CC BY
90
МЕТАЛЛУРГИЯ. МЕТАЛЛООБРАБОТКА. МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.785.048.7
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЛАЗЕРНОГО ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ ВНУТРЕННИХ КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТОРМОЗНЫХ МЕХАНИЗМОВ ТРАКТОРА «БЕЛАРУС»
Канд. техн. наук КОБЯКОВ О. С., доктора техн. наук, профессора СПИРИДОНОВ Н. В., ДЕВОЙНО О. Г., БАРКУН А. А., ПИЛЕЦКАЯЛ. И.
Белорусский национальный технический университет, РУП ПО «Минский тракторный завод»
Одной из проблем при разработке и реализации технологических методов и режимов лазерного термоупрочнения внутренних и труднодоступных поверхностей деталей машин является выбор оптимального компоновочного решения размещения фокусирующих и отклоняющих систем внутри или вне упрочняемой детали, а также способов перемещения детали и подачи лазерного излучения в зону термообработки.
Задачами исследований являются: изучение процессов лазерного термоупрочнения деталей из высокопрочного чугуна марки ВЧ-50, выбор оптимальных технологических и компоновочных схем лазерного термоупрочнения внутренних поверхностей применительно к вопросам термоупрочнения контактных поверхностей деталей тормозных механизмов трактора «Бе-ларус», сравнительный анализ теплофизиче-ских режимов и свойств упрочненного металла для случаев нормального падения луча и при его падении под некоторым углом к упрочняемой поверхности.
Как показывает практика, динамика процессов взаимодействия тормозных механизмов зависит, прежде всего, от фрикционных и износостойких свойств материалов пар трения, нагрузочно-скоростных и температурно-силовых условий взаимодействия. Тормозная система модели 1221М, механизмы которой работают в масляной смазочной среде, отличается повышенной надежностью, долговечно-
стью и отвечает ряду современных требований и международных стандартов качества. Однако, с точки зрения равноресурсности, ряд деталей тормозных механизмов нуждается в повышении их ресурса по прочностным и износостойким характеристикам. Практика показывает, что использование традиционных методов термо-
упрочнения (объемная закалка, закалка ТВЧ и т. д.) не обеспечивает должного эффекта по прочностным и износостойким свойствам и создает дополнительные проблемы при последующей механической обработке упрочненных деталей. С учетом этих обстоятельств наиболее актуальным является использование технологии лазерного термоупрочнения. Лазерное термоупрочнение изделий из чугуна представляет большой практический интерес в связи с широким использованием данного металла в сельскохозяйственном машиностроении.
Проведенные нами исследования [1] показали, что при средней выходной мощности лазера 1,1 кВт непрерывного излучения «Ко-мета-2» при пятне нагрева диаметром 3-3,5 мм формируется зона термоупрочнения глубиной 0,8-1,2 мм. При нормальном угле падения луча микротвердость приповерхностных участков составляла 9200-10000 МПа, зон термического влияния - до 5500-5800 МПа, а глубина зон -до 0,3-0,5 мм при исходной микротвердости чугуна ВЧ-50 2400-2450 МПа. Оптимальная скорость перемещения пятна нагрева составля-
ла 270-300 мм/мин. Микротвердость металла анализировалась с использованием микротвердомера ПМТ-3 при нагрузке 100 г и времени экспозиции 10 с, а также на приборе Micromet при нагрузке 200 г и времени 5 с по ГОСТ 9450-46. Размерные параметры зон упрочнения анализировались с помощью микроскопа МБС-9 с микрометрической шкалой с ценой деления 0,01 мм.
