CC BY
18ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕЛЕВОЙ ГРУППЫ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НОВОГО РОБОТИЗИРОВАННОГО УНИВЕРСАЛЬНОГО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО КОМПЛЕКСА С ДИАГНОСТИКОЙ ПРОЦЕССОВ УПРОЧНЕНИЯ В РЕАЛЬНОМ
МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ
Аракелян С.М.
заведующий кафедрой, «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ)
Евстюнин Г.А.
заведующий базовой кафедрой, ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения» (ООО
«НТЛТ»), г. Владимир Журавель В.М.
инженер, ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения», Владимир
Абрамов Д.В.
доцент, «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая
Григорьевича Столетовых» (ВлГУ)
TECHNOLOGY DEVELOPMENT AND DEFINITION OF THE TARGET GROUP OF PRODUCTS FOR LASER SURFACE HARDENING USING A NEW VERSATILE INTELLIGENT ROBOTIC LASER SYSTEM WITH THE DIAGNOSTIC PROCESS HARDENING IN REAL TIME
Arakelyan S.M., Head of the Department, "Vladimir State University named after Alexander G. and Nicholas G. Stoletovs" (VlSU)
Evstyunin G.A., Head of the Department of Basic, LLC "New technologies of laser thermal hardening" ("NTLT" LLC), Vladimir
Jyravel V.M., engineer, LLC "New technologies of laser thermal hardening" ("NTLT" LLC), Vladimir
Abramov D.V., docent, "Vladimir State University named after Alexander G. and Nicholas G. Stoletovs" (VlSU)
АННОТАЦИЯ
В настоящей статье рассматриваются результаты отработки технологических режимов поверхностного термоупрочнения наиболее часто используемых в машиностроении типов сталей с использованием нового многоканального лазерного технологического комплекса. Показаны достигнутые показатели термоупрочнения, которые в комплексе превосходят результаты, получаемые при эксплуатации традиционных технологических комплексов. Определены группы изделий, термообработка поверхности которых целесообразна с использованием нового лазерного технологического комплекса.
ABSTRACT
This article discusses the results of working out of technological modes of surface thermal hardening most commonly used types of steel in mechanical engineering with a new multi-channel laser technological complex. Showing achieved thermostrengthening indicators, which together exceed the results obtained in the operation of the traditional technological complexes. The groups of products, suitable heat treatment of surfaces with a new laser processing facility.
Ключевые слова: лазерное термоупрочнение, технологические режимы, повышение износостойкости.
Keywords: laser thermostrengthening, technological modes, improving durability.
Введение
В настоящее время лазерные технологии широко применяются для обработки изделий машиностроения различного назначения. Одной из таких технологий является лазерное поверхностное упрочнение материалов. Лазерное термическое упрочнение заключается в воздействии интенсивного потока лазерного излучения на локальный участок поверхности, поглощении лазерного излучения в приповерхностных участках материалов и, вследствие этого, быстром разогреве этих участков до высоких температур [1]. После прекращения
действия излучения нагретый участок охлаждается в основном вследствие теплопроводности во внутренние объемы материала, а также за счет теплоотдачи с поверхности. При этом достигаются высокие скорости охлаждения. В процессе нагрева и охлаждения происходят фазовые превращения. Если при этом имеет место упрочнение, то оно классифицируется как упрочнение при фазовых переходах. Таким образом, лазерное упрочнение сталей заключается в нагреве локальных участков поверх-
ности до температур выше критических и последующем охлаждении с высокой скоростью, приводящей к образованию мартенситных структур.
