автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.07, диссертация на тему:Технологические основы управления качеством поверхностного слоя при лазерной упрочняющей обработке материалов

КШВСЫШЯ ПОЛИТЕХ!! 1Ч1ШЯ 1НСТИТУГ

ТБ ОД

,г :

На правах руно.тяеу

УДК G21. 37Я B2G

ГОЛОВКО Леонiд Федорович

ТЕХ1ЮЛОГ1ЧН1 OCJÎGBM КЕРУВАНИЯ KKICTW ЯЕРХШШОГО Ш'У ПРИ ЛАЗЕРН1Я ЗЫЩШОЧШ OKPOMU ¿Ш'ЕР1АЛ№

С л е ц i а л ь и 1 с т ь: 05. 03. 07 ( .¡ладнэшш I технолог!;1 л;>\я\ЛЮ1 об{ЮбКИ

Автореферат джм:(ггад11 на здоОугтя паукового ступени доктора тех»1чннх наук

КИШ 1Ü94

Рг.&л'а виконана в Кшвсышму пол ¡техничному ¡нетитуп на «а£гдр1 лазерно! технологи та матер¡алознаветга.

Шуковий консультант: . Заслуданий д1яч науки та техшки

Укра1'ни, акадеьпк А1Н УкраШ1, доктор техн1чнмх наук, професор КОБАЯЕШ'О В. С.

0ф1Ц1йн1 опоненти:

1. Доктор техн1чних наук, професор ГРИГОРЬЯЩ А. Г.

2, Джтор техн!чних наук, професор БШЦЬКИЙ о. В. а Доктор техн!чних наук, професор Д'ЯЧЕНКО В. С.

15>о^1дна орган!эац1я -. науково-виробниче-об' еднання "Ыхьвовж", М. КИ1В

Захкст в1д0удеться 20 червня 1094 р. о 16.00 годин! на зас!данн1 спец1ал1зованс1 Ради Д. 068.14.10 1э присудивши наукового ступеня доктора техн1чних- наук Шп'вського полЬ техшчного ^нетттгу. Корпус 1, аудитору 214.

Адреса: 252056, м. КИ1&, пр. Перемоги! 3?

3 диеертащею молна ознайомитись у б1бл1отец1 Кш'вського пол1техн1чного 1нституту.

Автореферат- роэ!сланлй 16 травня 1994 р.

Вчений секрегар •?г;ец1ал13онако1 Ради, до1гтор техн!чнкх наук 1!1"Я»;сор

/ ' . • -[У-!,- ■

•> | РЛВСЬКА ¡1С.

у/1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Астуальн1сть теш досл!дження. Сучасний р!вень розвитку техн!ки ставить Шдвшцен! вимоги до якост1,над1йност1 та донгов) чност! деталей машин та ¡нструмент!в.Одним 1з засоб!в р1шення ц!е!' проблеыи е розробка' та эастосування ъисокоефективних технологий поверхневоЧ змЩнюючо! обробки,яка базуеться иа використани! концентрованих джерел енергП, в тому числ1 1 лазерного випром1ню-вання.

До тепершнього часу технолог!я лазерно! поверхнево! обробки, як у нас в кра!н!,так ] за кордоном, визначила себе, як ефективний зас1б вир!шення техш чних задач промислов1ст!, завдяки теоретичним га експеримеитальним досл!дженням,виконаних такими пров1дними вче-ними, як Л Я. Шрк!н,0. 0. Углов, 0. Г. Григорьянц, В. С. Коваленко,С. О. Ас-талчик.В. Д. Садовський, А. М. Сафонов, а С. Д'яченко.М. Е Сп1р1донов та 1ншими доел! дниками. Однак шроке эастосування ц1е') технологи сгримуеться рядом обставин. В першу чергу в1дсучн1стю систематизо-ваних даних про эв'яэки параметр1в ф1зико-х!м!чних процес!в,з одного боку.з характеристиками лазерного променя.умов олром]нювання та властивостей об'екту обробки, з' другого-з як!сшши та експлуа-тад1йними характеристиками внроб!в,пр в!дбивается на недостатл1й в1Дтво рюван1ст! результата технолог1чннх процес1в,в!дсутност1 можливост! прогнозувати насл!дки эастосування- обробки при вир1иенн1 задач виробництва,. на можливост1 створення автоматизова-них систем керування процесом.

Анал!з сучасного стану лаэершл зкмцнюючоГ технолог!] показуе необх!дшсть розглянути лроцеси лазерно! поверхнево5 обробки з единих гюзиц1й, розробити стратег!ю керування як¡сними характеристиками поверхневого шару матер!ал1в, узагальнити 1снуюч1 та от-римати нов! данн1 шляхом проведения георетнчних та експе-именталь-них досл!ддень. Отворен!, тагам чином, гехно«^г1чн! основи дозволять розробляти високоефективн 1, в1дтворюван! технологи лазерно! обробки,що забезпечагь тдвищення знососг!йкост!, довгов1чност1 та над!йност! роботи деталей машин та 1нструмент1в 1 вир1шити значну науково-техн1чну проблему, яка мае важливе народно-господарче значения.