Как показано в [2], при термоупрочнении высокопрочного чугуна при выходной мощности лазера ЛГН-702 0,8 кВт температура металла на глубине 0,25-0,3 мм в процессе закалки достигает 815-820 °С, а на поверхности - до 1000-1150 °С. Известно, что температурный интервал закалки чугунов от твердой к жидкой фазе достаточно узок, поскольку аустениза-ция перлита заканчивается при температуре 1000 °С, а уже при температуре 1150 °С происходит закалка металла из жидкой фазы [3]. Анализ микроструктуры зон термоупрочнения, проведенный нами с использованием методов оптической микроскопии с помощью микроскопов Neophot и «Эпигност» при увеличении в 250-1000 раз, показал, что микроструктура металла формируется из очень мелких дендритов или ячеек аустенита, не превышающих нескольких микрометров, с включениями игольчатого мартенсита. В междендритных промежутках располагается двухфазная структура, состоящая из ледебурита и цементита. Наличие этой фазы и мартенситной структуры обеспечивает высокую твердость и износостойкость металла. Характерная микроструктура приповерхностной зоны упрочненного чугуна показана нарис. 1.
Рис. 1. Микроструктура высокопрочного чугуна марки ВЧ-50, полученная лазерным термоупрочнением с про-плавлением металла (х1000)
Применительно к чугунам с шаровидными включениями графита (в том числе и к чугуну ВЧ-50), основными структурными составляющими которых являются мартенсит и аустенит, присутствие аустенитной фазы обеспечивает высокую твердость (до 62-65 HRC) и эксплуатационную стойкость термоупрочненного металла вследствие превращения метастабильно-го аустенита в мартенсит [4]. Сравнительный анализ параметров термоупрочнения металла при падении луча под углом 90° и 35° выявил некоторое уменьшение глубины закаленного слоя и значений микротвердости. По нашему мнению [1], это связано с изменением теплофи-зических режимов нагрева и уменьшением плотности мощности луча в пятне. В случае полого падающего луча под углом q2 (рис. 2) происходит трансформация проекции луча на
поверхность из круга площадью Sx = пгП в эллипс площадью S2 = nab, где a и b - полуоси эллипса. Тогда вследствие увеличения площади пятна нагрева (заштрихованный участок) уменьшение плотности мощности составит
P P
bqn = Аэф--A
nab
эф 2 ПТ„
где Аэф - эффективный коэффициент поглощения излучения; Р - мощность излучения в пятне.
q„
У и
А a
\ /Г 1"" . 9 62 91 / / / ---J x
1 /[\ ' / , /fc^j // /
2т„
/
/
/
/
/
z
Рис. 2. Теплофизическая модель формирования пятна нагрева на поверхности металла в случае нормального и полого падающего лазерных лучей в зону обработки
В отличие от модельного представления, пятно нагрева в реальных условиях будет представлять изотерму плавления металла в виде
S
вытянутого эллипса несимметричной формы. Сравнительный анализ плотности мощности при различных углах падения лазерного луча осуществлялся с использованием измерителя мощности лазерного излучения РСИ-60-56ПП. Следовательно, угол падения луча является одним из существенных технологических факторов, влияющим на ряд свойств и параметров процесса термоупрочнения.
Как показал анализ размеров и конфигурации упрочняемой корпусной детали тормоза (рис. 3), входное отверстие детали позволяет осуществлять термоупрочнение в пределах углов падения луча от 35° до 65°. Естественно, что с увеличением угла падения луча потери плотности мощности будут уменьшаться. Следует отметить, что значительные потери мощности за счет зеркального отражения от поверхности расплавленной зоны наблюдались при угле падения менее 30° [5]. Другим фактором, возможно влияющим на величину потерь мощности, является экранирование зоны нагрева вследствие возникновения облака лазерной плазмы [4], сформировавшейся на приповерхностных участках упрочняемого металла.
