Выбор схем лазерного облучения рабочей части деталей машин и инструмента

Особенностью лазерной обработки является локальность теплового воздействия, в силу чего эффективность ее применения определяется правильностью выбора схемы облучения. Основным критерием при этом служит информация о распределении температур и напряжений в рабочей части инструмента и деталей машин, а также о характере износа и разрушения данного изделия в процессе эксплуатации, поскольку подвергать облучению и закалке следует только те участки, которые при эксплуатации наиболее интенсивно изнашиваются за счет истирания или смятия. Если же инструмент или детали машин выходят из строя из-за общего хрупкого разрушения или макровыкрашивания металла рабочей кромки, то применение лазерной термообработки нецелесообразно. В этом случае необходимо повысить сопротивляемость стали хрупкому разрушению за счет корректировки режима объемного термоупрочнения или подобрать более подходящий по химическому составу и структуре материал с тем, чтобы изделия в процессе эксплуатации изнашивались, а не разрушались. Тогда появляются условия для эффективного использования лазерной обработки.

Как правило, схема облучения воспроизводит контур рабочей кромки инструмента или детали машин в местах их соприкосновения с контртелом (матрицей, пуансоном) или обрабатываемой деталью. Однако общие рекомендации по выбору схемы облучения конкретного инструмента или детали машин следует всегда дорабатывать с учетом эксплуатационных условий, технического состояния оборудования, схемы нагружения инструмента или детали, их конструкции и качества, марки стали и твердости обрабатываемого или контактирующего в паре трения изделия. Раскроем эти положения на примерах.

Рисунок 1 - Схема упрочнения фасонного резца

При анализе условий работы отрезных резцов было установлено, что превалирующей причиной выхода их из строя является чрезмерный износ по задней грани.

Поэтому изо всех возможных и опробованных в условиях производства схем облучения наиболее эффективной оказалась схема закалки только задней грани (рисунок 1). Дисковые резцы с фигурным профилем рабочей кромки также в основном изнашиваются по задней грани, однако наиболее интенсивно в местах изменения профиля. В этом случае оптимальной оказалась схема дифференцированной закалки. Максимально изнашивающиеся участки задней грани облучались с большим значением энергии для создания дополнительного резерва в твердости и более равномерного изнашивания всей рабочей кромки в последующем.

Работа с прошивными пуансонами показала, что облучение следует проводить по боковой поверхности к торцу, воспроизводя профиль рабочей кромки (круг, квадрат, прямоугольник).

Более сложно обстоит вопрос с выбором схемы облучения при упрочнении многолезвийного режущего инструмента типа фрез, сверл, разверток и др. Во-первых, этот инструмент выходит из строя не только по причине износа, но и за счет хрупкого микровыкрашивания или излома в целом, во-вторых, к этим видам инструмента предъявляются повышенные требования к сохранению размеров, геометрии и чистоты поверхности режущей кромки.

Традиционные схемы лазерного упрочнения по задним граням на этих видах инструмента оказываются неэффективными или вообще нецелесообразными. Например, лазерную закалку изготовленных по окончательному диаметру сверл лучше всего осуществлять по передней грани режущей спирали, поскольку при обработке задней грани может измениться размер и потребоваться финишная доводка. Особое внимание при оптимизации схемы облучения сверл следует уделять участку максимального износа в месте сопряжения спирали и передней грани.

При облучении фрез по передней грани обработка может вестись в режиме поверхностного подплавления с последующим восстановлением остроты режущей кромки финишной доводкой по задней грани. В этом случае рабочая кромка на 100 мкм по задней грани и на 2-3 мм по передней грани состоит из высокотвердых структур лазерной закалки (рисунок 2). Такая схема облучения достаточно эффективна для повышения стойкости фрез, кроме того, она обеспечивает как бы самозатачиваемость задней грани в процессе работы инструмента.

Рисунок 2 - Схема упрочнения концевой фрезы

Упрочнение пуансонов и матриц штампов следует проводить перед сборкой по боковым граням на длине рабочей кромки с учетом последующих перешлифовок в процессе эксплуатации штампа (рисунок 3).

Рисунок 3 - Схема упрочнения вырубного штампа

Вполне естественно, что обсужденными выше вариантами не исчерпываются возможные схемы облучения. При их разработке кроме прочих факторов следует учитывать и положение операции по лазерному облучению в технологической цепочке изготовления и восстановления инструмента. Если после облучения возможна доводка какого-либо элемента в размер или по чистоте, то выбранная схема облучения должна этот вопрос учитывать. Не последнюю роль в выборе схемы упрочнения играет тип обрабатываемого материала (чугун, сталь, дюраль, бронза, силумин и т.д.) и требования к чистоте обработки.

С целью увеличения ресурса работы металлообрабатывающего инструмента различного функционального назначения и деталей машин разработаны рекомендации по локальному упрочнению рабочих кромок и поверхностей посредством импульсного лазерного облучения максимально изнашивающихся участков с предварительно созданными на них насыщающими покрытиями и без них.

Технологический процесс лазерного термоупрочнения и легирования распространяется на режущий инструмента (резцы, фрезы, сверла и др.) из сталей Р6М5, Р18, а также на штампы холодного и горячего деформирования (пуансоны, матрицы) из сталей У10А, ХВГ, Х12Ф1, Х12М, 4Х5В2ФС и т.д.

Инструмент перед упрочнением должен пройти полный цикл механической и объемной термической обработки согласно требованиям ТУ чертежа.

Упрочняемая поверхность должна быть чистой, не иметь следов коррозии, окалины, прижогов, трещин, забоин, шероховатость ее не должна превышать R_а~0,63 мкм. При необходимости обезжиривание достигается использованием этилового спирта, уайт-спирита, ацетона, четыреххлористого углерода и др.

Основными факторами, от которых зависит эффект упрочнения, являются: материал инструмента или детали машин, подготовка поверхности к упрочнению или легированию, состав насыщающего покрытия при проведении лазерного легирования, соблюдение схем и режимов облучения, контроль качества упрочнения.

При лазерном легировании, как и при термоупрочнении, реализуется линейная схема обработки. Обработка проводится при плотностях мощности излучения, приводящих к частичному подплавлению поверхности. Это объясняется тем, что эффект легирования достигается в случае расплавления и перемешивания обмазки и тонкого приповерхностного слоя обрабатываемого изделия. В случае недопустимого ухудшения микрогеометрии обрабатываемой поверхности применяется финишная доводка рабочих кромок и поверхностей инструмента и деталей машин со снятием поверхностного слоя глубиной 10-20 мкм.

Для повышения стойкости изделий недостаточно правильно выбрать схему упрочнения, необходимо проводить облучение выбранных участков на оптимальных режимах, обеспечивающих кроме максимально возможной твердости облученных зон и достаточной глубины их получение обработанной поверхности без значительного нарушения исходной микрогеометрии.