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. Именно эти тенденции учитываются в создаваемом новом технологическом комплексе - роботизированном универсальном интеллектуальном лазерном комплексе с диагностикой процессов упрочнения в реальном масштабе времени (РУИЛКДУ). Однако введение новых методов и средств в разрабатываемые комплексы требует значительных материальных затрат и ошибка может принести достаточно большие финансовые потери. Ошибок в проектировании может помочь избежать предварительное физическое моделирование и отработка режимов на существующих ЛТК. Не менее важно правильно определить группы изделий, обработка которых может быть наиболее эффективно осуществлена с использованием нового технологического комплекса. Здесь разработчикам следует учитывать не только собственный опыт, но и результаты других научно-исследовательских и производственных коллективов.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ № 02.G25.31.0129
Результаты отработки технологий лазерного термоупрочнения и анализ результатов обработки различных групп изделий
Для отработки технологий лазерного термоупрочнения использовался технологический комплекс АЛТКУ-5 с многоканальным СО2 лазером. Этот комплекс представляет собой одну из самых последних отечественных разработок лазерных технологических установок для поверхностной термообработки изделий. Внешний вид комплекса представлен на рисунке 1, а его основные характеристики в таблице 1. АЛТКУ-5 обеспечивает параметры обработки (выходную мощность, характеристики лазерного пятна, скорость перемещения лазерного пучка) и возможности правления, сравнимые с запланированными в РУИЛКДУ. Существенно отличается длина волны лазерного излучения (10,6 мкм и 0,8 мкм), что значительно уменьшает коэффициент поглощения оптической энергии, но использование специальных покрытий позволяет устранить влияние этого отличия.
Были проедены экспериментальные исследование процесса термоупрочнения образцов машиностроительных сталей, широко применяемых в промышленности с целью определения оптимальных режимов их обработки, реализация которых планируется во вновь разрабатываемом лазерном технологическом комплексе. Для проведения экспериментальных исследований были выбраны стали 65Г, 30ХГСА, 45, У8А, 9ХС.
Рисунок 1. Автоматизированный лазерный комплекс АЛТКУ-5
Таблица 1
Технологические параметры лазерного комплекса АЛТКУ-5_
Тип лазера многоканальный СО2
Длина волны изучения 10,6 мкм
Режим работы непрерывный, импульсно - периодический
Апертура выходного излучения 50 мм
Средняя мощность излучения 5 кВт
Диаметр сфокусированного луча 8 мм
Зона обработки Х,У,2 1200 х 1000 х 400 мм
Линейная скорость обработки до 15 мм/
Производительность до 90 мм2/с
Потребляемая мощность 53 кВт
Выбор режима лазурного термоупрочнения осуществлялся путем изменения технологических параметров в оптимальных для обработки интервалах: мощность (от минимума - 1000 Вт до максимума - 4800 Вт), скорость (от максимума - 10 мм/с до минимума - 6 мм/с) и диаметро пятна (от минимума - 6 мм до максимума - 30 мм). Такие широкие диапазоны параметров обработки выбирались из-за большой номенклатуры деталей, которые можно подвергать лазерному термоупрочнению. Для мелкогабаритных и тонкостенных деталей нельзя использовать жесткие режимы, которыми закаляются крупногобаритные детали, такие как зубчатые валы, роторы, колеса и т.д.
По сравнению с результатами термоупрочнения с использованием традиционных лазерных технологических комплексов, мощность которых не превышает 3 кВт, достигнутые максимальные показатели твердости не увеличились, однако ширина закаленного слоя увеличилась почти в 3 раза, а глубина упрочнения увеличилась в 1,5-2 раза. Отсюда можно сделать вывод, что новый комплекс серьезно повышает производительность обработки.
Определение групп изделий, обработка которых может быть наиболее эффективно осуществлена с использованием нового технологического комплекса, производилась с учетом уже достигнутых отечественными исследователями результатам, которые доступны в открытых источниках (см. например, [2]). В частности известны комплексные исследования по разработке и внедрению технологий лазерного термоупрочнения при производстве деталей для тепловозных, тракторных и автомобильных двигателей.
Для упрочнения гильз цилиндров тепловозных двигателей, изготовленных из чугунов на перлитной или феррито-перлитной основе, в зависимости от температурного режима их работы использу-
Оценка результатов экспериментальных исследований лазерного термоупрочнения образцов по оптимальному соотношению основных характеристик закалки (достигнутая твердость материала и глубина закалки) позволила выделить наилучший режим обработки. Для всех образцов сталей наилучшим оказался режим обработки со следующими параметрами: диаметр пятна лазерного изучения на обрабатываемой поверхности 24 мм, мощность лазерного излучения 4800 Вт скорость обработки 7,5 мм/с. Характеристики обработанных изделий достигнутые при использовании этого режима представлены в таблице 2.