А-А
Рис. 3. Сборочный чертеж '180°юзных механизмов модели 1221М трактора «Беларус». Проекция А-А: 1 - корпус тормозных механизмов; 2 - нажимные диски; 3 - то же разжимные; 4 - то же промежуточные; 5 - шаровые опоры разжимных дисков; 6 - шарнирный механизм; 7 - возвратные пружины
Механизм формирования лазерной плазмы достаточно хорошо изучен, однако до конца не сложилось однозначного и четкого представления о первопричинах и физике процессов ее формирования на первоначальных этапах. По-видимому, наиболее вероятным следует считать механизм формирования плазмы за счет ионизации паров металла и парогазовых компонентов [6], присутствующих над поверхностью расплава и обладающих низким потенциалом ионизации. В этом случае одной из составляющих процесса может являться шероховатость и структура упрочняемой поверхности, сформировавшиеся в результате предварительной механической обработки металла. Есть мнение [4], что микрорельеф поверхности, а именно микровыступы металла, за очень короткий промежуток времени успевают нагреться до температуры кипения, что на несколько порядков быстрее, чем остальная масса металла в зоне термообработки. Существенное влияние на процессы ионизации примесей могут оказывать испарившиеся покрытия, наносимые на поверхность деталей для увеличения поглощения лазерного излучения. В ряде работ отмечалось существенное влияние исходной шероховатости обработанной поверхности на глубину зон термоупрочнения в процессе лазерного легирования металлов [7]. Замерами шероховатости с помощью профилографа-профилометра модели 252-А образцов из чугуна ВЧ-50, обработанных методом чистового фрезерования, были получены значения Яа = 5,35 мкм. Образцы обрабатывались на режимах, аналогичных обработке деталей. В результате лазерной закалки металла из жидкой фазы происходят значительные изменения как профиля, так и шероховатости поверхности. Например, при замерах параметров поверхности вдоль упрочненных дорожек величина Яа уменьшалась до Яа = = 3,2 мкм при средних значениях Нтах = 11,5 мкм и Итт = 6,2 мкм. Следовательно, такие технологические параметры, как исходная шероховатость и профиль поверхности упрочняемого металла, оказывают существенное влияние на глубину закаленного слоя, а также, по-видимому, косвенно влияют на процессы формирования лазерной плазмы.
В результате проведенных исследований и анализа влияния угла падения излучения на свойства и параметры зон упрочнения нами
7
экспериментальными и расчетными методами [8] получены режимы термоупрочнения, близкие к оптимальным. Была разработана и предложена технологическая компоновочная схема осуществления процессов термоупрочнения. С этой целью используется технологическая оснастка, включающая многокоординатный манипулятор (рис. 4), управляемый по заданной программе от компьютера, в промышленном исполнении.
Рис. 4. Технологическая схема лазерного термоупрочнения внутренних поверхностей корпусных деталей тормозных механизмов трактора: 1 - рама крепления детали; 2 - упрочняемая деталь; 3 - лазерная фокусирующая головка; 4 - волоконно-оптический кабель; 5 - станина лазерной головки; 6 - шаговый двигатель поворота детали; 7 - двигатель продольного перемещения; 8 -станина; 9 - лазерный луч
Относительное перемещение детали осуществляется системой шаговых двигателей с редукторами, а также вентильными двигателями без редуктора, задающими скорость перемещения с точностью до 0,2 мм и угол поворота детали с точностью до 1 угл. мин.
В результате проведенных исследований и анализа лазерных термоупрочняющих комплексов нами была предложена компоновочная схема технологического лазерного промышленного участка на базе новых современных диодных лазеров с волоконно-оптической системой транспортировки лазерного излучения в зону обработки. При этом предполагается полная автоматизация процесса с использованием робота-манипулятора. Общая компоновочная схема аппаратурного оснащения производственного участка приведена на рис. 5. На участке предполагается использовать совре-
менную лазерную аппаратуру [9] на базе диодного иттербиевого лазера. Лазер генерирует мощное излучение с длиной волны 1,07 мкм, что не требует нанесения специального поглощающего покрытия. Ресурс работы диодов составляет более 50 • 103 ч на максимальном токе.
