Оптимизация режимов упрочнения

С повышением энергии, вкладываемой в нагрев, происходит увеличение глубины закаленного слоя. Однако, эта закономерность действует лишь до момента видимого оплавления поверхности. С появлением на облученном участке кратеров глубина упрочненного слоя если и увеличивается, то обязательно с нарушением равномерности ее распределения по пятну обработки. Это явление может выступать в качестве ограничивающего фактора при назначении режима лазерной закалки. Другим важным фактором, определяющим качество обработки, является неопределенность в равенстве посылаемой на поверхность энергии и энергии, которая поглощена этой поверхностью. Поскольку универсальных номограмм для учета поглощающих характеристик различных поверхностей не построено, приходится чисто эмпирически, по результатам упрочнения подбирать корреляционные связи между лабораторным экспериментом и облучением в реальных производственных условиях. Причем на уровень данных связей влияет не только физическое и химическое состояние облучаемой поверхности, но и технические особенности лазерной аппаратуры, погрешности контрольно-измерительных приборов.

Выбор критической энергии лазерного излучения при обработке с разным диаметром пятна закалки проводят следующим образом. При фиксированном диаметре пятна закалки выполняют импульсную лазерную термообработку поверхности исследуемых образцов при различной энергии излучения ОКГ. Та энергия, превышение которой приводит к нарушению шероховатости поверхности, считается критической.

Для достижения надежности результатов упрочнения, как правило, необходимо корректировать типовые режимы облучения применительно к конкретному изделию и энергетическим характеристикам конкретной лазерной установки. Одинаковый по типу и размерам инструмент из одной и той же марки стали, но изготовленный и прошедший объемную термообработку на разных предприятиях, имеет различную поглощательную способность. Поэтому при обработке с одним уровнем энергии эффект лазерной закалки будет различным. Для стабилизации коэффициента поглощения и выравнивания эффектов необходимо применять предварительное химическое травление поверхности или покрытие ее тонким слоем какого-либо вещества. Стабилизация поглощения не избавляет от необходимости привязывать назначаемые режимы облучения к используемой лазерной установке. Как известно, устройство технологических установок таково, что управление энергией излучения осуществляется изменением напряжения накачки. Эта зависимость определяется качеством юстировки и кондиционностью оптических элементов, поэтому у разных установок она неодинакова. Более того, по мере разъюстировки оптического блока и накопления дефектов в оптических элементах энергия излучения может резко снижаться. Следовательно, контрольным параметром служит не устанавливаемая на лазерной установке величина (напряжение накачки), а измеряемая с помощью дополнительного прибора характеристика (энергия излучения). Учитывая схему и возможные погрешности в измерении энергии становится очевидным, что точность фиксирования этой величины на разных установках может быть различной. Другой причиной корректировки режимов облучения является несовершенство контроля степени расфокусировки пятна облучения.

Рисунок 4 - Основные параметры процесса лазерной обработки материалов

Основные параметры процесса лазерной обработки материалов приведены на рисунке 4.

При разработке технологических режимов упрочнения сталей и сплавов выбраны следующие характеристики лазерного излучения:

- средняя за импульс плотность мощности излучения;

- длительность импульса;

- дефокусировка лазерного пучка, то есть смещение облучаемой поверхности на определенное расстояние от фокальной плоскости объектива оптической системы лазера;

- коэффициент перекрытия пятен дискретного лазерного упрочнения, то есть степень перекрытия пятен в ряду (рисунок 5).

	Упрочненная зона при линейной контурно-лучевой обработке представляет собой характерную "чешуйчатую" макроструктуру. Такая форма зоны нагрева объясняется тем, что при воздействии каждого последующего импульса ОКГ часть упроч-
а.	б.
Рисунок 5 - Схема расположения облученных зон в плане (а) и в продольном сечении (б) при линейном упрочнении

ненной зоны, полученной от действия предыдущего импульса, подвергается новому нагреву.

Рисунок 6 - Распределение твердости по упрочненной зоне	Рисунок 7 - Зависимость размеров закаленных (1) и отпущенных (2) зон от коэффициента перекрытия пятен

В той части пятна, где температура повторного нагрева не превышала точку АС₁, происходит скоростной отпуск ранее возникшей аустенитно-мартенситной структуры с образованием участков металла с повышенной травимостью и пониженными значениями твердости (рисунок 5, б, рисунок 6).