Таблица 2
ются две технологии лазерной термической обработки. Во-первых, технология обработки без оплавления поверхности или с минимальным оплавлением, Она используется для дизелей с относительно невысокой рабочей температурой внутренней поверхности гильз (до 300 °С) [3]. Она обеспечивает минимальное изменение шероховатости поверхности. Во-вторых, технология со значительным оплавлением поверхности. Она приводит к существенному изменению ее микрогеометрии, что увеличивает величину припуска на чистое хо-нингование. Однако, благодаря значительному содержанию эвтектического цементита в оплавленной зоне, она сохраняет свои свойства до более высоких (до 500 °С) температур [4].
Требования к характеристикам закаленного слоя гильз определяются условиями эксплуатации. Для тепловозных гильз допустимый износ на сторону не должен превышать 0,35 мм. Поэтому глубина зоны лазерного упрочнения после чистового хонингования должна быть не менее 0,4 мм, а твердость упрочненного слоя не менее HV 500. При этом размер дефектов на поверхности не должен превышать припуска на чистое хонингование. Деформации гильз цилиндров после лазерной закалки
Марка стали Твердость после обработки, же Глубина закаленного слоя, мм Ширина закаленной зоны, мм
Сталь 65Г 53-58 1,7 21
Сталь 30 ХГСА 53-56 1,8 22
Сталь 45 58-63 2,1 22
Сталь У8А 63-68 1,9 21
Сталь 9ХС 53-58 1,7 21
составили 40-50мкм (при термоупрочнении токами высокой частоты 0,25-0,3 мм).
Широкие возможности для технологии лазерной обработки открываются в сфере изготовления коленчатых валов на автомобиле- и тракторостроительных заводах и восстановления изношенных распределительных и коленчатых валов в ремонтном производстве. Отработана технология лазерной закалки и восстановления стальных и чугунных коленчатых и распределительных валов различных типов.
Условия эксплуатации и ремонта валов требуют закалки поверхностного слоя на глубину не менее 0,5 мм. Если учитывать весь диапазон возможных ремонтных размеров и их дискретность, то глубина закалки должна быть увеличена до 0,75-1,0 мм. Это необходимо для учета допусков на последующую механообработку. Для лазерного упрочнения таких деталей без оплавления на глубину порядка 1 мм (и более) с достаточно высокой производительностью должны быть использованы непрерывные лазеры мощностью 2,5-10 кВт, обеспечивающие получение дорожек шириной 8-15 мм при глубине упрочнения до 1,5-1,8 мм. Необходимая поглощательная способность поверхности оценивается в 0,6-0,9, что можно получить как традиционной фосфатацией, так и с применением более технологичных покрытий, легко удаляемых с обработанной поверхности.
Технология лазерного термоупрочнения тракторного двигателя средней мощности включает в себя следующие основные операции: очистка, нанесение поглощающего покрытия, лазерная обработка. Термоупрочнение производится перед заключительным полированием шеек и не предполагает никаких припусков. Лазерная обработка 9 шеек осуществляется в три этапа: сначала коренных шеек, затем попарно шатунных. Технологическое время полной обработки всех 9 шеек на уровне мощности 2,5-3,0 кВт составляет порядка 16-17 минут. Продолжительность и трудоемкость операции полирования не увеличены по сравнению с традиционной технологией.
В связи с высокой твердостью упрочнения "ленточных" зон и наличием между ними промежутков с исходной твердостью, после полирования абразивной лентой образуется макрорельеф, так называемая «волнистость». При этом, узкие впадины (шириной около 1,6-2 мм) чередуются с выступами (шириной 8-9 мм), образующимися в зонах лазерной обработки. Такая макроструктура не влияет на эксплуатационные свойства вала, хотя и несколько удлиняет процесс приработки вкладышей. При закалке шеек винтовой дорожкой существенно возрастают требования к чистоте сборки двигателя, так как абразивные частицы, не повреждая поверхности шеек, активно деформируют поверхность вкладыша (риски, борозды, царапины).