4
Л
-О*
I
3
Рис. 5. Аппаратурное оформление производственного технологического участка лазерного термоупрочнения деталей: 1 - волоконный диодный лазер; 2 - стойка управления процессом; 3 - робот-манипулятор; 4 - транспортер подачи деталей
С помощью специальной цилиндрической оптики лазерная головка фокусирует полос-ковое излучение длиной 10 мм при ширине полосы 0,5-1,5 мм и равномерности плотности мощности в пятне не ниже 20 %. Фокусное расстояние оптической головки достигает 500 мм при длине волоконных оптических кабелей до 100-150 м и более. Волоконные диодные лазеры превосходят другие типы лазеров по всем существенным параметрам. Они не требуют расходных материалов и подстройки в процессе работы, обладают малыми габаритами, что позволяет реализовать их новое эффективное применение в промышленном производстве.
Предварительные стендовые испытания корпусных деталей тормозных механизмов трактора «Беларус» с использованием разрабатываемой нами технологии лазерного термоупрочнения показали, что при полном цикле испытаний, равном 2000, признаков износа упоров корпуса не наблюдалось.
Таким образом, многократное повышение износостойких свойств детали обеспечивает длительную работоспособность и долговеч-
ность тормозных механизмов, а следовательно, и надежность работы трактора в целом.
В Ы В О Д Ы
1. Исследованы технологические методы лазерного термоупрочнения внутренних контактных поверхностей корпусных деталей тормозных механизмов трактора.
2. Методом сравнительного анализа установлено некоторое уменьшение плотности мощности излучения в случае полого падающего луча за счет увеличения площади пятна нагрева, а также возможного экранирования пятна облаком лазерной плазмы.
3. Предложена технологическая схема термоупрочнения внутренних поверхностей и общая компоновочная схема производственного участка с использованием автоматизированной робототехнической системы и современных высокоэффективных диодных лазеров с волоконно-оптической транспортировкой излучения в зону термообработки.
4. С использованием разрабатываемой технологии упрочнена опытная партия корпусных деталей. Стендовыми испытаниями установлено многократное увеличение износостойких свойств упрочненных поверхностей, повышающих долговечность, надежность и ресурс работы тормозных механизмов трактора «Бе-ларус».
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Кобяков, О. С. Технологические особенности лазерного термоупрочнения внутренних плоских поверхностей деталей машин лучом лазера / О. С. Кобяков, Н. В. Спиридонов, А. М. Каленик // Теория и практика машиностроения. - Минск: УП «Технопринт», 2005. -№ 2. - С. 10-13.
2. Гадалов, В. Н. Упрочнение лазерной обработкой деталей из высокопрочного чугуна / В. Н. Гадалов, И. В. Павлов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2006. - № 5. - С. 56.
3. Майоров, В. С. Расчет параметров лазерной закалки со сканированием / В. С. Майоров // Физика и химия обработки металлов. - 1989. - № 1. - С. 38-43.
4. Веденов, А. А. Физические процессы при лазерной обработке материалов / А. А. Веденов, Г. Г. Гладуш. - М.: Энергоиздат, 1985 - С. 207.
5. Аронин, А. С. Структура высокоуглеродистых сплавов железа после лазерной закалки из жидкого состояния и отпуска / А. С. Аронин, В. С. Крапошин // Металлофизика. - 1990. - Т. 12, № 4. - С. 96-101.
6. Мелюков, В. В. Лазерно-плазменные методы обработки поверхности сталей и сплавов / В. В. Мелюков,
B. В. Чирков // Лучевая технология и лазерная обработка. - СПб.: Изд. дом SPвSPU, 2006. - С. 235-240.
7. Девойно, О. Г. Технологические аспекты процессов лазерного легирования порошковых и компактных материалов / О. Г. Девойно // Лучевая технология и лазерная обработка. - СПб.: Изд. дом SPвSPU, 2006. -
C. 95-102.
8. Оптимизация режимов лазерного термоупрочнения железоуглеродистых сплавов на примере закалки высокопрочного чугуна марки ВЧ-50 / Н. В. Спиридонов [и др.] // Теория и практика машиностроения. - 2004. -№ 2. - С. 59-63.
9. Минаев, В. П. Фирма и ее лидер: в 2 ч. - Ч. 2: Ла-зеринформ // Информационный бюллетень лазерной ассоциации. - М., 2006. - Вып. № 8 (333).
Поступила 12.02.2007
