CC BY
35
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ МЕХАНИЗМОВ
ТКАЦКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
1 2
Калугин Ю.К. , Бакулин Б.А. Email: Kalugin17119@scientifictext.ru
1Калугин Юрий Константинович - кандидат технических наук, доцент,
кафедра машиноведения и технической эксплуатации автомобилей, Гродненский государственный университет им. Янки Купалы, г. Гродно;
2Бакулин Борис Александрович - главный конструктор, Общество с ограниченной ответственностью «ДИПРИЗ», г. Барановичи, Республика Беларусь
Аннотация: в статье анализируются варианты выбора наиболее эффективных режимов лазерного упрочнения поверхностного слоя ответственных деталей ткацкого оборудования. Рассмотрены особенности структурных преобразований в поверхностном слое. На основе анализа физико-механических свойств упрочненного слоя были выбраны оптимальные режимы обработки, позволяющие с минимальными энергетическими потерями повысить износостойкость ответственных деталей. Результаты анализа планируется использовать для разработки комплексной упрочняющей технологии повышения износостойкости деталей машин. Ключевые слова: микротвердость, лазерное упрочнение, твердотельный импульсный лазер, режимы обработки.
CHOICE OF THE OPTIMUM MODES OF LASER HARDENING OF THE SURFACE OF DETAILS OF HIGH-SPEED MECHANISMS OF THE WEAVER'S EQUIPMENT Kalugin Yu.K.1, Bakulin B.A.2
1Kalugin Yury Konstantinovich - PhD in Technical Sciences, Associate Professor, DEPARTMENT OF ENGINEERING AND TECHNICAL EXPLOITATION OF CARS, YANKA KUPALA STATE UNIVERSITY OF GRODNO, GRODNO; 2Bakulin Boris Aleksandrovich - Chief Designer, LIMITED LIABILITY COMPANY "DIPRIZ", BARANOVICHI, REPUBLIC OF BELARUS
Abstract: the variants of choice of the most effective modes of the laser work-hardening of superficial layer of responsible details of weaving equipment are analysed in the article. The features of structural transformations are considered to the superficial layer. On the basis of analysis of fiziko-mechanical properties of the work-hardened layer the optimum modes were chosen treatments, allowing with minimum power losses to promote wearproofness of responsible details. It is planned to draw on the results of analysis for development.
Keywords: microhardness, laser work-hardening, tverdotel'nyy impulsive laser, modes of treatment.
УДК 677.054.842
Введение.
Одной из основных и актуальных проблем в машиностроении является повышение износостойкости готовых изделий. Эффективным технологическим решением этой проблемы, является упрочнение поверхностного слоя изделия за счёт структурных изменений материала. Для деталей ткацкого производства, в большинстве случаев,
требуется получение твердого износостойкого поверхностного слоя детали с сохранением исходной (вязкой) структуры основания, что обеспечивает высокое сопротивление динамическим нагрузкам и увеличение усталостной прочности. Сочетание механических свойств, отвечающее этим требованиям, достигается поверхностной закалкой с низким отпуском. Поверхностная закалка, осуществляется следующими методами: пламенная закалка; закалка токами высокой частоты; закалка в расплавленных металлах; лазерная закалка. Отличительной особенностью лазерного упрочнения являются высокие скорости нагрева (105 - 106 град/с), которые достигаются за счет формирования в лазерном луче высокой плотности мощности излучения (100 - 105 Вт/см2) [1]. Вследствие малой длительности нагрева воздействию лазерного излучения подвергаются поверхностные слои толщиной порядка 0,5 - 1,5 мм, более глубокие слои при этом практически не прогреваются и охлаждение происходит путем отвода тепла в глубину детали [2]. Критическими режимами лазерного упрочнения считаются те, при которых воздействие излучения оптического квантового генератора (лазера) не приводит к нарушению шероховатости поверхности, а глубина упрочненного слоя максимальна.
