автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных свойств быстрорежущего инструмента методами лазерной технологии

На правах рукописи

Митрофанов Андрей Анатольевич

УДК 621.91.02:549.12.04

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ БЫСТРОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА МЕТОДАМИ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Специальность:

05.03.01.- Процессы механической и физико-технической

обработки, станки и инструмент 05.03.07.- Оборудование и технология лазерной обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1997.

Работа выполнена в Московском, государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Зеленцова Н.Ф.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Сафонов А.Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Гречишников В.А. кандидат технических наук, Волгин В.И.

Ведущая организация - АО "Завод им. В.А.Дегтярева"

Защита состоится чЗ>" СКом 9 1997 года в 10-00 на заседании специализированного совета К.053.15.15 в Московском государственном техническом университете им.Н.Э.Баумана по адресу: 107005, Москва, Б-5, 2-ая Бауманская ул., дом 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им.Н.Э.Баумана.

Подписано к печати /6ps,9?. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Автореферат разослан "23' /K.gJ¿ 1997 г. ¡

Ученый секретарь диссертационного Совета

Васильев А.В.

Заказ /«22

Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана

0Б1ЯАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Проблема повышения работоспособности режущего инструмента является одной из главных проблем металлообработки. В настоящее время затраты на режущей инструмент составляют более 15£ общих затрат механообрабатывающего производства, причем тенденция роста этих расходов очевидна. Кроме того, вынужденные простои из-за смены и наладки инструмента составляют от 16 до 352 рабочего времени.

Поэтому повышение работоспособности режущего инструмента является важным резервом роста эффективности производства и производительности механической обработки.

Для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик режущего инструмента инструментальный материал должен обладать комплексом свойств, среди которых основными являются высокая твердость, теплостойкость и прочность. Достижение сочетания этих свойств в одном материале вызывает значительные трудности, в связи с чем, появление новых инструментальных материалов, удовлетворяющим указанным требованиям, весьма редко.

Одним из наиболее перспективных направлений повышения работоспособности режущего инструмента является упрочнение его рабочих поверхностей, при этом достигается сочетание высоких прочностных свойств базового материала с твердостью и теплостойкостью поверхностного слоя. В настоящее время разработано около ста видов упрочняющих технологий режущего инструмента. Общая оценка эффективности применения метода упрочнения основывается на дифференциальных оценках его технологических возможностей, экономических результата и экологических последствиях его применения. Однако, универсальных методов упрочнения и составов износостойких покрытий нет. Они различны для разных типов инструментов, обрабатываемых материалов и режимов резания.

Для повышения эксплуатационных характеристик режущего инструмента из быстрорежущих сталей весьма перспективным направлением является применение лазерных технологий, среди которых важное место принадлежит лазерной закалке. Преимущества лазерной закалю! обусловлены возможностью подвода в зону обработки высокой концентрации энергии, обеспечением локальности воздействия на упрочняемую поверхность инструмента, экологической чистотой, а так ке

большими возможностями автоматизации и управления процессом. Лазерная закалка проводится на открытом воздухе без применения вакуума. или закалочных сред.

Большинство работ по повышению работоспособности режущего инструмента методами лазерной технологии подтверждают принципиальную возможность повышения стойкости инструмента от 2 до б раз, однако значительная часть исследователей использовала импульсные лазерные установки. Применение импульсных лазеров вследствии низкой производительности, сложности и нестабильности процесса упрочнения не способствовали широкому внедрению лазерной закалки режущего инструмента в практику металлообработки.

Создание технологических непрерывных СОг-лазеров и возможность использования в составе лазерных технологических комплексов автоматических манипуляторов позволяет не только значительно повысить производительность самого процесса лазерной закалки, но и создает возможность получения стабильности свойств упрочненных поверхностей. Однако, процесс упрочнения режущего инструмента со 2.-лазерами исследовал недостаточно. Кроме этого, к настоящему времени нет единой точки зрения на механизм упрочнения быстрорежущих сталей под воздействием лазерного излучения, приводящий к повышению работоспособности режущих инструментов. Так же отсутствуют исследования о влиянии режимов лазерной закалки на' стойкость упрочненных инструментов, и условиях их рационачьной экс-• плуатации.