Выбор степени перекрытия пятен облучения для различных условий изнашивания проводили с учетом зависимости размеров закаленной и отпущенной зон от коэффициента перекрытия (рис. 7), а также в соответствии с положениями, вытекающими из теоретической трактовки правила Шарпи. При этом учитывали, что увеличению износостойкости в условиях граничного трения способствует достижение при лазерной обработке неоднородного структурного состояния как обширных поверхностей, так и отдельно взятого пятна, что связано с образованием при изнашивании рельефа, повышающего маслоемкость сопряжений при несовершенном смазывании. Напротив, максимальная износостойкость в условиях трения без смазки наблюдается при возможно большей степени упрочнения материала, относительной однородности и дисперсности структурных составляющих упрочненного слоя. В этом случае рекомендуется лазерная закалка при частичном наложении пятен облучения.

Установлено, что для получения достаточных размеров участков упрочненного металла облучение следует вести при коэффициентах перекрытия, превышающих 0,2.

а.	б.
Рисунок 8 - Зависимость средней твердости (1) и глубины (2) упрочненных зон от плотности мощности лазерного излучения: а - tимп=1 мс; б - tимп=3-6 мс

От выбора значения коэффициента перекрытия зависит равномерность упрочненного слоя по глубине и производительность процесса линейного лазерного облучения. Металлографический анализ упрочненных с разными коэффициентами перекрытия участков показал, что наибольшая равномерность слоя по глубине достигается при коэффициенте перекрытия пятен 0,4-0,5.

На рисунке 8. приведены экспериментально полученные зависимости твердости и глубины упрочненного слоя на стали Р6М5 при облучении с длительностью импульса t_имп~1×10^-3 с и t_имп~6×10^-3 с, которыми можно пользоваться при выборе режимов лазерной обработки инструмента с корректировкой на технологические особенности лазерной установки и химический состав облучаемой стали.

Следует отметить, что одной из особенностей работы пар трения является неравномерность их изнашивания по поверхности контакта сопряженных деталей или детали и инструмента, которая вызывается неравномерностью рабочих давлений и скоростей скольжения, многократными смещениями контактирующих поверхностей друг относительно друга, повторными приложениями нагрузки. Это приводит к дополнительным пластическим деформациям, к контактному усталостному разрушению неровностей сопряженных поверхностей и вызывает быструю потерю работоспособности.

В этой связи перспективной является лазерная обработка, с помощью которой осуществляется создание закономерно изменяющегося состояния поверхностных слоев сопряженных изделий с целью обеспечения равномерного и минимального по величине износа по всей поверхности контакта на основе экспериментального и теоретического определения закономерностей его изнашивания.

Технологически это обеспечивается лазерной обработкой с изменяющимися режимами в процессе упрочнения вдоль поверхности контакта и позволяет сохранять первоначальную геометрическую форму, определяющую работоспособность инструмента, повысить эксплуатационные свойства.

Для каждого конкретного инструмента и детали машин данные о коэффициенте перекрытия пятен, расфокусировке луча, плотности мощности излучения фиксируются в технологических картах.

Изменением режимов облучения можно добиться получения требуемой микрогеометрии облученной поверхности, то есть проводить лазерную закалку без нарушения исходной микрогеометрии, либо с заданной степенью нарушения за счет локального оплавления поверхности (рисунок 9). Последний вариант применим для получения равномерного рельефа рабочих поверхностей деталей машин и инструмента, выполняющего роль "масляных" карманов и снижающих коэффициенты трения трибосистем.

Рисунок 9 - Профилограммы упрочненных поверхностей в зависимости от плотности мощности лазерного излучения: 1 - q=50 МВт/м2; 2 - q=80 МВт/м2; 3 - q=100 МВт/м2; 4 - q=150 МВт/м2

Производственные испытания опытных партий металлообрабатывающего инструмента и технологической оснастки различного функционального назначения показали, что лазерное упрочнение и легирование повышают их стойкость в 2-5 раз и позволяют получить значительный экономический эффект при внедрении технологических процессов в производство.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель работы.

2. Краткая характеристика изученного способа термической обработки сталей и сплавов.

3. Общие принципы выбора схем лазерной термообработки для инструмента различного функционального назначения.

4. Основные параметры оптимизации режимов лазерной поверхностной обработки.

5. Выводы на основании полученных результатов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Какой предварительной обработке подвергаются изделия перед проведением лазерной термообработки?

2. Обоснуйте выбор схем лазерного облучения отрезных резцов, концевых фрез и вырубных штампов.

3. Каким образом проводится корректировка режимов лазерной обработки для инструмента различного функционального назначения?

4. Перечислите основные параметры процесса лазерной термообработки материалов.

5. Как зависят результаты лазерного упрочнения от коэффициента перекрытия облученных пятен?

6. Объясните зависимость твердости упрочненных зон от плотности мощности лазерного излучения.