При упрочнении поверхностного слоя обычно учитывают специфику работы деталей и их взаимодействие с другими элементами механизмов. К деталям, входящим в состав высокоскоростных механизмов ткацкого оборудования (в том числе для деталей батанного механизма), предъявляются повышенные требования к качеству поверхности. Например, наличие заусениц и шероховатостей на поверхности прокладчика утка, входящего в состав батанного механизма ткацкого станка СТБ, может привести к преждевременному ускоренному износу тормозного устройства. При этом, в соответствии с технологической картой регулирования и настройки, детали должны иметь полированную поверхность, а ее износ для большинства деталей не должен превышать 1...3 мкм. Эти факторы должны учитываться при выборе способов и оборудования для упрочняющей обработки. Проведенные экспериментальные исследования на базе предприятия «Блакит» в г. Барановичи, подтвердили влияние эксплуатационных качеств деталей ткацкого оборудования на его производительность и повышение качества выпускаемой продукции. Для повышения износоустойчивости были использован метод магнито-импульсного упрочнения поверхностного слоя деталей [4]. Проводимое в настоящее время исследование позволит расширить это направление, и, при наличии положительных результатов, применить лазерную обработку в составе комплексных методов упрочнения, позволяющих значительно повысить срок службы дорогостоящих ответственных деталей ткацкого оборудования [4].
Цель данной работы - выявление наиболее эффективных режимов лазерного упрочнения поверхностного слоя ответственных деталей ткацкого оборудования.
Обоснование эффективности оптимального выбора режимов упрочнения поверхности деталей .
В связи с тем, что лазерную обработку планируется использовать как дополнительную, в составе комплексных методов, важным этапом выполняемой работы является анализ особенностей поверхностного упрочнения посредством лазерной закалки. На основе проведенных исследований, результаты которых отражены в работах [3], изучен состав материала деталей высокоскоростных механизмов. Для продолжения исследования выбрана ответственная деталь батанного механизма - прокладчик утка. Материал детали по своим механическим характеристикам соответствует линейке доэвтектоидных сталей.
Такие стали содержат от 0,02% до 0,8% углерода. Структура их состоит из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна) (рисунок 22). С увеличением содержания углерода увеличивается количество зерен перлита, а феррита уменьшается.
перлит + феррит перлит + феррит
Рис. 1. Структурные изменения в поверхностном слое при лазерной обработке
Зона упрочнения у доэвтектоидных сталей характеризуется большой структурной неоднородностью, зависящей от режима лазерной обработки. При повышенной скорости упрочнения в верхней области этой зоны на отдельных небольших участках перлита образуется мартенсит с микротвердостью соответствующей 6000 МПа. При уменьшении скорости обработки непрерывным излучением образуется однородный реечный мартенсит с микротвердостью соответствующей 4300-5000 МПа.
Зона закалки без оплавления состоит из приповерхностной области с однородной и нижележащих слоев с неоднородной структурой. В верхних слоях упрочненной поверхности формируется мартенсит с такой же микротвердостью как в зоне оплавления. В нижележащих слоях по глубине нарастает неоднородность структуры: мартенсит, мартенсито-троостит, трооститная сетка, которая далее переходит в тросто-ферритную, а затем (на границе с исходной структурой) - в ферритную. Поэтому, упрочнение доэвтектоидных сталей необходимо производить в статическом режиме или при малых скоростях перемещения лазерного луча [2, 3]. Учитывая условия технической эксплуатации и ремонта, а также наличие у деталей предварительной обработки, минимальное значение толщины упрочненного слоя составило 1..3 мкм.
Выбор оптимальных режимов лазерного упрочнения поверхностного слоя деталей ткацкого оборудования. В ткацких станках СТБ наиболее динамически нагруженным и ответственным механизмом является батанный механизм. Причиной выхода из строя батанного механизма является износ и поломка подвижных сопряжений и рабочих органов под влиянием сил трения. По этой причине в качестве предмета исследования была выбрана деталь «нитепрокладчик» (рисунок 2).
Рис. 2. Основные виды механических повреждений детали нитепрокладчик
На рисунке 1 показаны виды основных механических повреждений детали, вызванных абразивным износом и образованием усталостных микротрещин. Работоспособность детали «нитепрокладчик» в значительной мере определяется качеством поверхностного слоя, так как данная деталь работает в условиях циклических нагрузок, к ней предъявляются особые требования как по величине остаточных напряжений, глубине и степени упрочнения поверхностного слоя, так и по микротвердости.
За один период движения нитепрокладчика выполняется десять операций, при которых рабочие органы механизмов воздействуют между собой, так же он испытывает трение о направляющие зубья за период движения через «зев».
Под воздействием напряжений на поверхности или в объёме деталей могут появляться микро- и даже макротрещины, в результате чего детали быстро приходят в негодность. Эти свойства не только определяют микропрочность рабочих поверхностей нитепрокладчика, но и существенно влияют на износостойкость детали.
