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.