Цель работы. Исходя из рассмотрении состояния вопроса целью данной работы является повышение работоспособности режущего инструмента из быстрорежущих сталей с путем лазерной оакааки.

. Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования проводились на базе разработанного методического плана, включающего общие и частные методики с испольвованием современных представлений теории резания, физики металлов и металловедения, математической статистики.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях. В лабораторных условиях проводились исследования' зависимости эксплуатационных свойств быстрорежущих сталей (мнкротвердость, износостФмость, теплостойкость) от энергетических параметров лазерной вакэлкн. ¡¿етааюграфнческш исследования-проводились с применением современного оборудования: сп-2

тического микроскопа "Neophot-32", электронно-сканирующего микроскопа "CaTGcan-4VD" и энергодисперсионного анализатора "Link Analitikal-ANIOOOO". Лазерная закалка исследуемых образцов и режущего инструмента проводилась излучением непрерывного СО2-лазера МТЛ-2 с использованием многокоординатного манипулятора с ЧПУ 125А.

В производственных условиях проводились сравнительные стой-костные испытания упрочненных режущих инструментов с целью определения оптимальных режимов лазерной закалки, а так же обоснования условий рациональной эксплуатации упрочненных инструментов, получение характеристик износа, разработки стойкостны . зависимостей. Статистическая обработка результатов исследований, проводилась на IBM 486 DX2.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- на основании комплексных исследований определено микроструктурное состояние поверхностных слоев, при котором происходит повышение стойкости режущих инструментов при закалке непрерывным лазерным излучением: максимальная стойкость при лазерной закалке закаленно-отпущенкых быстрорежущих инструментов достигается при перевода мартенсита отпуска в мартенсит закалки при сохранении мелкодисперсных карбидных и карбонитридных частиц;

- обоснована оптимальные энергетические параметры режимов лазерной закалки кояцэеых фрез из быстрорежущей стали P6W5, позволяющие получить повышение стойкости -до 2 раз без оплавления поверхности!

- определены рациональные рехиш резания концевых фрез после лазерной закалкч.

Практическая ценность.

- проведенный анализ механизма износа регкутцих инструментов позволяет рекомендовать для локальной лазерной закалю! конкретные конструктивные элементы игзтрумент.?,, лимитирующие его стойкость;

- определены режима лазерной закалки позволяющие получить оптимальное микрсструктурноэ состояние поверхностных слоев режу-ецк инструментов при котором обеспечивается повышение стойкости в 1,6-Й, раза;

,. - реюэмендовано проводить лазерную закалку без оплавления поверхности о целью сохранения геометрических параметров рабочих элементов; *

. 3

- разработаны промышленные рекомендации для внедрения технологического процесса лазерной з&чалки быстрорежущего инструмента в практику.

Результаты исследований прошли промышленную апробацию на АО "Завод им. В.А.Дегтярева" и АО "Ковровский экскаваторный завод".

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: "Технология обработки: физика процессов и оптимальное управление" - г. Уфа, 1995 г., "Лазерные технологии-95" - г. Шатура, 1995г., "Лазеры в науке, технике, медицине" - г. Сергиев Посад, 1996г., на Международном конгрессе "Молодежь и наука - третье тысячелетие" - г. Москва,1996 г., на семинаре Московского химического общества им. Д.И.Менделеева "Новое в технике и технологии инструмента" - г. Москва, 1995 г.

Работа обсуждалась ка научных семинарах кафедры "Процессы и инструментальные системы механической и физико-химической обработки материалов" МГТУ им. Н.Э.Баумана.