Для качественного упрочнения поверхности деталей и снижения энергетических затрат при обработке был выбран твердотельный импульсный лазер на алюмоиттриевом гранате, активированном неодимом (Nd:YAG) с модулированной добротностью резонатора фирмы «LOTIS TII». Экспериментальные исследования проводились на базе специализированной лаборатории в «Гродненском государственном университете имени Янки Купалы».
Упрочнение поверхности деталей проводилась с помощью неодимового лазера LS-2147 с длиной волны, 532 нм, 355 нм. Для формирования заданных характеристик лазерного излучения на основной частоте использовался светофильтр СЗС-23 при работе на второй гармонике излучения. Частота импульсов была выбрана в соответствии с требованиями эксперимента. Энергия в импульсе варьировалась от 15 до 120 мДж при длительности импульсов составляла 32 нс (16 нс на полувысоте импульса).
Для определения прочностных свойств и микротвердости материалов, проведены лабораторные исследования деталей «прокладчик утка», при различных режимах лазерного упрочнения. На основании результатов теоретических исследований были выбраны, наиболее подходящие для данного случая, режимы лазерного упрочнения. При выборе режимов учитывалось минимальное значения энергии в импульсе, а также предполагаемая толщина упрочненного слоя. В соответствии с рекомендациями и учетом совместного действия нескольких способов (источников) запланированная толщина составила 2-3 мкм. Для получения таких значений энергия лазерного луча не должна превышать 200 мДж.
В соответствии с методикой проведения исследований такого рода, все образцы были предварительно промаркированы и разбиты на группы. Измерения микротвердости образцов производились прибором ПМТ-3. Данные лабораторных исследований микротвердости в поверхностном слое деталей приведены в таблице 1.
Таблица 1. Таблица значений твердости образцов деталей
Номер образца i = Твердость, HV (Количество измерений)
Название
детали р « 5ч s ss Е? 5 т) а ■ se 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Х
кт о
1 Нитепрок-ладчик ю а & ю о M е W 7 4 IN 0 ^t- 4 3 4 0 ^t- 4 2 m 4 8 m 4 2 4 5 4 6 4 4
2 Нитепрок-ладчик 20 ^t- 5 4 ОЧ 4 CS 5 5 4 4 5 8 о 5 5 m 5 5 <N 5 5 <N 5 5
3 Нитепрок-ладчик 58 а\ 'чО 4 4 ОЧ 4 8 t- 4 0 m 5 a\ IN 5 2 4 5 с- 4 8 ON 4 4 О 5 0 5 a\ a\ 4
4 Нитепрок-ладчик 117 3 о 6 4 ОЧ 5 4 IN 5 2 m 5 8 IN 5 о 5 4 <N 5 0 О 5 <N 5 0 m 5 4 m 5
5 Нитепрок-ладчик 141 а\ m 5 0 О 5 4 m 5 0 5 8 5 4 m 5 8 <N 5 о m <N 5 0 5
При выполнении измерений дополнительная обработка деталей не производилась. На поверхности детали просматриваются неровности и царапины, характерные для прошедшей стадию испытания на действующем оборудовании. Среднее значение микротвёрдости для этой детали составило 441 НУ (рисунок 3).
Рис. 3. Снимки поверхности детали № 1 (образец до обработки)
Выявление наибольшей энергии луча устанавливаемой при упрочнении - одна из наиболее важных задач проведенных испытаний. Первичные режимы, установленные
6 -9
для лазера - 117-141 мДж, Е= 117...Ш мДж; Р= 41 -10 Вт; Т = 16-10 с привели к начальной стадии оплавления поверхности. Начальные признаки оплавления имеют место для заданных параметров излучения и видны на снимках поверхностей детали (рисунок 4). Эти значения энергии луча при заданных параметрах импульсного режима были приняты как критические. Дальнейшие режимы испытаний выбирались на более низких значениях энергии лазерного луча.
б
Рис. 4. Снимки поверхности деталей № 3, 4 после обработки: а — поверхность детали № 3 после лазерного упрочнения (Е=117 мДж); б — поверхность детали № 4 после лазерного
упрочнения (Е=141 мДж)
Поверхность деталей, упрочненных при пониженных значениях энергии луча, на снимках не содержит признаков оплавления. Проявляющиеся в отдельных местах темные пятна частично объясняются первичными признаками образования мартенситной составляющей. Микротвердость для обработанных поверхностей составила 514НУ и 499НУ соответственно (рисунок 5).
