CC BY
26
УДК 62-50 ББК 30в6
В В. ЗВЕЗДИН, В.А. ПЕСОШИН, Р.Р. САУБАНОВ, Р.Р. РАХИМОВ
УПРАВЛЕНИЕ ЛАЗЕРНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ ЗАКАЛКИ ИНСТРУМЕНТА
Ключевые слова: лазерная закалка, энергетические потери, показатели качества, зона термического воздействия, точность позиционирования.
Изложены особенности применения имитационного моделирования процесса формирования закаленного слоя металлов с неизвестной кривизной по известным физическим законам и экспериментальным данным. Показано, что для управления параметрами оптической системы лазерного технологического комплекса необходимо проведение предварительного моделирования поверхности червячной фрезы. Разработанная математическая модель режущих кромок инструмента позволяет оптимизировать условия формообразования его рабочих поверхностей и управлять параметрами лазерного технологического комплекса на разных стадиях технологического процесса.
Автоматизация процесса лазерной закалки деталей в машиностроении позволяет повысить эффективность технологического процесса (ТП). Наиболее целесообразной является разработка системы автоматического управления (САУ) лазерными технологическими комплексами (ЛТК) со стабилизацией и оптимизацией его энергетических, временных и пространственных характеристик для получения требуемых выходных параметров ТП. Применение моделей позволяет использовать процедуры проектирования, которые основаны на использовании банков адекватных моделей всевозможных технических звеньев комплекса. В информационное обеспечение САУ включаются модели отдельных динамических модулей, а также модели воздействующих на них сигналов и шумов, требующие наличия адекватных математических моделей ТП. Однако из-за сложности физических процессов, протекающих при лазерной обработке материалов, они не дают полной картины происходящих явлений в зоне воздействия лазерного излучения (ЛИ) на металл [2, 3].
Экспериментальные исследования. Результаты экспериментальных исследований показали, что глубина зона термического воздействия (ЗТВ) при различных параметрах ЛТК не превышает 0,5 мм. На рис. 1, 2 видны ярко выраженные ЗТВ для различных сталей при определенном диаметре фокусного пятна, что говорит о скачкообразном изменении условий формирования микроструктуры, т.е. по всему объему зон происходят микроструктурные изменения, связанные с переходными процессами.
Экспериментальные исследования подтверждают, что получение зависимостей показателей качества ТП от параметров ЛТК носит трудоемкий и длительный характер. Поэтому имитационное моделирование по известным физическим законам и экспериментальным данным является актуальным.
Для управления параметрами оптической системы ЛТК необходимо моделирование поверхности червячной фрезы [5]. Построение поверхности выступов и впадин инструмента выполняется по схеме, являющейся универсальной для зуборезного инструмента. Применение разработанной математической модели режущих кромок инструмента позволяет оптимизировать ус-
ловия формообразования его рабочих поверхностей и управлять параметрами ЛТК на разных стадиях ТП в инструментальном производстве [1].
Рис. 1. Фотография микроструктуры легированной стали ШХ 15, обработанной в режиме закалки без оплавления (х 200)
Рис. 2. Фотография микроструктуры стали У8, обработанной в режиме закалки без оплавления (х 200); глубина 0,5 мм
На рис. 3 показан фрагмент зуба червячной фрезы с лазерной закалкой на стали Р18К5Ф2, а на рис. 4 представлена ее микроструктура.
Рис. 3. Фотография зуба фрезы из инструментальной стали Р18К5Ф2, обработанного в режиме закалки без оплавления
Рис. 4. Фотография микроструктуры зуба фрезы из инструментальной стали Р18К5Ф2, обработанного в режиме закалки без оплавления (х 200)
На рис. 3 видно равномерное распределение шероховатости в пятне ЗТВ, что определяет ее качество. Микроструктура детали (рис. 4) представляет собой скрытоигольчатый мартенсит и карбиды. Карбидная неоднородность в структуре фрезы соответствует 1А баллу по шкале 1, что удовлетворяет ГОСТ 19265-73.
При микроструктурном исследовании на поверхности рабочей кромки зубьев фрезы выявлено наличие поверхностного упрочнённого слоя с нетравя-щейся структурой и карбидами. Высокая твердость упрочнённого слоя (до НУ01 970) оказывает положительное влияние на износостойкость фрезы, которое проявляется при высокой температуре кромки инструмента. Большое влияние на износостойкость инструментальной стали оказывают содержание карбидов, количество остаточного аустенита. При высокой температуре износостойкими являются только стали, устойчивые против отпуска. Уменьшение твердости вследствие распада мартенсита сильно снижает износостойкость [4, 5].