. По результатам исследований опубликовано б печатных работ, получено 1 положительное решение по заявке на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 245 страницах и содержит 105 страниц машинописного текста, 98 рисунков, 27 таблиц, список литературы из 91 источника.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы и дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен обзор и анализ ранее выполненных работ по упрочнению режущего инструмента. Показано, что несмотря на существующее значительное количество упрочняющих технологий , универсальнач методов упрочнения режущих инструментов не существует. Анализ научно-технической литературы показал, что стойкость инструментов после лазерной закалки повышается от 2 до 5 раз по сравнению с неупрочненным инструментом. Большинство работ проводилось по исследованию влияния импульсной лазерной закалки на структуру и свойства быстрорежущих сталей. В литературе практи-4

чески отсутствуют данные о влиянии непрерывного лазерного излучения на формирование структур быстрорежущих сталей, приводящих к повышению стойкости режущих инструментов.

Обзор состояния Еопрсса по износу осевых режущих инструментов писазач, что в процессе резания изнашиваются в.се рабочие элементы инструмента. Однако его стойкость лимитируется износом одного или группы определенных элементов. Локальность воздействия лазерного излучения позволяет проводить обработку именно этих рабочих элементов.

Исходя из анализа литературных данных сформулированы задачи исследования:

1. Провести анализ механизма износа рекущих инструментов и влияния состояния заточенных поверхностей на их работоспособность.

2. Обосновать рациональные, режима лазерной закалки л исследовать их влияние- на работоспособность ревущего инструмента.

- исследовать влияние режимов лагерной закалки на структуру и свойства быстрорежущих сталей;

- провести предварительные стойкостные испытания с целью оцешси влияния режимов лазерной закалки на работоспособность концевых фрез;

- провести полные производственные испытания инструмента;

3. Разработать стойкостные модели инструмента учитывающие режимы лазерной закалки и условия эксплуатации.

4. Разработать рекомендации по-применению лазерной закалки для повышения работоспособности инструмента в производственных условиях.

Во второй главе сформулированы общая и частная методики проведения экспериментальных исследований.

Стойкостные испытания концевых фрез поводились на заготовках из конструкционной стали 45 ГОСТ 1050-88 на универсально-фрезерном станке ФУ-251 без применения |ЮТС. Испытаниям подвергались концевые фрезы 0 12, 18 и 20 мм ГОСТ 17026-71, изготовленные из быстрорежущей стали Р6М5 ГОСТ 19265-73. Лазерная зачалка режущего инструмента и образцов из быстрорежущей стали, пропедших предварите льную закалку и 3-х кратный отпуск, проводилась на лазерном технологическом комплексе, состоящем из непрерывного СОг-лазера МТЛ-2 и автоматизированного манипулятора с ЧПУ А125. Обработка инструмента осуществлялась без оплавления поверхности для сохра-' 5

нения геометрических параметров режущей части и избежания последующей заточки. В качестве обобндацего параметра лазерной закалки испо -ьзовалась удельная погонная энергия Es, Дж/мм2.

Все партии исследуемых концевых фрез подвергались тщательному входному контролю. Инструменты не удовлетворяющие техническим требованиям ГОСТ 17024-71 в испытаниях не использовались.

Исследование влияния режимов лазерной закалки на эксплуатационные свойства быстрорежущих сталей проводились в лабораторных v&noBHHx на кафедрах МТ-2 и МТ-12 МГТУ им.Н.Э.Баумана.

Теплостойкость образцов из быстрорежущей стали РЗМ5 определялась путем измерением твердости по Виккерсу на приборе ТП-7р после отпуска от различных температур. Исследование влияния режимов лазерной закалки на износостойкость быстрорежущей стали проводилось по методике проф. Г.И.Грановского на установке, имитирующей процесс резания. Микроструктура быстрорежущих сталей в зонах лазерного воздействия (ЗЛЗ) изучалась на изготовленных шлифах после травления 4% раствором ''N03 с помощью оптического микроскопа "Neophot 32", электронно-сканирующего микроскопа "Causean 4VD" и энергодисперсионного анализатора "Link Analitikal-AMIOOOO". Микротвердость определялась на микротвердомере ПМТ-3.

Обработка экспериментальных данных осуществлялась с помощью методов математической статистики.

В третьей главе приведены результаты лабораторных исследований зависимости микроструктуры и эксплуатационных свойств быстрорежущих сталей 'микротвердость, теплостойкость и износостойкость) от режимов лазерной закалки.