Меток роботи е шдвишения якост1 1 над1йносг1 роботи деталей машин та. 1нструмент1в за рахунок лазерно! зм1цнюючо! технологи, розроблено! на баз! створених технолоПчних основ керування властивостями поверхневого шару матер1ал!в.

Дли реал!зац11 мети пиршено ряд нитань з яких н х захист ви-

носяться:

1. Розроблена технолог Гчна система для реал1зац!1 лазерно'1 поверхневсн обробки з науково-обгрунтованими причинно-наел1дковими зв'язками.

2. Встановлен! законом1рност! зм1нюваняя основних фактор1в пронесу лазерно! обробки, !*х зв'язок з ф!зико-х1м!чними процесами в поверхневому шар1, розроблен1 методики та засоби 1х вим1ру 1 контролю, огряман1 в1дпов1дн! сгатистичя! модел!. .

3. Результата вивчення теплового стану вироб1в з обмеженими ушвами теплов1дводу при лазерному нагрШ, постановка задач!,шляхи И вир!шення.

4. Експериментальн! данн! по вивченню структурно-фазових ле~ ретворень у сталях та сплавах, явит ыасопереносу при лазерн!й об-робц!, IX механ1зм.

5. Результата вивчення технолог!чних законом!рностей процесу, 1х математичи! (модел1, методолог 1 я визначення режим!в, техно-лог!чних схем, вибору легуючих компонента при лазерн!й поверх-' нев!й обробц!,

6. Експериментальн! дан1 досл!джень впливу лазерно! обробки на напружвний стан поверхневого шару, зносост1йй!сть, втомну м1цн1сть, теплост1йк1сть та короз!йну ст!йк!сть.

7. Алгоритм керування як1стю поверхневого шару матер!ал!в з моя шв!стю самонавчання при лазерной'змЩнюючий обробц1.

8. Розроблен! засоби лазерно! поверхнево! обробки та технолог 1чне обладнання, результати 1х впровадження в'промислов!рть.

Науков! положения розроблен! дисертантом 1 новизна тени:

- вперше лазерна поверхнева зм1днююча обробка подана, як тех-нолог!чна система, ¡цо дозволяе на основ! встановлених взаемозв'язк!в м!ж технолог1чяими факторами 1 параметрами ф1эи-ко-х'1шчних процес!в прогнозувати та керувати яЩсними характеристиками поверхневого шару ! екеплуатац 1 йними шкаэниками ви-роб!в, отримати гарантований ефект зм!цнення матер!алу,'

- вперше запропоновано ефеютвний метод визначення логлинаю-чо'1 зд!бност! опром1нгаано5 поверхн!, який застосовано в систем! керування процессы, встановлен! залежност1 поглинаючо! зд1бност1 в1д шорстк!ст1 поверхн!, режим!в опром1нювання, властивостей технолог 1чних покрить; розроблен! нов! покриття;

- вперше встановлен! законом!рност1 зм!нювання теплового стану вироб!в типу "тонка плат!вка" та клинцепод!бно! форми,п!д Д]ею лазерного випром!нюваиня,визначен1 умови обробки, що эабезпечують ртриыання змщнеиого шару з гарантованою як!стю 1 ррзм1рами; зап-

ропонована методика визначення оптималышх ре дам! в нагр!ву;

- встановлегп законом!рност! формування мшроструктури 1 явищ масопер'еносу у вуглецевих, високолегованих сталях 1 сплавах; визначен! оптимальн1 структури, умови 1х отримання; вияилена мож-^ лив1сть керування перерозпод!лом легуючих елемент1в при лазерному опром)нюванн!; розроблена методолоНя визначення дощльних технолог ¡чних схем 1 режимов лазерного змщнення 1 м!кролегуьання;

- встановлено вплив лазерного вилром^нювання на налружений стан поверхневого шару в сталях ] тлтанових сплавах,на зносост!йк1сть, . ' зокрема при високих температурах, на втомну М1цн!сть, теплост)йк)сть; запропоновано механ1зм руйнування зм1Цнених матер!ал1в при р1зних видах навантаження; розроблено 1 дослужено зао1б лазерного термо-деформащйного змщнення;

- вперше на одержанШ баз1 даних,-та розроблених математичних моделях, шр являють собою технолог!чн! основи, створено алгоритм керування з могкл'йвЮтю самонавчання, як!сними характеристиками поверхневого шару матер]ал1В, тобто провесом лазерного зм!цнення;

- роэроблен! ориПнальнь на р!вн1 винаход1в, засоби лазержн обробки сталей 1 чавун!в, пристро! для вим!рювання потужност! вип-ромшювання та и розподыу у пучку, швидкодшчи, 31 стало» часу 10... 10 с, прилади для вим1рн:вання поглннаючо'! эд)бност) та темпе— ратури безпосередньо в зон! лазерного нагреву, як] не маляъ ана-лопв у св)т1; ср!г!нальт лазерн! техло'лог)чн1 комплекси.