При получении экспериментальных зависимостей используется статистическая обработка данных показателей качества ТП. При измерении микротвердости (Нна фиксированной глубине с заданными технологическими параметрами были получены их различные значения. Эти параметры изменяются при повторных экспериментах заранее непредсказуемым образом. Однако можно определить вероятность рт попадания измеренного значения микротвердости в заданную область допустимых значений:
N
1 У гп
= Нт
(1)
N N
где Nm - количество наблюдений случайной величины в заданной области допустимых значений; N - общее число наблюдений.
Предполагаем, что закон распределения исследуемой совокупности данных является нормальным. Отсюда определяем среднее значение микротвердости и среднеквадратичное отклонение на каждой глубине. После воздействия лазерным излучением (ЛИ) на металл инструмента во всех случаях повышается твердость обработанной зоны (см. рис 3): от 900 ИУ01 при твердости матрицы 805 ИУ0Д (образец сталь Р18К5Ф2 при энергии импульса ЛИ Ж = 15 Дж, длительность импульса 10 мс).
Вследствие нестабильности параметров ЛИ и оптико-физических свойств поверхности снижаются показатели качества закалки, которые зависят от стабильности и оптимальных значений параметров ЛТК. Для их стабилизации разработана САУ ЛТК с отрицательной обратной связью по параметрам процесса закалки, измеряемым в реальном времени. В качестве сигналов обратной связи закалки металлов выступают плотность энергии ЛИ, температура и точность позиционирования фокуса относительно поверхности детали. Структура САУ ЛТК представляет собой систему, которая характеризуется большим числом обратных связей и является нелинейной (рис. 5) [1].
Рис. 5. Блок-схема САУ ЛТК
При обосновании выбора математической модели звеньев были приняты определенные допущения, позволяющие линеаризовать их передаточные функции. Расчеты и исследования свойств САУ производились для линеаризованной системы.
В соответствии с принятыми допущениями определены передаточные функции подсистем. Динамические процессы в элементах, входящих в нее, описываются дифференциальными уравнениями, на основании которых рассчитаны передаточные функции и с помощью пакета прикладных программ получены переходные и частотные характеристики, определяющие качество САУ ЛТК.
Анализ исследований в области разработки САУ показывает эффективность многоконтурных релейных систем с обратными связями по информативным параметрам, измеряемым в реальном времени для управления ЛТК.
Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:
№г =-—-К-,
(7 р + 1)(Г22 р 2 + 2Тгср + 1)(Тз р + 1)(74 р +1)
где К = П К = 0,0005.
Соответствующие логарифмические амплитудная (ЛАЧХ) и фазовая частотные (ЛФЧХ) характеристики приведены на рис. 6.
-60 -65 -70 -75
-95 -100
ад
1 !
1
\
1
1
\ 1
Рис. 6. ЛАЧХ (а) и ЛФЧХ (б)
б
а
Из графиков видно, что замкнутая система также будет устойчива, запас устойчивости по амплитуде составляет ~80 дБ. Анализ остальных контуров показывает, что все контуры САУ являются минимально-фазовыми, устойчивыми, обладают большим запасом устойчивости по амплитуде (не менее 20 дБ).
Выводы. Экспериментальные исследования по воздействию ЛИ на металлы показывают возможность оптимизации энергетических параметров ЛТК для закалки с получением требуемых показателей качества, что приводит к снижению энергозатрат. Разработанная САУ ЛТК удовлетворяет предъявляемым требованиям и обеспечивает стабильные показатели качества закалки. В процессе нагрева материала постоянным во времени потоком ЛИ, превышающим некоторое критическое значение, температура поверхности колеблется. Соответствующим подбором параметров временной структуры
можно добиться практически полного устранения влияния плазменного факела на снижение проплавляющей способности ЛИ. Локальность закалки обеспечивает рациональное проектирование закаленных деталей и минимальные остаточные деформации.
Литература
1. Звездин В.В., Григорьянц А.Г., Исрафилов ИХ. Метод управления лазерным технологическим комплексом сварки металлов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. № 6(6). С. 190-196.
2. Звездин В.В., Хамадеев А.В., Фардиев Р.К., Исрафилов Д.И., Башмаков Д.А. Влияние модового состава лазерного излучения на зону термического воздействия в металлах // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2007. № 2. С. 84-85.
3. Портнов С.М., Саубанов Р.Р., Кисаев Р.А., Кузнецов И.Н., Исрафилов И.Х., Звездин В.В., Нугуманова А.И. Система управление процессом термообработки концентрированными потоками энергии поверхности деталей // Глобальный научный потенциал. 2011. № 8. С. 95-100.
4. Юнусов Ф.С., Хисамутдинов Р.М. Повышение точности производящих поверхностей формообразующих инструментов. Казань: Изд-во Казанского гос. техн. ун-та, 2008. 212 с.