Микроструктура зоны лазерного воздействия (3JIB> стачи Р6М5, полученная после обработки излучением непрерывного ' СОг-лазера, имеет сложное слоистое строение. В общем случае выделяются три зоны: зона оплавления, зона закалки из твердой фазы и переходная зона. В верхней части зоны оплавления (30) формируется достаточно однородная ячеисто-дендритная структура. Для нижней части 30 характерна значительная неоднородность структуры. Несмотря на присутствие 5-феррита, •'микротвердость здесь имеет весьма выпкие значения: Нд=8900-9400 МПа, что объясняется выделением мелкодисперсных карбидных ч-стиц при кристаллизации . микрообъемов жидкой фазы, сильно обогащенных дегирующими элементами.

Зона закалки из твердой фазы (ЗТВ) имеет вид светлого сла-

ботравящегося слоя с мелкодисперсное строением. В самом общем виде в ней кроме мартенсита и остаточного аустенита имеются нераст-Еорившкеся карбиды.

Структурно-фазовые превращения в ЗТВ определяются не только величиной энергетических параметров лазерного излучения, но и исходным состоянием стали. После лазерной завалки отояженний быстрорежущей стали без оплавления поверхности микротвердость з ЗТВ (Н)1=7100-7900 Ша) не превышает значении микротвердости стали после объемной закалки и отпуска, что связано с малой насыщенностью твердого раствора из-за нерастворения карбидов.

После лазерной закалки засаленно-отпущенных стллей мккрот-вердость достигает значений Н|1=7100-10500 Ша. Эти данные свидетельствуют о том, что закаленно-отпущенных сталей более приемлемы режимы лазерной обработки с небольшим экергоькладом во избежании растворения карбидов. Основной смысл лазерной обработки в этом случае - перевести мартенсит отпуска в мартенсит закалки, и за счет этого получить прирост твердости поверхностного г лоя.

Условия эксплуатации режущего инструмента приводят к тому, что в зоне резания температура может достигать более 400-600°С. В таких условиях, сохранение твердости режущими элементами инструмента является важным требованием.

Измерение твердости образцов из стали Р6М5 после отпуска от температур в диапазоне 300-7Б0°С показало, что в ЗЛВ сохраняются более высокие значения твердости, чем.в исходной структуре. Повышение теплостойкости образцов после лазерной закалки без оплавления поверхности с £з=6-27 ДжЛаг составило Э,8-12,9°С, что существенно сказывается на стойкости режущих инструментов.

Характерным является то, что интенсивность (1«'/) разу рочне-ния в 3.13 после отпуска от 650°С превышает интенсивность разупрочнения исходной структуры, что'объясняется различием механизмов упрочнения в структурах, полученных после объемной термообработки и последующей лазерной закалки. В случае лазерной закалки образуется структура пересыщенные углеродом и легирующими элементами, являющиеся более неравновесны!,® и нестабильными при нагреве.

Результаты исследований показали, что применение лазерной закалки приводит к повышению износостойкости быстрорехущех сталей. Повышение износостойкости нельзя считать следствием только /величения микротвердостн, т.к. образцы после лазерной закалки с

7

удельной погонной энергией Ез=1,3-2,6 Дж/мм2 имели практическую одинаковую микротвердость Нд=10010-11750 Ша. Однако лазерная закатка Е$- 1.3-1,5 Дж/мм2 привела к максимальному повышению износостойкости, что мокко объяснить сохранением мелкодисперсных карбидных фаз.

В четвертой глазе представлены исследования зависимости стойкости концевых фрез от энергетических параметров лазерной закалки.

К настоящему времени отсутствуют общие методы точного реше-ьия нестационарных задач теплопроводности. Учитывая сложность математического описания геометрии режущей части инструмента и энергетических параметров лазерного излучения в данной работе режимы лазерной закалки концевых фрез определялись эксперементаль-ным путем.

Одних! из условий лазерной закалки режущего инструмента принималось сохранение геометрических параметров режущей части неизменными, для избежания последующей переточки. Контрольные измерения шероховатости задней поверхности и радиуса округления режущей кромки показали, что лазерная закалка по применяемым режимам не приводит к изменению шероховатости и величины радиуса округления режущей кромки. Различные значения стойкости концеЕых фрез после лазерной закалки объясняются только изменением режущих свойств.