Моааивост! використання. результат ¡в роботи на практицг.

- лри створенн1 автоматизовано! системи керування процесом лазерно! зм1цнюючо1.обробки;

- при розробц1 1 впровадженш технолог 1чних процес^в лазерне! терм!чно! обробки I мпфолегування деталей 1 ¡нетрушн'пв, виго-товлених ¡3 сталей I сплав!в, у промисловоот];

- при розробц! 1 проектуванн! лазерного технологичного облад-нання, эаооб!в вим!рювання 1 контролю параметр!в технолог!чних процес!в;

- використання наукових результат1в при удоеконаленн! про-цес1в лазерно! зм1цнюючо1 обробки за рахунок заотосування додатко-вих джерел енергП: плазми, електрично5 дуги, ультразвуку, вико-ристання механ1чних зусиль та 1н;

- при орган1зацП спец1ад!зованих на дазерн! обробЩ вироб-ництв, як!., еиходячи э ваккого економ1чного стану Украпш, доЩль-., но створювати эусил.чями певного числа ' власник1в ш?1 економМшо зац1кавден! в лаэерн1й технологи, ¡те ш мавть мпкшост) щщба-, ■ги та утримувати в!дпов!дне обладания;

- в навчальному процес 1 студентов механ 1 чту/ спец1альностей по курсах "Технолог)я лазерно! обробки", "Електроф!зико-х 1 м 1 чн 1 (летоди обробки", "Технолог 1 я машинобудування" та 1н.; в практичн1й д!яльиост1 асп1рант!в, наукових сп1вробшшк1в р1зноман!тних уста-нов.

Реал1зац1я роботи. На баз! отриманих у робот1 результат¡в розроблен! 1 впроваджен1 у виробництво технолог зчьп процеси лазерного змЩнеяня I в1дпов!дне обладнання шляхом створення д!льниць лазерно'1 обробки у ВО "Юро; -еологЧя", м. Бровари /двохпромеиевий технолог1чний автоютиэований та роботизований лазерний комплекс для зм1цнення р1эьбових поверхонь муфто-замкового з'еднання та цапф шарояэк/, ВО "Б!лыювик",м. Ки1в /два комплекса для зм1цнення направляючих балок та 1нших деталей мадшн х!м!чного машинобудування/, Ю "Завод Мглишева", м. Харк1в /технолоПя зм!цнення штампово-го 1нструменту, г!льз дизел1в/, ВО "Арсенал", м. Ки1в /лазерне змЩнення 1нструмент1в до оброблюючих центр!в/, та 1 цших - всього на 10 п1 дприемствах. Ьиконано один мЮТародний контракт з ф!рмою В1ехард, м. Вроцлав /Полыда/, в!дпов1дно якому створений 1 запушэ-ний у виробництво автоматизований лазерний комплекс та технолог1я эм) цне ння зубчастих колес масляних насос ¡в. Отримане Шдвищення .зносост1йкост1 деталей та ¡нструмент!В /1.5-4 рази/, знйження трудом) сткост! виготовлення деталей /2-3 рази/, зам!на матер1ал1в на б!льш деиев1: дозволили отримати -економ1чний ефект понад 2 млн. крб. /в ц1нах до 1991 р./. Результат« роботи вякористовугоься у нанчг- ¡ыгому процес1 йп'вського пол!техн!чного 1нституту.

Лиробац!я роботи. Про основн! положения роботи допов!далося на наук0Ё0-техн1чних конфэренц1ях, сем!нарах, симпоз1умах, найвал-лшз1и! з я (сих: мЮТародн] конферешШ"1СЕМ"-9, м. Нагоя, Ялон1я, 1989 р.; "АУПРО-84", м. КарлМаркс-Шгадт. ГДР, 1984 р.; "Еикористан-ня лазерного-променя", м. Кил1на,Чехословаччина,1988 р.; "ОброОка матер1ал!в потужними лазерами"«. Дрезден, 1900р.; "Елэктронпа 1 ла-зерна обробка",м. Рено,Невада,США, 1993 р. ,"1САЬЕ0-93" ы. Орландо, Флорида, США, 1993 р. ;"Лазерна обробга ттер1ал1в",м. Чань-Чунь, Китай,1994 р. ;Всесоюзн1 науково-техн1чн1 конференцп'- "Використан-ня ОКГв сучасн!й технш!" м. Леи1нград,1975 р.; "Проблеми створення та впровадження 1нотрументу з низьким вм!стом вольфраму" м.ТСНл1с1, 1977 р,; "Застосування лазер!в-84"м. Лен1нград,1984 р., "Застосування лазер1в у приладобудуванн! та медицин1" м. к.ок-ва, 1979 р.;"Створення та використання лазерное техн1ки та гехно-логП" м.Ки1в,1985 р.; "П1 двищення над1йност! та довгов1чност1 ма-тер1ал!в"м. Москва,1988р. "Нов1 роэробки та досв!д впроваджеиня ла-

зерно! техи1ки" м.Ужгород, 1990 р., "Заотоеування лазер!В в технологи", 1991 р. . м. Ки1'в; "Легування, структура та властивост! эм^цнених сталей"и. Ни1В,19дЗ р. "Технолог!чнI аоиекти мехнн\ки де-формованого твердого тьна" м. Кюв, 1Ш, 1993 р. та 1нш1.

