аспирант с 01.01.2023 по настоящее время
сотрудник с 01.01.2023 по настоящее время
Россия
Россия
Россия
УДК 621.789 Изменение структуры, упрочнение, повышение вязкости, отпуск и т.д. прочими способами (кроме перечисленных в 621.78/.787, например термомеханической и механотермической обработкой, регулируемым ускореннным охлаждением металла с прокатного нагрева (сорбитизация), охлаждением в магнитном поле, посредством вибрации (в частности, ультразвуковыми колебаниями) и т.д.)
В статье рассматривается актуальная проблема повышения поверхностной твердости нежестких ступенчатых валов, широко применяемых в различных отраслях промышленности, посредством лазерного термоупрочнения (ЛТУ). Валы являются важными элементами в различных машинах и механизмах, и увеличение их поверхностной твердости значительно улучшает их эксплуатационные характеристики. Особое внимание уделяется проблеме увеличения радиального биения, возникающего в процессе ЛТУ. Данное негативное явление ограничивает применение технологии ЛТУ в высокоточных узлах и механизмах. Целью представленного исследования является установление зависимости показателей упрочненного поверхностного слоя и радиального биения валов от технологических параметров лазерного термоупрочнения. Изучение этих зависимостей необходимо для определения параметров технологического режима ЛТУ, позволяющих достигать требуемых показателей упрочненного слоя без значительного увеличения радиального биения. В работе представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных на образцах-имитаторах из коррозионностойкой жаропрочной стали 14Х17Н2 и реальных ступенчатых валах из конструкционной легированной стали 40Х. Выявлена закономерность увеличения радиального биения при повышении мощности лазерного излучения без изменения скорости обработки. Также установлена зависимость показателей упрочненного слоя от критерия Фурье, характеризующего скорость охлаждения. Представленная взаимосвязь позволяет создать базу для разработки инструментов прогнозирования, позволяющих оценивать влияние параметров технологического режима лазерного термоупрочнения на показатели формируемого упрочненного поверхностного слоя, и управления технологическим процессом ЛТУ. Результаты исследования могут быть использованы при разработке и оптимизации технологий лазерного термоупрочнения нежестких валов и геометрически подобных деталей, применяемых в машиностроении.
лазерное термоупрочнение, радиальное биение, ступенчатый вал, сталь 14Х17Н2, сталь 40Х, упрочненный слой, технологические параметры
Введение
Лазерное термоупрочнение (ЛТУ) представляет собой один из методов повышения твердости поверхностного слоя валов за счет его локального нагрева и последующего быстрого охлаждения [1 − 4].
Несмотря на значительные преимущества [5 − 9], технология ЛТУ сталкивается с проблемой увеличения радиального биения валов, что обуславливает необходимость проведения исследований по ограничению изменения формы вала при воздействии лазерного излучения. В частности, для валов насосных установок, широко используемых в атомной энергетике, требования к радиальному биению достигают 0,02 мм. Оптимальное значение скорости лазерной обработки металла определяется балансом между временем нагрева и временем охлаждения материала. Слишком высокая скорость приводит к недостаточному нагреву и неполному мартенситному превращению, а слишком низкая − к
перегреву и увеличению термических деформаций [4, 10 − 12].
Методы исследования
Для проведения экспериментальных работ по выбору параметров технологического режима на образцах-имитаторах, представляющих собой гладкий вал диаметром 150 мм и длиной 400 мм из стали 14Х17Н2 и определения влияния мощности лазерного излучения (ЛИ) на радиальное биение ступенчатых валов типоразмеров с диаметрами шеек от 80 до
180 мм, длиной от 3100 до 3400 мм из стали 40Х был использован лазерный роботизированный комплекс (ЛРК).
Состав ЛРК: 6-осевой промышленный робот-xманипулятор FANUC М710iC/50, двухосевой позиционер FANUC 2-axis, иттербиевый волоконный лазер IPG ЛС-5 с длиной волны 1070 нм, максимальной мощностью
5 кВт и диаметром волокна 100 мкм, фокусирующая оптическая головка IPG FLW D50 с фокусным расстоянием 250 мм.
В качестве вспомогательного оборудования использовались: специальные опоры с полиуретановыми роликами для поддержки и обеспечения возможности вращения вала, эластичная муфта для компенсации эксцентриситета осей вращения и предотвращения образования задиров на поверхности изделия, металлические заглушки для защиты шпоночных пазов (рис. 1).
Измерительное оборудование, используемое при проведении экспериментальных работ: микротвердомер ПМТ-3 для измерения микротвердости (ГОСТ 9450-76); металлографический микроскоп LEICA DM ILM и система анализа микроструктур объектов AXALIT 1936 для металлографических исследований.
Подготовка поверхности вала включала в себя обезжиривание и установку защитных заглушек в шпоночные пазы.
Для определения влияния плотности мощности излучения на изменение радиального биения были обработаны две пары валов разных технологических режимах. Мощность лазерного излучения (P) варьировалась в диапазоне от 3,9 до 4,1 кВт. Частота вращения поворотного устройства ‒ от 2,8 до 5,5 мин-1
в зависимости от диаметра обрабатываемой шейки.
Триботехнический рисунок лазерного термоупрочнения представлял собой кольцевые полосы с перекрытием зон упрочнения. Коэффициент перекрытия Кп = 0,38.
Последовательность обработки шеек валов, показана на рис. 2. Стрелками обозначено направление смещения лазерного излучения в процессе ЛТУ.