Результаты предварительных стойкостных испытаний позволили сделать вывод о том, что на стойкость инструмента зависит от энергетических параметров лазерной закалки. Существуют вполне определенные значения удельной погонной энергии лазерной закалки Еэ, позволяющее получить максимальное повышенную стойкость. Для концевых фрез 0 12 мм это значение составляет Ез=0,25 Дж/мм2 (рис. 1,2), для концевых фрез 0 20 мы - Ез=0,,75 Дж/мм2, а для циа-нированных фрез 0 18 мм - Ез=2,67 Дж/мм2.

Микроструктурные исследования, проведенные после стойкостных испытаний, позволили установить, что глубина упрочненной зоны у концевых фрез 0 12 мм после лазерной закалки с удельной погонной энергией Еэ=2 Дж/мм2 и Е3=0,25 Дж/мм2 отличается незначительно и составляет- 400-500 мкм. Однако характер изменения микротвердости по глубине ЗЛВ имеет значительны« различия (рис.3).

При малой удельной погонной энергии (Е3=0,25 Дж/мм2) на поверхности ЗЛВ имеются весьма высокие значения микротвердости 8

О П 20 50 40 50 8С 1,МИН

Рис.1. Зависимость износа задней поверхности зубьез концевых фрез 0 12 мм от времени работы при обработке стали 45. Режимы резания: У=0,4 м/с, 5г=0,С5 мм/зуб, 1=Ь=3)/.м.

1 - СТО; Лазерная закалка с Ез, Дж/мм2:

2 - Ез=2 Дк/мм2; 3 - Ез-1,25 Дж/ым2; 4 - '¿з=1 Дж/мм2; 5 - Ез=0,75 Дж/мм2; 6 - Ез=0,25 Дж/мм2..

Т.1..ИН ----

О 0.5 1 1.5 Еэ,Дж/мм2 РиС.2. Зависимость стойкости кснцевых фрез 0 12 м от удельной погонной энергии Ез.Дг/мм2 при фрезеровании стали 45 Резкими резания: У-0,4 м/с, Зг=0,05 мм/зуб, Ь=Ь=Змм. Н)1=»12000 Ша, при увеличении удельной погонной энергии (Е3=2 Дж/мм2) значения микротвердости у поверхности ЗЛВ снижаются до значений' Нд*Р200-9700 Ша. Несмотря на то, что в обоих случаях после лазерной закалки в поверхностных слоях инструментов образуется структура с большими значениями мккротвердости, чем у исход-

9

Н|1,Ша 12000 11 ООО 10000 9000

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 11,ММ Рис.3. Изменение микротвердости по глубине поверхностного слоя задней поверхности зубьев концевых фрез 0 12 ш после лазерной закалки с различными значениями Ез: 1 - Ез-=0.25 йж/им2; 2 - Ез-2 Дж/мм2.

ной, стойкость фрез существенно отличается.

Металлографические исследования, проведенные на электрон-¡:о-сканируадеы микроскопе "Сатесаг -Ш" показали, что под воздействием лазерного излучения ь зависимости от значений удельной погонкой энергии происходит изменения в состоянии карбидной фазы.

Лазерная закалка с удельной погонной энергией Ег=0,25 Дж/ммг практически не вызывает изменений. Лазерная аа)«лка с удельной погонкой энергией 8 Д>,-Уммг приводит к растворению примерно 2Ь% карбидов, причем уменьшение количества карбидных частиц происходит за счет растворения мелкодисперсных карбидоз размером до 0,6 мкм, которые в значительной мере определяют износостойкость и микротвердость быстрорежущих сталей.

Результаты металлографических исследований фрез после лазерной закалки позволили выявить механизм повышения стойкости быст-рор>емуш1н инструментов после закалки непрерывным лазерным излучением. Было установлено, что для проведения лазерной закалки быст-рорекущих инструментов энергетические параметры нугою выбирать 10

так ч*обы перевести мартенсит отпуска исходного состояния в мартенсит закалки, избегая при этом растворения мелкодисперсных карбидных и карбонитридных частиц. При этих условиях достигается повышение стойкости упрочненного инструмента в 1,5-2 раза.