Публ1кац11. По тем! дисертац!йно! роботи спубликовано ,102 пауков! прад1, у тому чиел! 8 монограф)й, три э яких перевидан! у США, Кита! та БолгарП, 18 винаход1в.

Структура 1 обсяг роботи. ДисертаЩйна робота екладаеться 1з вступу, дев'яти роздШв-, загальних висновк!в та додатку, викладе-них на 292 стор1нках машинописного тексту, вм1щуе 112 рисунШв, 22 таблиц!.

ЗМ1СТ РОБОТИ

На початку роботи обгрунтовуеться актуальяшть роэглянутих у дисертацП литань, сформульовано завдання досл!джень, наукову новизну, подано коротку анотац!ю роботи. В лНературному огляд! проведено анализ сучасного стану лззерно} поверхнево! обробки ма-тер!ал1в. Показано, щр на сьогодн!шн1й день доел1джен1 р!зн! аспекти лазерно'! зм!цншчо'1 обробки,- отриман! основополагакш ре-' зультати стосовно оц!нкй характеристик теплового стану матер1ал1в, обумовлених ними структурно-фазових перетворень, особливостей впливу лазерно! обробки на ф1зико-механ!чш та експлуатац1йн! характеристики матер1ал1в. Идзначаеться, що висок1 швидкост! нагреву та охолодження обумовлюють анрмальне маеоперенесення, фор-ыування спедиф] чно! структури, . яка характеризуемся дул» високою дисперсн1стю, п^двищеною к1льк!стю дефект!в, особливим перероз-* под}лом легуючих елемент!в. Однак.не зважаючи на великий обсяг досл!джень, позитивн! результати промислових вштробувань, 1снуючих результат^ невистачае для створення над1йноИ, в1дтворювано! технологи, компьютер!зац!3 И розробки. Недостатньо вир!юеч1 питания, пов'язан] з вим1рюваняям та контролем основних фактор!в,щ.о впливають на ф1зико-х1м1чн1 процеси (потужн!сть випромшювання та И розпод1л на поверхн1 обробки, розм1р п'ятна фокусуваиня, погли-наючу зд!бн!сть матер¡алу та 1Н. ),дан! про законом!рност1 1х зм1нювання у лродес! обробки; в!деутн! в!дпов!дн! методики, ефек-тивн1 прилади та пристро!, швидкод!юч! засоби. 1 пристро! для вим1рювання темперагури поверхн1 безиосередньо у зон1 лазерного нагр!ву. Не вистачае даних, як1 б в1дображали особливост1 ф!зи-ко-х!м!чних процес!в, як! прот!кають в матер!алах при р!зних режимах слром!нювання;тел.яових пронес!в у »пробах э оОмежеиими умовами

- б -

Ыдведення тепла, зокрема при наявност! технолог i чних покрить; особливост} структурно-фазових перетворень у вуглецевих, високоле-'гованих сталях, спещальних та т!танових сплавах. Дотребують удосконалення методики визначення режим!в лазерно! зм!цнюючоЧ обробки з урахуванням И впливу на експлуатац!йн! характеристики ма-тер!ал1в i виготовлених i3 них вироб1в.

, Нап1детав! проведеного лтратурного огляду були сформуль-ован1 наступи!, завдання досл!джень:

- Виконаги анал!з 4актор!в, шр впливають на процес эм!цнення, створити технолог¡чну систему, науково обгрунтувати И зв'язки, 1 таким чином, розробити метод в!дтворювано1 лазерной зм1цнюючо! по-верхнево! обробки з гарантованим р1внем якост i.

- Вивчити закономipnocTi зм1нювавня основних фактор1в про-цесу, розробити методики i засоби 1х вим1рювання та контролю, от-римати в!дпов1дн! математичн! модель

- Сформулювати задачу вивчення законом¡рностей зм1нювання характеристик теплового стану вироб!в з обмеженими умовами теп-' лов!дводу типу "клин", "тонка плат1вка", в тому числ!, при наяв^ ноет! технолог!чних покрить, розробити математичн! модел!(за допо-могою яких визначити Л1м1туюч) 'параметри та ix крит^чн! значения, як! обмелують .область режим1в, що эабезпечуигь отрймання не-обх1дно'1 якост! поверхневого шару матер1алу.

- Досл1дйти особливост1 структурно-фазових перетворень в сталях 1 сплавах, явишз•масоперенесення при лазерн!й терм!чн!й об-робц1 1 поверхневому м^кролегуванн!,. сформулювати 1х механ1зм.