В ходе экспериментальных исследования по определению влияния технологического режима на показатели упрочненного слоя образцов-имитаторов из стали 14Х17Н2 варьировались такие показатели, как: мощность лазерного излучения (P), скорость перемещения детали относительно лазерного излучения (v) и диаметр пятна лазерного излучения на обрабатываемой поверхности (dп).
Результаты
Диаграмма (рис. 3) показывает изменение значения максимального радиального биения валов № 1-1, № 1-2 до и после ЛТУ с мощностью лазерного излучения 3900 Вт и 4100 Вт.
Результаты измерения микротвердости образцов-имитаторов из стали 14Х17Н2 после лазерного термоупрочнения на разных технологических режимах представлены в табл. 1.
Для характеристики соотношения между скоростью изменения тепловых условий и скоростью перестройки температурного поля внутри тела использовался критерий Фурье:
|
|
где α – коэффициент температуропроводности; dп – диаметр пятна лазерного излучения;
v – относительная скорость движения лазерного луча; τ – время воздействия пятна лазерного луча излучения на поверхность, определяемая по формуле:
Экспериментально установлено, что мощность лазерного излучения оказывает влияние на радиальное биение ступенчатых валов при термоупрочнении. Уменьшение мощности лазера приводит к понижению тепловложения в материал и, как следствие, к снижению
радиального биения. В частности, уменьшение мощности лазерного излучения
от 4,1 до З, 9 кВт сопровождается понижением радиального биения вала в среднем на 26 %.
Однако чрезмерное снижение мощности лазера может привести к недостаточной глубине упрочненного слоя, что подтверждается ранее выполненными исследованиями
[4, 11 − 13]
Экспериментальные исследования технологических режимов лазерного термоупрочнения, выполненные на образцах-имитаторах из стали 14Х17Н2, показывают, что с уменьшением мощности лазерного излучения и критерия Фурье снижаются показатели упрочненного слоя. Кроме того, при критерии Фурье, равном 0,027 и более и мощности ЛИ 5000 Вт наблюдается оплавление поверхности.
Заключение
В результате проведенных экспериментальных исследований, включавших лазерное термоупрочнение четырех валов из стали 40Х, а также образцов из стали 14Х17Н2, было установлено следующее:
Выявлена тенденция к снижению радиального биения вала при уменьшении мощности лазерного излучения;
Получена взаимосвязь между показателями упрочненного поверхностного слоя, формирующегося в процессе ЛТУ, и критерием Фурье;
Показано, что уменьшение критерия Фурье, характеризующего скорость охлаждения при термообработке, приводит к снижению показателей упрочненного слоя.
Полученные результаты могут служить основой для разработки практических рекомендаций по применению ЛТУ в машиностроении и других отраслях, где важны высокие требования к поверхностной твердости и точности геометрических параметров деталей.
1. Завитков А.В. Исследование влияния лазерного термоупрочнения на износостойкость контактных поверхностей распределительных валов // Инновации. Технологии. Производство: Матер. IX Междунар. технологический форум. Рыбинск. 2023. № 2 (65). С. 90−96.
2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 664 с.
3. Ежова Г.П. Лазерная обработка // Инновационные научные исследования в современном мире: Матер. XII Междунар. науч.-прак. Конф. (Ч. 1). Уфа. 2023. С. 86−90.
4. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Методы поверхностной лазерной обработки: учеб. пособие. М.: Директ-Медиа. 2021. 191 с.
5. Павлов Е.В. Повышение износостойкости и контактной долговечности коленчатых валов // Известия Юго-Западного государственного университета. 2013. № 1. С. 28−31.
6. Фазулзянов М.Р., Русинов В.Д., Нигуманова Э.И., Шивоев Р.С. Методы поверхностного упрочнения деталей машин на примере коленчатого вала // Современные наука и образование: достижения и перспективы развития. Керчь: ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет». 2023. С. 100−111.
7. Майсурадзе М.В., Рыжков М.А., Корниенко О.Ю., Степанов С.И. Индукционная и лазерная термическая обработка стальных изделий: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2022. 92 с.
8. Lach L. Recent advances in laser surface hardening: Techniques, modeling approaches, and industrial applications // Crystals. 2024. Vol. 14. No. 8. pp. 726. DOI:https://doi.org/10.3390/cryst14080726
9. Завитков А.В., Печников И.С. Современные методы восстановления и повышения износостойкости деталей двигателя внутреннего сгорания. Актуальные проблемы эксплуатации автотранспортных средств // Матер. XXIII Междунар. науч.-практ. конф. Владимир. 2021. С. 111–115.
10. Петроченко С.В. Оценка влияния параметров режима лазерной закалки на качество поверхности и поверхностного слоя деталей станков // Омский научный вестник. 2024. № 1 (189). С. 56−65.
11. Садовский В.Д. Фазовые и структурные превращения при лазерном нагреве стали. II. Влияние отпуска закаленной стали на процесс перекристаллизации при лазерном нагреве // Физика металлов и металловедение. 1984. Т. 58. № 4. С. 812−817.
12. Mishchiruk O.M. Influence of laser hardening modes on the properties of 40X13 steel // Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series. 2023. Т. 68. №. 2. С. 103-112. DOI:https://doi.org/10.29235/1561-8358-2023-68-2-103-112
13. А.В. Королев, А.А. Мазина, А.С. Яковишин, А.В. Шалунов. Технологические причины возникновения остаточных напряжений // Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 5 (8). С. 116−120