В пятой главе представлены результаты сравнительных стой-костных испытаний упрочненных инструментов, позволяющие определить зависимость их стойкости от таких параметров режима резания, как скорость резания и подача на зуб.

Результаты стойкостных испытаний концевых фрез.й 12 мм показывают, что увеличение скорости реаачия приводят к снижению стонкости концевых фрез. Эта зависимость сохраняется при всех значениях подачи на зуб и не носит экстремального характера (рис;4).

Т.мин

120 100 80 60 40 ?0

0 0,17 0,33 0,5 0,07 У.м/с Рис.4. Зависимость стойкости концевых фрез 0 12 мм от скорости резания (V) при фрезерования стали 45 с различными значениями подачи на зуб Зг: 1 - Зг:=0,05 мм/з\2 - Зг-0,08 мм/зуб; 3 - о2=0,1 мм. зуб; 4- 32=0,125 км/зуб; (о) - после лазерной закалки с Ез=0,25 Дд/мм2; (о) - СТО.

В качестве дополнительной оценки режущих свойств концевых Фрез 0 12 мм была использована интенсивность изменения стойкости (1т), представляющая собой первую производную по скорости зависимости Т=Г(V). Полученные зависимости показывают более интенсивнее сниление стойкости упрочненных инструментов при увеличении ско-

11

рости резания от V=0,25 м/с до V=0,79 м/с. Зависимость стойкости концевых фрез а 20 мм от скорости резания, полученная в результате испытаний, аналогична стойкостной зависимости для концевых фрез 0 12 мм.

Исследование зависимости стойкости концевых фрез от подачи на зуб проводилась на основании результатов стойкосткых испытаний концеБЫХ фрез й 12 мм. Полученные результаты (рис.5) показывают, что зависимость T=f(S) носит немонотонный характер при скоростях резания 7=0,25-0,63 м/с. При скорости резания V=0,79 м/с стойкость концевых фрез снимется при увеличения подачи на зуб.

Т,мин

120 1G0 80 60 40 20

0 0,05 0,1 Бг,мм/зуб

Рис. 5.Зависимость стойкости концевых фрез 0 12 мм от подачи на зуб (Зу) при фрезерования стали 45 с различными значениями скорости резания V: 1 - У=0,25 м/с; 2 - У=0,4 м/с; 3 - У=0,50 м/с; 4 - \'=0,63 м/с; о - У=0,79 м/с. (о) - после лазерной закалки с Ез=0,25 Дж/мм2; (в) -.СТО.

Установлено, что наибольшее увеличение стойкости концевых Фрез (в 1,9-2,16 раза) после лазерной закалки по сравнению с инс-12

трументамн после стандартной термообработки получено при эксплуатации со скоростями резания до 0,5 м/с и подачами на зуб Sz=0,05-0,08 мм/зуб.

Результаты стойкостных гспытаний показали, что при фрезеровании стали 45 со скоростями резания от 0,25 м/с до 0,80 м/с и подачами на зуб от 0,05 мм/зуб до 0,125 мм/зуб износ концевых фрез носит абразивный характер. Применение лазеоной закалки для повышения работоспособности концевых фрез не вызывает изменения механизма износа. Анализ кривых износа показал, что увеличение периода стойкости инструментов, обработанных лазерным излучением, происходит за счет увеличения периода основного износа.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В диссертационной работе предложено решение актуальной задачи - повышение работоспособности режущих инструментов из быстрорежущих сталей с помощью лазерной закалки. На основании комплексных исследований определено микроструктурное состояние поверхностных слоев, при котором происходит повышение стойкости режущих инструментов при закалке непрерывным лазерным излучением.