- Встановити технолог!чн! законом1рност! лазерно! поверхнево! обробки, отримати ix статистичн! модел!, розробити методики визначення режим!в та технолог1чних схем.

- Доел!дити вплив лазерно! .обробки на ф1зико-механ1чн! та експлуатац1йШ характеристики матер1ал!в, створити в1дпов1дну базу даних.

- Розробити алгоритм керування як!сними характеристиками поверхневого шару при лаэерн!й зм1цнююч1й обробцК

- Розробити засоби лазерно! поверхнево! обробки, HeoGxiдне технолог1чне обладнання, впровадити ix у промислов!сть.

ЕкспериментальШ досл!дження проводились на спец!ально облад-таних стендах, створених на баз1 потухних С0глазер1в "Латус-31" i "Плутон" та 4-к координатного ман1пулятору М125, а також твер-дот1льних лазер]в Квант-16, Квант-18, ЛГН-102 3i столами, оснаще-чими системами ЧПК. В досл]дженвях додатково використовувались ла-эери VU'H-702, ЛТ1-Б, SPECTRA PHUSICS-973 те iHmi. Для контролю по-

тумност! лазерного випромпшвання застосовувались вим1рювач! типу РСИ-602, ТИ-4, ИМО-2, та спец!ально розроблеш. Металограф1чт та металоф!зичн! досл!дження проведено на оптичних микроскопах "Нео-фот 21", ММР-2Р", ПМТ-3, рентген!вському дифрактометр! "Дрон-ЗМ", електроному м!кроскоп1 ф!рми Philips ISM-35, електроних м!кроа-нал1заторах "Saper Probbe 733" ф^рми JEOL, "СатеЬах". Залишков! напруження вивчались но методу Е Н. Давиденкова, та рентген!вським siif У' методом.

№хан!чн1 властиьост! m'repiajiiB вивчались на машинах тертя ПВК-2, СЩ-2, спеЩальних машинах торцевого тертя в умовах високих температур; установи! для випробувань на втомну м!цн!сть в умовах ди агресивного середовища та iHiiii. Дос;пдження виконувались на армко-зал!з1, вугледевих сталях - сталь 10, сталь 20, сталь 30, сталь 45, У8, У10, У12,легованих - 40Х; 65Г; 20X13; 40X13; 40ХН; ЗОХГСА; 12ХНЗА; 14ХНЗМА; ХВГ; 9ХС; 111X15; ХВГ; 9XG; Р6М5; Р18; Х12М; i слец]алыпй стал! ЕИ 961Ш, титанових сплавах - ВТЗ-1; ВТ-9; ВГ-22,сплавах на ochobî шкелю ЖСбК, ВЖЛ.

Всесторонне анал1з npouecis поверхнево1 лазерно! обробки показав доц!Льн1сть розглянути П як гехнодоПчну систему i встано- • вити )снуюч1 в Hiй OCHOBH1 зв'язки. -В i'i основу покладено ф1зико-xiMluHl процеси, протшаюч1 в поверхневому uiapi матер 1алу в умовах лазерного onpoMiнювання. Характер цих процес!в виэначаеться чотир-ма параметрами -температурою (Г ),швидгастю (Vh ), часом нагр1ву (tH),T& швидк1ст!о охолодження ( Vохл ). Вони з одного боку энахо-дяться у прямому зв'язку з ' факторами система, як! утворюють три групи (1 трупа- характеристики лазерного придана,як ¡нструменту, 2- умови обробки; 3- властйвосп оброблюваного матерiajy), з дру- ' гого-визначають стан поверхневого шару матер!алу (структуру, твердость, -залишков! напруження та itf. ), i експлуатац!йн! харектетис-т'ики вироб1в (3HococTißKicTb, короэ1йну ет!йк1сть, утомлену м!цн1-сть, та iH. ), рис.1. Bei фактори, як1 впливають на процес зм!цнен-ня треба обов'язковб враховувати при вивченн!, математичному моде-люванн! та розробц1 технолоПчних процес!в. Але для керування про-цесом можна використовувати т!льки деяк1 э них, эокрема: иотужИсть або енергш виипром!нювання Р,поглинаючу зд1бн!сть, А;розшд1л по-тужност1 Р( х, у) ; площу ! форму п'ятна фокусування.с!;, час д!ï вип-ром!нювання,Ь;початкову температуру матер!алу Т,.В1дтворення ре-эультат!в технолог!чних nponeciB по сут1 виэначаеться наявц!стю та ступеней досконалост! пристроив, придал!в та методик, як! эабезпе-чуеть вим!рювання, контроль та стабилзашю керуючих фактор Ja. Дця безперервного контролю- потужшет! випромН^.шання рорробле.чо тип-

¿мргся, £ -

¿>ti. *ZT

Р

Ч'

I

fi

"Е

t/аапвтд

. Л.Т_

Залам cxomStM.

О ft

W

fî

11

«s

I

I

ц

Ii 1!

rt

и

il

Лазермий грана*.

