокого напряжения лазера; 3 - многоканальный С02-лазер; 4 - электрошкаф; 4 - система охлаждения для оптических элементов головки; 5 - кабинет; 6 - станина; 7 - система транспортировки луча в зону обработки; 8 - стол для обрабатываемых деталей; 9. - оптическая головка.
Выбор режима осуществлялся на изменении в оптимальных для обработки интервалах: мощности (от минимума - 1000 Вт до максимума - 4600 Вт), скорости (от максимума - 10 мм/с до минимума - 6 мм/с) и диаметра пятна (от минимума - 6 мм до максимума - 30 мм). В таблице 1
представлены параметры выбранных режимов. Таким образом, задавался достаточно широкий круг параметров, позволяющий варьировать интенсивностью лазерного воздействия и эффективным временем воздействия в пределах лазерного пятна[3].
Таблица 1
Параметры экспериментальных режимов термообработки
№ режима Диаметр рабочего пятна Б, мм Мощность излучения P, Вт Скорость обработки V, мм/с
1 6 1000 10
2 8 1250 10
3 10 1800 10
4 12 2300 10
5 14 2800 10
6 16 3300 10
7 18 3800 10
8 20 4300 10
9 22 4800 10
10 24 4800 10
11 26 4800 7,5
12 28 4800 6
13 30 4800 6
После проведения лазерной закалки, изменения в шероховатости поверхности не проявились ни на одном из образцов. Результаты измерений основных характеристик термоупрочнения (твердость, глубина закаленного слоя, ширина закаленной зоны) представлены в таблице 2 (для
Параметры наилуч
образца из каждой стали в отдельности). Характеристики твердости измерялись с помощью ультразвукового твердомера "МЕТ-УД". Глубина и ширина закаленной зоны определялась с помощью микроскопа "Микромед - МЕТ", в котором имеется специальный окуляр - микрометр.
Таблица 2
х режимов обработки
Марка стали № режима Твердость после обработки, НК.С Глубина закаленного слоя, мм Ширина закаленной зоны, мм
Наилучшие режимы по оптимальному соотношению всех характеристик.
65Г 10 53-58 1,7 21
30 ХГСА 10 53-56 1.8 22
45 10 58-63 2,1 22
У8А 10 63-68 1.9 21
9ХС 10 53-58 1,7 21
Наилучшие режимы по глубине закалки.
65Г 6 59-64 2,2 16
30 ХГСА 10 53-56 1.8 22
45 10 58-63 2,1 22
У8А 10 63-68 1.9 21
9ХС 7 62-66 1.7 16
Наилучшие результаты по твердости закалки
65Г 7 63-68 1,5 16
30 ХГСА 9 56-59 1,7 19
45 1 64-67 1,3 6
У8А 9 60-69 1,2 19
9ХС 1 67-69 1,2 6
Как видно из таблицы 2, лучшим режимом обработки по оптимальному соотношению всех характеристик является режим № 10. По сравнению с результатами предыдущих аналогичных исследований на комплексе АЛТКУ- 3, с лазером имеющим меньшую среднюю мощность., и другой компоновкой трубок излучателя можно увидеть, что максимальные показатели твердости не увеличились и остались прежними, однако ширина закаленного слоя увеличилась почти в 3 раза (на АЛТКУ-3 Б3-7-8 мм), а глубина упрочнения увеличилась в 1.5-2 раза. Отсюда можно сделать вывод, что новый комплекс АЛТКУ-5 серьезно
повышает производительность обработки. Экспериментальные исследования лазерного термоупрочнения лабораторных образцов часто используемых сталей позволяют определить оптимальные режимы обработки данных промышленных материалов[5].
Из рисунка 2 видно, что при режиме обработки №11 стали 45 наблюдается неравномерная форма дорожки, сильное падение глубины в центре, при режиме воздействия №10 форма дорожки равномерна, изменения глубины не наблюдается.
Рисунок 2. Обработка стали 45, режимы №10 и №11
На рисунке 3 представлены изображения срезов для из изображения при режиме №7 наблюдается неравномер-стали 9ХС после обработки режимом №8 и №7. Как видно ная форма дорожки облучения.
Рисунок 3. Обработка стали 9ХС, режимы № 8 и №7
На рисунке 4 изображения срезов стали У8А. Режимы дорожки и сильное падение глубины в центре. обработки №8 и №11. При режиме №11 неравномерность
Рисунок 4. Обработка стали У8А, режимы №8 и №11
На рисунке 5 представлены результаты обработки ста- полное отсутствие закалки в центре дорожки, низкая глу-ли марки 65Г на режимах №9 и №12. При режиме №12 на- бина закаленного слоя. блюдается неравномерная форма дорожки, практически
Рисунок 5. Обработка стали 65Г, режимы №9 и №12
На рисунке 6 представлены срезы стали марки 30ХГСА ма №11 наблюдается неравномерная форма упрочненной на режимах обработки №10 и №11. При воздействии режи- дорожки.