2. Иссль^ование микроструктуры поверхности быстрорежущих сталей после их обработки излучением непрерывного СО^-лазера показало, что зона лазерного воздействия (ЗЛВ) имеет неоднородное, слоистое строение, обусловленное различием температур нагрева по глубине. Повышение микротвердости з зоне, оплавления (Ни. до 10000 МПа) может быть обусловлено как образованием мар: нсига так и выделением высокодисперсных карбидов вследствии высокой концентрационной неоднородности. Повышение микротвердости в зоне закалки из твердой фазы (Нд до 11000 МПа) определяется получением мартенсита с достаточной степенью его насыщения за счет растворения некоторой части карбидов.

3. Показано принципиальное различие в микротпердости зон лазерного воздействия (ЗЛВ) образцов быстрорежущих сталей Pia и РСМ5 с различным исходным состоянием: отожженных и закаленно-отпущенных. В отсаженных образцах наибольшая микротвердость достигается после лазерной обработки с высокими значениями удельной гагонной энергии (Е3 до 20 Дж/мм2), преимущественно с оплавлением юверхности, при обработке без оплавления поверхности млкротвер-[ость имеет значения Нд=8000 МПа и она резко уменьшается по глуше ЗЛБ. В закаленно-отпущенных образцах при лазерной обработке

13

без оплавления поверхности достигается значительно большая микротвердость (Нд до 11000 МПа), при этом сохраняется относительное постоянство значений микротвердости по глубине ЗЛВ.

4. Показано, что высокая твердость быстрорежущих сталей, полученная в результате лазерной закалки, сохраняется и после отпуска от температур в широком диапазоне (300-650°С). Установлено повышение температуры теплостойкости сталей после лазерной закалки на 9-18°С, что может оказать существенное влияние на стойкость режущих инструментов. Выявлено, что микроструктура ЗЛВ после отпуска от 620°С обладает ' большей интенсивностью разупрочнения, объясняющейся нестабильностью и неравновесностью этих структур.

5. Установлено, что лазерная закалка с удельной погонной энергией Е3=1,3-2,6 Дж/мы2 приводит к повышению износостойкости быстрорежущей стали Р6М5. Причем снижение удельной погонной энергии лазерной обработки в указанном интервал приводит к возрастанию износостойкости. Это может быть объяснено тем, что износостойкость в значительной степени зависит от структурного состояния в ЗЛВ: максимальные значения износостойкости в результате лазерной закалки закаленно-отпущенных сталей достигается при переходе мартенсита отпуска в мартенсит зачалки при сохранении большей части мелкодисперсных карбидов, которые во многом определяют износостойкость быстрорежущих сталей.

6. Получены значения энергетического параметра лазерной закалки Ез, позволяющее получить максимальное повышение стойкости, отклонение от которых приидит к снижению стойкости. Для концевых Фрез 0 12 мм это значение составляет Еь—0,£5 Дж/мм2, для концевых £рез 0 20 мм - Ед=0,75 Дгк/ш2. В случае лазерной закалки цканиро-ьанних фрез ь 18 мм повышение стойкости достигается после обра-Сотки с удельной погонной энергией Ез=2,57 Да/мм2. Обработка по указанным режимам приводи!* к повышению стойкости инструмента в 1,6-2 раза.

7. Проведенные исследования показали, что повышение работоспособности быстрорежущего инструмента с исходной закалешю-отпу-щенкой структурой после лазерной закалки матет иметь следующую природу: в поверхностных слоях образуется структура мартенсита закалки с повышенной микротвердостью (Нр.=10000-12000 Ша) при сохранении мелкодисперсных карбидных и карбонитридньк частиц, которые в значительной мере определяют износостойкость быстрорежу-

14

щих сталей.

8. По результатам производственных испытаний установлено, что увеличение скорости резания приводит к монотонному снижению стойкости, причем концевые фрезы после лазерной закалки более чувствительны к изменению скорости резания. Зависимость стойкости от подачи на зуб имеет экстремальный характер. При фрезеровании со скоростями резания 7-0,25-0,63 м/с наибольшая стойкость получена при подаче на зуб 32=0,08 мм/зуб. При фрезеровании со скоростью резания У=0,79 м/с увеличение подачи на зуб от 32=0,05 ш/зуб до 32=0,125 мм/зуб вызывает снижение стойкости. Установлено, что наибольшее приращение стойкости концевых фрез после лазерной закалки по сравнению с инструментами после стандартной термообрабоиси получено при эксплуатации со скоростями резания до 0,5 м/с и подачами на зуб 32=0,05-0,08 мм/зуб.