H il lî M

J//T0& affpefov

cfiajaftsu pr/Kif

Гщвук/пурй

Ttnwçpœ. ал.п a,л,

¿V

I

il 4

ûnpBMit(/o£uf. деталь

Фаихо-xf/rtwí працеси CÇVfX»

ilxicw харак/периап-weä&o u/api/

Форма рсгзюо /7аса

! -

il M

II «H

X¡t*/wt/it C/rjeâ

Т&м&егп-да?»1®*'

Ximt/я/и

Толщина

Тгркгстих

- ^¡jcnepcwanb

- flap/iтеть

d>

_I

Щм&алв Щр&сть I ' ' I II I п i /ji/âuff-iixpji Шсрс/пяеъ Jeui/amf/ /rotfefljfM/ 'mwcm.

1 1 ! -1-г '- ¡ицююяегжтхи 1 1 1

II - Г -............-.......1

^/MXffcmiMicmb tíetajt/mxqp.S-t | Terwx/rriÚK/c/m, Жорр/уяммслгь /{врю/шаc/n/M.

Рис. i. Лазерна паверкнева зшшшша обробка.як технологична система.

код!ючий (стада часу 10 с) та компактний вим1рювач прох1дног6 ти. пу, працюючий на частковому поглинанн! випром1нювання при його проходженн1 через в1дпов1дне середовище ( для Л -10,6 мкм -cyMim газ!в С0г1 Аг) (А.С. 1167836). Для контролю i вим]рювання розлодыу 1нтенсивносг1 вилром1нювання (PIB) безпоеередньо в лроцееi технолог 1чно1 операц! i роэроблено пристр!й, 'принцип д! Ï якого баэуеться на скануванн1 лазерного променя пересуваючоюся металевою стр1чкок, яка рухаеться,з системою отвор1в (д!афрагм), розмщених п!д кутоы 45едо налрямку руху, та хрестопод1бно розтащованих niд нею двох Шроелегсгричних л!н1йок. Для виэначення posMipia п'ятна фокуеуван-ня та PIB по ньому на поверхя1 обробки, розроблена методика, в!дпов1дно з якою пучок зондуеться д1афрагмою, 1нформац1я, с» поступе, записуегься у нам'ять компьютеру. Обробка результат!в вим1рюання дозволила отримати статистичн! модел1,як1 зв'язуюгь розм1р п'ятна фокусування (d0) э фокусное в!дстанню (F)' фокусуючо)" л)нзи та ступеней розфокусуваняя (aF). Дня випром1яюваяня твер-дот1льного-лазеру:d0- 6,41-0,12F+0,28eF+0,000676Fa-0,0015FiiF; для багатомодового випром1нювання потужних 00Алазер1в si ст1йким резонатором створена база даних. Лосл1дження вих5дних пучюв СОА ла-зер!в, а гакож сфокусованих за доиомогою еферичних л!нз га дзеркаЛ виявили, що характер PÎB у вих1дному пучку з часом 'м!нюеться нез-начно, хоча i спостер1гаоться деяк! флуктуацП поперечних мод ви-щого порядку. Зм1щення максимуму 1нтенсивност1 в^дносно геометрич-ною центру пучку становить 4-6% його д)аметру. Фокусуюч) системи э сферичними л¡нзами практично не зм1нююгь характер PIB i bîh може бути описаний стандартною функц1ею. ГГоперечний-перетин сфскусова-ного пучку, вим1ряний в плоод1Н1 1тах/е*мае фэ^му кола або елшеу, що визначаеться як!стю виготовлоння л!нз i точн1стю И центровки в!дносно променя. Фжусуюча система з! сферичним дзеркалом эмшюе закон PIB вих1дного пучку, змИдуючи максимум iнтенсивнос?i до краю п'ятна фокусування. Допустима нер1вном1рн1дть PIB для поверхнево! обробки забеэпечуеться при значенняхлР =*(10-15X)F. Зм1ншчи кут пад!ння променя на дэеркало i його центровку в!дносно ocl можна зм)нювати розпод! л 1нтенсивност1, PI3 в цьому випадку- не uozym огшсати стандартно» функЩею.а тому, при математичному мод»лх®аня1. його треба задан.аги по точках. Максимальна щ! льЩсть потутагст! визначаеться в цъому випадку як '

Vpmx - (P-LW п)/(ЯГа*. gît) де I шк- вим)ряне пах значения 1нтенсивност1; ' J/- значения 1вгев-cHBHocïi в 1-й тсчц! п'ятна; fa- рад1ус п'ятна фокусувагод;; Р - потужя!егь птгрсм1няв.'1н(1я: п - гсКш<1сть точек вки1ркза!Ш.