б
Рис. 5. Снимки поверхности деталей № 2, 3 после обработки а — поверхность детали № 2 после лазерного упрочнения (Е=20 мДж); б — поверхность детали № 3 после лазерного упрочнения (Е= 58 мДж)
а
а
На основании данных, полученных при исследовании различных режимов лазерной обработки, приведенных в таблице 1, определены средние значения микротвердости поверхности деталей и построена диаграмма, позволяющая установить влияние энергетических параметров лазерной обработки на механические показатели упрочненного слоя.
Рис. 6. Влияние энергетических параметров лазерного луча на микротвердость
поверхностного слоя
Так как лазерная обработка, в соответствии с целью исследования, будет использоваться в составе комплексного компонента, большое значение имеют структурные изменения в поверхностном слое. На значения микротвердости упрочненных слоев металла при проведении эксперимента значительное влияние оказали энергетические параметры импульсного лазерного излучения. На диаграмме (рисунок- 6) показано значительное снижение микротвердости при значениях энергии луча Е= 50...60 мДж, участки кривой зависимости, соответствующие значениям Е= 100.. .120 мДж, отражают параметры лазерной обработки, наиболее предпочтительные для упрочнения.
Заключение. Данный этап исследования отражает характер изменения твердости поверхностного слоя ответственных деталей ткацкого оборудования, в зависимости от применяемых режимов лазерного упрочнения.
Определено, что в результате лазерного упрочнения происходят изменения структуры поверхностного слоя, связанные с преобразованиями перлита и мартенсита, и микротвердость поверхности увеличивается на 20.22%. Установлено, что оптимальным режимом промежуточной лазерной обработки без оплавления для упрочнения поверхностного слоя детали нитепрокладчик можно считать упрочнение
6 -9
с параметрами: Е= 100 .120 мДж; Р= 41 -10 Вт; Т = 16 -10 с, так как он позволяет получить упрочненный слой на образцах максимальной микротвердости (530...535HV), а также обладает малым разбросом значений и более равномерным распределением. Упрочняющие свойства выбранных режимов лазерной обработки планируется значительно улучшить, совмещенным с этим методом, магнитно-импульсным воздействием.
Список литературы /References
1. Григорьянц А.Г. Технические процессы лазерной обработки / А.Г. Григорьянц [и др.] // М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 664 с.
2. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник / Под ред. А.А. Углова и Н.Н. Рыкалина. М.: Машиностроение, 1985. 496 с.
3. Калугин Ю.К. Анализ динамических и прочностных свойств батанного механизма и его элементов / Ю.К. Калугин, Б.А. Бакулин // Вестн. Брестс. гос. техн. ун-та. Машиностроение, 2014. № 4 (88). С. 18-21.
4. Бакулин Б.А. Анализ химического состава и физико-механических свойств материалов для изготовления деталей батанного механизма ткацкого станка / Б.А. Бакулин, Ю.К. Калугин // Вестник БарГУ. Серия: Технические науки, 2016. № 4. С. 22-28.
КОНЦЕПЦИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПОДСИСТЕМЫ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ В РАМКАХ ИНТЕРНЕТ-ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ Ноздря О.Д.1, Гришин А.И.2, Каменев А.В.3, Шестопалова А.Ю.4, Новиков С.В.5, Артемов А.В.6 Email: Nozdrya17119@scientifictext.ru
1 Ноздря Ольга Денисовна - студент; 2Гришин Александр Игоревич - студент; 3Каменев Александр Владимирович - студент магистратуры; 4Шестопалова Алина Юрьевна - студент магистратуры, кафедра программной инженерии; 5Новиков Сергей Владимирович - кандидат технических наук, доцент,
кафедра информационных систем; 6Артемов Андрей Владимирович - кандидат технических наук, доцент, кафедра программной инженерии, Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева, г. Орел
Аннотация: в статье анализируется информационная подсистема образовательных программ в рамках интернет-представительства образовательной организации. Приводятся основные причины необходимости реализации данного ресурса со стороны разных категорий пользователей с целью улучшения качества, доступности и информативности контента, представляемым данным ресурсом. Рассматриваются основные аспекты проектирования и реализации данной информационной подсистемы, а также приведены возможности улучшения реализованного программного модуля.
Ключевые слова: информационная подсистема, образовательные программы, интернет-представительство, вуз, образовательное учреждение.