9. По результатам исследований получены обобщенные стойкост-ные подели концевых фрез 0 12 мм при обработке стали 45 в полиномиальном виде:

- для фрез после лазерной закалки

Т-0.833 - 1,108-У + 0,518-3 + 0,444-У2 - 0-.736-32 - 0,032-У-3

- для фрез после стандартной термообработки

Т»-0,84б - 1,111-У + 0,495-3 + 0,515-У2 - 0.693-32 - 0,144-У-З;

10. Для концевых фрез 0 20 мм получена зависимость стойкости от скорости резания при обработке стали 45 в виде:

- для фрез после лазерной закалки

18,31 -е0,5647

у2, 16

- для фрез со стандартной термообработкой

14,58-е0'?ггч

т » -

у1.71

■ Подученные модели позволяет оценить влияние пежимов резания (старость резания и подача на зуб) на стойкость инструмента.

10. Показано, что при фрезеровании стали 45 со скоростями резания от 0,25 м'с до 0,80 м/с и подачами на зуб от 0,05 мм/зуб до 0,125 учи/зуб износ концевых фрез носит абразивный характер. Применение лазерной закалки для повышения работоспособное ni концевых Фрез не вызывает изменения механизма износа. Анализ кривых пзпоса показал, что увеличение периода стойкости инструментов,

15

обработанных лазерным излучением, происходит за счет увеличения продолжительности периода нормального износа.

11. Разработаны рекомендации для практического использования лазерной закалки в технологическом процессе изготовления режущего инструмента.

Основное содержание работы 'отражено в опубликованных работах:

1. Повышение стойкости инструмента из быстрорежущих сталей методом лазерной обработки / А.Н.Сафонов, Н.Ф.Зеленцова, А.А.Митрофанов и др. // Станки и инструмент.- 1995.- N5.- С. 17-21.

2. Исследование г-юцесс^ лазерной обработки инструмента из быстрорежущих сталей / А.Н.Сафонов, Н.Ф.Зеленцова, А.А.Митрофанов и др. // Тезисы докладов V международной конференции "Лазерные Тч.хнологии-95".- Шатура.- 1995.- С. 42.

3. Сафонов А.Н., Зеленцова Н.Ф. i Митрофанов A.A. Обоснование режимов лазерной обработки режущего инструмента из быстрорежущей стата Р6М5 // Технология обработки: физика процессов и оптимальное управление: Тезисы докладов международной конференции посвященной 75-летию со дня рождения Алексея Дмитриевича Макарова.-Уфа,- 1S95.- С.70-71.

4. Сафонов А.Н., Зеленцова Н.Ф., Митрофанов A.A. Использование лазерного излучения для упрочнения режущего инструмента из быстрорежущих сталей // Лазеры в науке, технике, медицине: Тезисы докладов VII международной научно-технической конференции.- Сергиев Посад.- 1996.- С. 79-81.

5. Упрочнение поверх}, jcth инструмента из быстрорежущих сталей с помощью непрерывных СО2-лазеров / А.Н.Сафонов, Н.Ф. Зеленцова, A.A. Митрофанов и др.// Сварочное производство, -1996, -NP, -С.18-21.

о. Разработка научных основ новых методов эффективной механической обработки и эксплуатации инструментов: Отчет о НИР (зак-д»ч.) / КГТУ. НИИ КМиТП; Руководитель Древаль А.Е.; Исполн.: H.H.Зубков, Н.Ф.Зеленцова, А.Н. Сафонов, А.А.Митрофанов и др,-Ккв. ü 02560006504. - М. , 1995,- Л8 о. '

7. Способ закалки концевого режущего инструмента с помощью непрерывного излучения технологического лазера / А.Н. Сафонов, Н.Ф. Зеленцова, A.A. Митрофанов и др. // Положительное решение по заявке на изобретение за Н 9510S543.

16