РАЗДЕЛ 2.
МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
2.1.
Методики исследования
2.1.1.
Разработка общей методологии выполнения исследования процесса лазерного
упрочнения изделий сложной формы
Конечной целью данной работы является разработка технологии лазерногол
упрочнения инструментов и деталей машин, имеющих клиновидные рабочие элементы,
обеспечивающей гарантированное качество изделий и воспроизводимость ее
результатов.
Для достижения этой цели в работе выполнен комплекс
экспериментально-теоретических исследований. Этот комплекс исследований
содержит две основные части. Первая часть исследований направлена на решение
задачи поиска оптимальных условий лазерного облучения изделий с ограниченными
условиями теплоотвода (поиск оптимальной структуры и условий, при которых она
образуется, формулирование механизма ее образования, разработка методики
получения таких структур в поверхностных слоях изделий, имеющих различную, с
теплофизической точки зрения, сложную форму и ее реализацию). Вторая часть
исследований направлена на оценку качества упрочненных слоев, их
физико-механических и эксплуатационных характеристик (размерных параметров,
напряженного состояния, триботехнических свойств, стойкостных показателей
реальных инструментов и деталей).
Методически первая часть исследований проводилась в соответствии с алгоритмом,
приведенном на рис.2.1.
На первом этапе изучались закономерности изменения структуры поверхностного
слоя массивных образцов, являющихся полуограниченными телами, изготовленных из
углеродистой и быстрорежущей инструментальных сталей в зависимости от условий
лазерного облучения.
Для конкретизации условий облучения процесс лазерного упрочнения был
рассмотрен, как технологическая система, включающая основные физико-химические
процессы, протекающие в материалах при лазерной обработке и
Рис.2.1. Алгоритм проведения исследования с целью определения оптимальных
условий лазерного упрочнения изделий клиновидной формы.
параметры, которые их определяют, а также все факторы и их взаимосвязи. Это
позволило выявить среди всех факторов и параметров - главные и второстепенные,
а также принять решение какие из них целесообразно стабилизировать, какие
варьировать при поске оптимальных условий.
С помощью металлографического, дюрометрического, рентгеноструктурного и
электроннозондового микроанализов устанавливались структуры упрочненных слоев с
оптимальными характеристиками и условия при которых они обеспечивались.
После этого расчетным путем определялись соответствующие оптимальной структуре
характеристики теплового состояния поверхностого слоя для полубесконечного
массива, т.е. распределение температур, скоростей нагрева и охлаждения.
На втором этапе разрабатывалась математическая модель процесса нагрева
движущимся лазерным лучом тела клиновидной формы с различными углами
заострения. С помощью полученной модели проводился параметрический анализ
процесса нагрева, были выявлены наиболее значимые факторы и параметры. Затем, с
помощью численного моделирования определялись критические значения этих
факторов, ограничивающие область их оптимальных значений при выбранных
параметрах оптимизации. В оптимальной области выбирались характеристики
теплового состояния клина, которые аналогичны соответствующим характеристикам
температурного поля в полуограниченном теле, обусловивших образование
оптимальной структуры, и таким образом определялись оптимальные режимы
лазерного упрочнения клина. На этих режимах облучались специальные образцы
клиновидной формы, изучалась структура и определялись размеры упрочненного
слоя, измерялись величина и характер распределения остаточных напряжений,
триботехнические характеристики,
2.1.2. Методика экспериментального изучения процесса лазерного упрочнения
рабочих элементов инструментов и деталей.
В качестве объектов исследования были взяты образцы из углеродистой стали У8 и
быстрорежущей стали Р6М5, подвергнутые объемной закалке и отпуску в
соответствие со стандартом. Химический состав сталей приведен в таблице 2.1.
Таблица 2.1 .Химический состав сталей (%).
Сталь
Мn
Si
Сг
Мо
Cu
Ni
У8
0,76-0.83
0.17-0.33
0,17-0,33
0,20
0,25
0.25
0,030
0.028
Р6М5
0.8-0.88
0.40
0.50
3.8-
4.4
5.5-6.5
1.7-2.1
5.0-
5.5
0.4
0,030
0.025
Углеродистая инструментальная сталь У8 была выбрана в связи с тем, что
закономерности структурных изменений в ней при действии лазерного излучения
хорошо изучены, границы между различными структурами четкие, хорошо
очерчиваются соответствующими изотермами. Последнее использовалось при
моделировании тепловых процессов, проверке точности расчетов, коррекции
модели.
Образцы размером 40х40 мм с технологическим поглощающим покрытием на основе ZnO
толщиной 30 мкм обрабатывались излучением СО2- лазера «Латус-31». Мощность
излучения поддерживалась постоянной и составляла 1000 Вт. Лазерный луч
фокусировался на обрабатываемой поверхности сферической линзой из КС1 с
фокусным расстоянием 300 мм. Диаметр пятна фокусирования изменялся в диапазоне
2 - 8 мм регулированием расстояния от линзы до облучаемой поверхности. Образцы
перемещались относительно неподвижного лазерного луча с различной скоростью,
которая варьировалась в пределах 0.1 - 1,8 м/мин.
На рис. 2.2 представлены схемы обработки: полубесконечного тела (а) и
клиновидного элемента (б).
а) б)
Рис. 2.2. Схема лазерной обработки образцов типа полубесконечное тело (а) и
клиновидных элементов (б).