Стендовые испытания упрочненных валов проводились в течение 50 и 120 часов по стандартной методике. По результатам испытаний износостойкость шеек, обработанных лазерным лучом,
повысилась в 1,3 и более раз по сравнению с необработанными изделиями.
Износ вкладышей при обработке по оптимальным режимам, в основном, не увеличивался, хотя в отдельных случаях наблюдалось его повышение в 1,03-1,05 раза.
На ряде ремонтных предприятий внедрена технология лазерного восстановления коленчатых и распределительных валов, а также других деталей. Опыт эксплуатации восстановленных деталей показал, что их ресурс не уступает ресурсу новых деталей.
Еще одним примером применения лазеров в обработке деталей двигателей является упрочнение беговых дорожек, на дисках, венцах и крышках демпфера крутильных колебаний тяжелого тракторного двигателя. Упрочнение, выполненное отдельными дорожками на глубину 0,4 мм, обеспечило повышение моторесурса узла двигателя в 2,53 раза.
Применительно к задачам станкостроительной и инструментальной промышленности лазерное упрочнение нашло широкое применение при обработке станин и направляющих металлорежущих станков, а также штампового и режущего инструмента, пуансонов.
Уровень деформаций при использовании токов высокой частоты для закалки станин станков длиной 2 м составлял 2 мм. Лазерная обработка позволяет уменьшить его до 0,04-0,05 мм. Износостойкость рабочих кромок режущего инструмента увеличивается в 2,5-3 раза при глубине зоны лазерной закалки порядка 0,4 мм [5]. Лазерная термообработка пуансонов для выдавливания цинковых полюсов гальванических элементов увеличивает износостойкость в 1,6-2 раза.
Заключение
Результаты экспериментальных исследований, направленных на отработку технологических режимов лазерного термоупрочнения в условиях, приближенных к реализуемым в новом роботизированном универсальном интеллектуальном лазерном комплексе с диагностикой процессов упрочнения в реальном масштабе времени, показали значительное увеличение производительности обработки по сравнению с достигаемой на существующих лазерных технологических комплексах.
Анализ информации, накопленной к настоящему времени, позволил определить группы изделий, которые целесообразно упрочнять с использованием нового технологического комплекса. Наиболее эффективно его применение для термообработки деталей с целью повышения износостойкости трущихся тяжелонагруженных деталей и локальной обработки нежестких деталей, а также для восстановления изношенных деталей путем прецизионной наплавки, легирования и других аналогичных процессов. Целесообразно использование нового технологического комплекса вместо химико-термической обработки или объемной закалки токами высокой частоты для снижения трудоемкости.
Высокие энергетические параметры многолучевого лазероа и оптимальное для термообработки распределение интенсивности излучения обеспечивают высокую производительность процесса и однородность получаемых в зоне облучения металлографических структур.
Литература
1. Аракелян С.М., Евстюнин Г.А., Скрябин И.О., Абрахин С. И., Новикова О.А. Лазерное многолучевое термоупрочнение поверхности стальных изделий / Современные наукоемкие технологии. № 5 (часть 1) 2016, С. 9-13
2. Аракелян С.М., Скрябин И.О., Евстюнин Г.А., Новикова О.А., Термоупрочнение изделий из инструментальных сталей с использованием авто-
матизированного лазерного технологического комплекса алтку-5 / Естественные и технические науки / № 5 (95) 2016, С. 84-86.
3. Асташкевич В.М., Воинов С.С., Шхур Ю.А. Лазерное упрочнение стального цилиндра локомотивного дизеля // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1985. - № 4. - С. 12-15.
4. Леонтьев П.А. Лазерная поверхностная термообработка металлов и сплавов / П.А. Леонтьев, М.Ж. Хан, Н.Т. Чеканова. - М.: Металлургия, 1986 - 142 с.
5. Коцюбинский О.Ю. Оценка технологических возможностей термообработки с применением непрерывных газовых лазеров. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1980. - № 1. -С. 21-26.