Наступним керуючим параметром яроцесу е поглинаюча зд!бшсть. Дли И вимуловання вперше в сб!1Ч розроблено швидкод)ЮЧ1 (стала Часу 10 -10 с) пристрой побудоваи! на баз! 1нтегрально1 та секшоновано! п1роелегегричних нап!всфер, як\ розташовуються конце нтрично з сфокусоваяим лазерним променем над поверхнею обробки. Чутлив1сть «ристро1в в залежноот1 в!д опору навантаження становить 0,04. ..2 В/Вт. Ш прилади по сво1х характеристиках дозволяють ви-кориотовувати !х не т1льки при досл1дженн1.поглинаючо! зд1бност1, ало й в системах керування процесом.

Досл1дження лроцесу поглинання лазерного випром1нювання вия-вило, шр поверхнева зм!цнвюча обробка без застосування иоглинаючих технолог ¡чних покрить недощльна. Вивчався вплив покрить на погли-иаючу зд!бшсть ыатер1ал1в в умовах дл1 лазерного випром1нювання з Л»10,б мкм на сталях, як! п1ддавались розпоширеним у

промислов1ст1 процесам фсфатащ I, оксидувашго, кадмувашю та 1ншим. Таким чином, на поверхн1 створювались тонк! додатков! шари 1з д1електричних" матер!ал1в гп^/РО,/^ , М)^Р0,4 , Ге^О^гпО, Р^Оу, Л]а03, С 1 т. п. ,як1 магаъ р1зн! властивост1 I товщини. Встановле-. но, що по ефективност1 досл!джен! покриття розташовуються у наступн1й поел!довност!: оксиди, фосфати, покриття основ! гпО, алюмо-хром!ст1 фосфати, графит, кадм!еве покриття. При лазерному зм1цненн1 без оплавления поверхш доциьно. застосовувати. океидн1 покриття, з оплавлениям - фосфати1, при зм1цненш короз!йяост!йких сталей - покриття на основ! 2п0. Встановлено, шр на поглинаючу здЮншть впливають технолог 1чн1 параметр» обробки: потулш1сть шпромшювання (Р), швидк1сть (V), розм!р п'ятна фокусування (й0), товшина покриття (&), кут пад!ння променя на поверхню обробки (с1).

Для створення системи керування процесом лазерно! обробки ! розробки його алгоритму були отримаШ в1дпов!дн! статистичн! мо-дел!: А1 =- 0,651 > 4с1в+0,34V-0,037с),, У-0,024<1^ ;

А2-0,226 Ю, 097с|+0,26У-0,037с!в V; де А1 1 А2 - поглинаючи эд1бн1сть поверхн1 для покрить Мп3(РОу)4 ! Ре30<, вЮТов1дно. Фактори 5 1 сЦ як! використовувались у моде л 1 спо-чатку, при pip.fi! эиачност! 0,05, виявились незначними. 0триман1 дан! св!дчат1>, щр поглинаючг» зд1бн!сть може зм!нюватись В1д 50 до 90% в эалежност! в1д технолоИчних параметр!в зм!цнення, кут падИшп доц!льно вибирати виходячи з технолог!чних м1ркулань, тов-пдау покрить 3 - з максимально! продуктивность Для покрить на основ! 2п0 рекомендована товщина становить 20-30 мкм. " ; Наступним егапом роботи являлось вивчення теплового стану ви-роб!в при лазерному опром1н»;ванн1, як! «акггъ обмежен! умови теп-

лов1дводу, типу "тонка плаамвка" i "кут", осмльки таку форму Mat значна частка реальних деталей та ш^трумен^Чв иромисловость'

При piBHiix умовах опромппоБаннл товщина виробу, як розм1рний фактор може ¡стотно впливати ка його теплоний стан. Так, при лазерному HarpiBi масивних т!л j вироб1в, розм1ри яких по товщш ¡стотно обмежен!, розподи температур в межах зони терм!чного впливу (ЗТВ) i в тому, i в другому випадку мояуть бути практично однаковими. В1дпов!дно, в межах ЗТВ ¡дентичними будуть 1 структурно -SMiHH. Очевидно, така ситуац1я мае ц1сце не завади i ре-ал1зуеться т1льки при додер.жашп в!дпов1дних умов. Так, чим б1льша товщина виробу, тим в б1льшШ Mipi характеристики ЗТВ сп1впадають з в1дпов1дними параметрами у масивному т1лк Wae ¡нтерес, визначити граничш значения товвдн , в раз* перевищення яких, не мае потреби ураховувати розш'ри вироб^в по товшин! при розгляданн! теплових та етруктурних зм1нювань в межах QTB. Для з1ставлення пор!внюючих температурних пол1в використовувалась величина в1дносно5 похибки р.