Рисунок 6. Обработка стали 30ХГСА, режимы №10 и №11
Заключение увеличения глубины упрочнения в 1,5 - 2 раза, а ширины
Предложен метод термоупрочнения сталей с исполь- закаленного слоя в 3 раза. Предложены различные режи-зованием комплекса АЛТКУ-5. Показана возможность мы упрочнения в зависимости от энергии воздействия и
компоновки лучей.
Исходя из максимальных результатов на глубину закалки можно сделать вывод, что закалять возможно детали абсолютно любой номенклатуры и габаритов, учитывая, что максимально допустимый износ любой детали составляет не более 0,4-0,5 мм (в зависимости от детали и от её условий работы).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Коваленко, В.С. Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов / В.С. Коваленко, А.Д. Верхотуров, Л.Ф. Головко, И.А. Подчерняева. - М.: Наука, 1986. - 280 с.
2. Рыкалин, Н.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов,
И.В. Зуев, А.Н. Кокора. - М.: Машиностроения, 1985. - 496
3. В.И. Югов. Высокоэффективная технология ресурсосбережения: лазерная поверхностная обработка. Фотоника. - 2012 - № 4 (34). - С. 12 - 20.
4. Полянсков, Ю.В. Технологические методы повышения износостойкости режущего инструмента и деталей машин / Ю.В. Полянсков, В.П. Табаков, А.П. Тамаров. - Ульяновск: УлГУ 1999. - 69 с. - ISBN-5- 88866-039-6.
5. Quanta 200 3D. Руководство пользователя. - FEI Company, 2005. - 346 с.
ACOUSTIC COMFORT OF A MULTIPURPOSE HALL PALACE OF CULTURE FOR UNIVERSITY STUDENTS OF BSTU NAMED AFTER V. G. SHUKHOV
Tarasenko V. N., Ph. D. (Tech. Sciences), Asst. Prof., Degtev I. A., Ph. D. (Tech. Sciences), Prof., Chernysh N. D., Asst. Prof.
Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov.
ABSTRACT
Acoustics of multipurpose halls is made up of a number of factors, the most important of which is considered to be the geometry of the Hall itself, the existence of balconies and other constructive techniques of division of the Hall's space, the kind of decoration of interior elements, features of sound reproduction equipment placement, availability and type of sound absorptions (silencers).
Keywords: comfort of staying, sound absorption, electro-acoustic systems, equivalent areas of sound absorption of materials and structures.
A hall for cultural events is a complex, high-technical structure, elements of which are related to the functional accomplishment. Acoustic accomplishment plays an important role in ensuring the comfort of the audience. Acoustics is considered to be good, if the multipurpose hall is suitable for events of various kinds, with accented useful sounds and the extraneous ones are reduces to the level that does not interfere with the comfort of perception.
Acoustic comfort of a hall consists of the following components:
-provision of the audience with sufficient sound energy; -creation of the diffuse sound field; -exclusion of ECHO and focus of the sound; -provision of optimum reverberation time; -minimization of extraneous noise.
Assessment of a hall, where the sound of music and of speech is recognized as of the highest quality, is based on laws of distribution of sound waves in a closed room (space), on laws of reflection and absorption of sound by different kinds of surfaces. Acoustic comfort involves balance between the processes of absorption and reflection of sound energy.
Placement of sound reproduction equipment is involved for conducting various types of sound programs in multipurpose halls. The sound reproduction equipment enables changing the acoustic properties of the premises depending on the type of the programs. For playing different genres of music, halls with different acoustic settings are required. Different acoustics on the stage and in the area of the audience should be provided within one hall. Rooms which are equipped with sound system (insonation systems), are divided into two groups:
1) halls, in which viewers perceive sound directly from the stage and with the help of amplification (lecture halls, concert halls, multipurpose halls);
2) halls, in which viewers perceive sound using only audio system.
In lecture halls and theatrical halls are designed to enhance the sound reinforcement system for speech; when performing concert programs soloists need sound reinforcement, when the soloists are accompanied by orchestra. In both cases, the microphone receives the signal for further amplification and is situated in the soundfield of loudspeakers, emitting amplified signal to the audience, thus, the amplification system is a system with acoustic feedback.
Usually for amplification of concert programs and soloists in large halls people use multi-channel stereo system, which allows obtaining high quality strengthening and preservation of acoustic spatial pattern. Traditionally multi-channel amplification system is applied. On the input side of each channel there is a group of microphones. Signals get the loudspeakers and then the audience from microphones after amplification. Signal which is received by the microphone, closest to the source, has a higher level compared to the signals received by other microphones. In addition, the first signal goes ahead in comparison with the others in time. This ratio level and temporal shifts persists in the signals emitted by loudspeakers that create the desired stereo effect. Loudspeakers of the central channel are usually above the middle part of the portal scene, and loudspeakers of the side channels are placed on the edges and below the loudspeakers of the central group.
In the halls of multi-purpose you must manage your time
