graduate student from 01.01.2023 until now
employee from 01.01.2023 until now
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
UDC 621.789
The article discusses the current problem of increasing the surface hardness of non-rigid step-shaped shafts, widely used in various industries, by means of laser thermohardening (LThH). Shafts are important parts in various vehicles and machinery, and increasing their surface hardness significantly improves their performance. Special attention is paid to the problem of increasing the radial runout that often occurs during LThH. This negative phenomenon limits the use of LThH technology in high-precision assemblies and machinery. The purpose of the presented study is to find the dependence of the parameters of the hardened surface layer and radial runout of the shafts on the technological parameters of laser thermohardening. The study of these dependencies takes an important part for LThH technological regime characterisation, making it possible to achieve the required parameters of the hardened layer without a significant increase in the radial runout. The paper presents the results of experimental studies conducted on imitation samples made of corrosion-resistant heat-resistant steel 14Cr17Ni2 and real step-shaped shafts made of structural alloy steel 40Cr. A pattern for the radial runout increase with growing laser radiation power under unchanging treatment speed has been revealed. The dependence of the hardened layer parameters on the Fourier criterion, which characterizes its cooling rate has also been proved. The presented relationship makes it possible to create the basis for the development of forecasting tools that allow assessing the impact of the technological regime parameters within laser thermohardening on the hardened surface layer parameters being formed under the treatment together with LThH process flow control. The results of the study can be used in the development and optimization of laser thermohardening technologies for non-rigid shafts and geometrically similar parts used in mechanical engineering.
laser thermohardening, radial runout, step-shaped shaft, steel 14Cr17Ni2, steel 40Cr, hardened layer, technological parameters
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. Zavitkov A.V. Study of the effect of laser thermo-hardening on the wear resistance of camshaft contact surfaces // Innovations. Technologies. Production: Proc. of the IX-th International technology forum. Rybinsk. 2023, no. 2 (65), pp. 90−96.
2. Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Technological processes of laser treatment: training manual. Moscow: Publishing house of Bauman Moscow State Technical University. 2008. 664 p.
3. Yezhova G.P. Laser treatment // Innovative scientific research in the modern world: Proc. of the XII-th International Scientific and Practical Conf. (Part 1). Ufa. 2023. pp. 86−90.
4. Grigoryants A.G., Safonov A.N. Methods of surface laser treatment: training manual. Moscow: Direct-Media. 2021. 191 p.
5. Pavlov E.V. Increase of wear resistance and contact durability of crankshafts // Proceedings of the Southwestern State University. 2013, no. 1, pp. 28−31.
6. Fazulzyanov M.R., Rusinov V.D., Nugumanova E.I., Shivoev R.S. Methods of surface hardening of machine parts using the example of a crankshaft // Modern science and education: achievements and development prospects. Kerch: Kerch State Maritime Technological University. 2023, pp. 100−111.
7. Maisuradze M.V., Ryzhkov M.A., Kornienko O.Y., Stepanov S.I. Induction and laser heat treatment of steel products: training manual. Yekaterinburg: Publishing House of the Ural University, 2022. 92 p.
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. Zavitkov A.V., Pechnikov I.S. Modern methods of restoring and increasing the wear resistance of internal combustion engine parts. Current problems of motor vehicles operation // Proc. of the XXIII-th International Scientific and Practical Conference Vladimir. 2021, pp. 111−115.
10. Petrochenko S.V. Evaluation of the influence of laser quenching mode parameters on the quality of the surface and surface layer of machine parts // Omsk Scientific Bulletin. 2024, no. 1 (189), pp. 56−65.
11. Phase and structural transformations during laser heating of steel. II. The effect of tempering of hardened steel on the recrystallization process under laser heating // Physics of Metals and Metal Science. 1984, vol. 58, no. 4, pp. 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, vol. 68, no. 2, pp. 103−112. DOI:https://doi.org/10.29235/1561-8358-2023-68-2-103-112
13. A.V. Korolev, A.A. Mazina, A.S. Yakovishin, A.V. Shalunov. Technological causes of residual stresses // Modern materials, machinery and technologies. 2016, no. 5 (8), pp. 116−120.