5. Юнусов Ф.С., Хисамутдинов Р.М., Ягафаров ММ. Расчет аппроксимирующих параметров образующей профиля режущего зуба фрезы // Вестник машиностроения. 2004. № 8. С. 44-48.
ЗВЕЗДИН ВАЛЕРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры высокоэнергетических процессов и агрегатов, Набережночелнинский институт (филиал) Казанского (Приволжского) федерального университета, Россия, Набережные Челны (irmaris@yandex.ru).
ПЕСОШИН ВАЛЕРИЙ АНДРЕЕВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры компьютерных систем, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ, Россия, Казань (pesoshin-kai@mail.ru).
САУБАНОВ РУЗИЛЬ РАШИТОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры высокоэнергетических процессов и агрегатов, Набережночелнинский институт (филиал) Казанского (Приволжского) федерального университета, Россия, Набережные Челны (saubanov@mail.ru).
РАХИМОВ РАДИК РАФИСОВИЧ - старший преподаватель, аспирант кафедры высокоэнергетических процессов и агрегатов, Набережночелнинский институт (филиал) Казанского (Приволжского) федерального университета, Россия, Набережные Челны (saubanov@mail.ru).
V. ZVEZDIN, V. PESOSHIN, R. SAUBANOV, R. RAKHIMOV
CONTROL OF LASER TECHNOLOGICAL COMPLEX OF INSTRUMENT HARDENING Key words: laser annealing, the energy losses, quality indicators, zone of thermal influence, positioning accuracy.
The application features of imitating modeling of the process of the metals annealed layer forming with unknown curvature under the known physical laws and experimental data are stated. It is shown that the optical system for the control parameters of the laser technological complex simulation of the surface is necessary hob. The developed mathematical model of the cutting edges of the tool allows you to optimize the conditions of its working surfaces formation and to control the parameters of the laser technological complex at various stages of the technological process.
References
1. Zvezdin V.V., Grigor'yants A.G., Israfilov I.Kh. Metod upravleniya lazernym tekhnologi-cheskim kompleksom svarki metallov [Method of control of a laser technological complex of dissimilar metal welding]. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie [Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Mechanical Engineering], 2012, № 6(6), pp. 190-196.
2. Zvezdin V.V., Khamadeev A.V., Fardiev R.K., Israfilov D.I., Bashmakov D.A. Vliyanie modovogo sostava lazernogo izlucheniya na zonu termicheskogo vozdeistviya v metallakh [On influence of laser radiation mode structure upon the zone of thermal action in metals]. Vestnik KGTU im. A.N. Tupoleva, 2007, no. 2, pp. 84-85.
3. Portnov S.M., Saubanov R.R., Kisaev R.A., Kuznetsov I.N., Israfilov I.Kh., Zvezdin V.V., Nu-gumanova A.I. Sistema upravlenie protsessom termoobrabotki kontsentrirovannymi potokami energii po-verkhnosti detalei [Process Control System for Heat Treatment of Concentrated Energy Flows of Surface Parts]. Global'nyi nauchnyipotentsial [The global scientific potential], 2011, no. 8, pp. 95-100.
4. Yunusov F.S., Khisamutdinov R.M. Povyshenie tochnosti proizvodyashchikh poverkhnostei formoobrazuyushchikh instrumentov [Improving the accuracy of producing surfaces of forming tools]. Kazan, Kazan State Technial University Publ., 2008, 212 p.
5. Yunusov F.S., Khisamutdinov R.M., Yagafarov M.M. Raschet approksimiruyushchikh para-metrov obrazuyushchei profilya rezhushchego zuba frezy [Approximating the calculation of the parameters forming the profile of the cutting tooth cutter]. Vestnikmashinostroeniya [Journal of mechanical engineering], 2004, no. 8, pp. 44-48.
ZVEZDIN VALERY - Doctor of Technical Sciences, Professor of High-Energy Processes and Units Department, Naberezhnye Chelny Institute (Branch) of the Kazan (Volga Region) Federal University, Russia, Naberezhnye Chelny.
PESOSHIN VALERY - Doctor of Technical Sciences, Professor of Computer Systems Department, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev - KAI, Russia, Kazan.
SAUBANOV RUZIL - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of High-Energy Processes and Units Department, Naberezhnye Chelny Institute (Branch) of the Kazan (Volga Region) Federal University, Russia, Naberezhnye Chelny.
RAKHIMOV RADIK - Senior Teacher, Post-Graduate Student of High-Energy Processes and Units Department, Naberezhnye Chelny Institute (Branch) of the Kazan (Volga) Federal University, Russia, Naberezhnye Chelny.
Ссылка на статью: Звездин В.В., Песошин В.А., Саубанов Р.Р., Рахимов Р.Р. Управление лазерным технологическим комплексом закалки инструмента // Вестник Чувашского университета. - 2016. - № 3. - С. 188-193.