Р=(1-Т /Тк) 100%, (1) де T^-t^-tc.TK-tK-to, t0- початкова температура т1ла, t„,tK-TeMTie-ратура нашьбезмежного т1ла i виробу обмежено!, кШцево! товщини. '

Задаваючись р!внем в1дносно! похибки р i вг.шачивши значения rtol Тк р!вняння (1) виршувалось в!дносно <§1р , яка входить у вираз Тк i, таким чином, оцшювалось П значения для р!зних умов лазерного нагр1ву. Величина р е функщею часу 1 координат. 3 Шдвижениям часу вона росте i досягае максимального значения • квазЗетафонар-ному режимь ' Для граничного стану процесу розпод^л темлератури у нашвбезмежному масивГ при Гаусовому розподШ теплового потоку можна подати як

да п = А-г2; р= А^-Ъо)* ; ^ ;

гранична температура центрально! точки нерухомого джерела з нор-мальним розпод1 лом;tc=P*A /(2*к) *{k/jr , Р - потужн1сть лазерного випроынювання, А -поглинаюча зд!бн1сть опром^нювано! .поверхн1; k»l/r,f - коеф1ц1ент зосередження; г0- рад1ус п'ятна нагр1ву; г -плоский радiус-вектор; r-ix'+y' ;х, у, z - координати;У - кут м!м плоским рад1усом вектором г i додатньою нап1восью ОХ;Ъ- чао; стала часу,Т0-1/4ак; К,а - коеф!ц1енти теплопров1дност1 ! темпера-туропровЗдност! матер!алу в!дпов1дно, V - швидк1сть руху теплового джерела.

Для KBiisicTauioMapiioro режиму температура плоского иару мода

- 12

бути визяачена э эалеяност! ^

7> ¿сехР Г-2 Ш и* У>] #-1 Р(^)]С1)

де ш!-к().Ддя визначення граничного значения товвдши плоского шару вккориетаемо вираз (1) для точки, яка- в!дпов!дае глибин1 ЗТВ. е/а)

у" 7 Т~г Ж- п~- „.о

с, . >'Хгс

в)дхилення

ЮОр)

Г Т е*о Г- - Л-

де га1-к(2-2<Ггр£) , Р4~. ведапна заданного допустимого з1ставлених температур. Р1вняння (4)ев!дносно Б^трансцендентним. На рие.2 подан! результати його числового виршення при значениях параметр! в: Р-800 Вт; г0-1,4-10 м;. сталь 33; К-ЗС Вг/мК; а =0,75-10 мг/с, -25"О, 1с-825°С /Ье-■ температура !зотерм!чно! по-верхн1, яка обмежуе ЗТВ. Ураховуючи характер зм!нювання сГгр В1Д Р (рис.20) 1 г в1д (рис.2а) доц!льно прийняти, в якост! робочо!, величину в1дносно'1 похибки р=5%. Тод! для доел!джених умов-опром!шо-вання I заданих швиДкостей обробки У=0,25; 0,5; 1 м/хв граничними будуть в!дпов!дно товщини 5 -4; -2,5; 1,6 мм. При товщинах вироб!в, як! менш! гран!чних, необх!дно вводити поправку у.режими обробки.

6 6

Рис.2.Залежн!сть глибини зм!цнеиого шару в1д товвдни зразка (а) ! гранично'! товщини . детал! в!д величини похибки Р (-6.) при р1зних евидкостях лазерно! обробки.

Процес лазерного имЛднення деталей зклиицепод!бними робочими елементаш южна уяви.ти так.Поверхневе джерело лазерного

яагр1ву з нормальним законом розпод!лу рухаеться з пост!йною ивидк!стю V паралельно ос! 7, на певнп! в^дстан! в,1д неь Умови теп.гообн!ну клину з оточуючим середовищем описуються законом Нь-г.тэна-Гихмчна. Лрй цюму навколшпня температура 1:0 1 с1 - коефШ!ент'

теплов]ддач1 е гоет!йними 1 однаковими для вс!х обмежуючих повер-холь. Математична модель процесу теплоиеренооу для кваз!стационарного стану мае вигляд:

-^(гк^)*-1-

г ъг 'чЭг-/ ' г*Ъуг Эу/ ^•зг/ У^^ъг ЪЬ , /л. ^ N"7 _ л Ги-ЪЬ

[ф мСф-кИг-г.)]^: (г)

[К-к^-иЦч-гЦ^о:

кг

Сз) (го)

де чгах -максимальне значения епюри теплошдводу; Ь.о -температура середовшда; V -швидк1сть руху лазерного променя; г„-рад1ус п'ятна нагр!ву; г! ,ге-внутршн!й 1 зовн1шн1й рад1уси детал!; а*- в1дстань в1д рикучо! кромки до м1стознаход.ження максимума теплоШдвода; -кут загострення клину; а,К,сг -коеф1ц!енти температуропров1дности теплопров!дност! 1 питома об'емна теплом!стк!сть матер1алу;Ре-Уг/а -число Пекле. На основ! подано! модел! проводились чисельн! досл1д-ження.На температурний режим клину'в процес! його зм1цнення можна впливат»: зм1нюючи швидк!сть руху лазерного променя, в1дстань м1л ребром клина 1 центром п'ятна нагр!ву, величину рад1усу п'ятна нагреву, кут загострення. За'дрпомогою модел! був виконаний пара-метричний анал1з. Для ощнки.достов!рност! результат!в розрахунк!в проводилось 1'х З1ставлення з данними натурних експеримент1в(рнс. 3). Розб1жн1сть отриманих даних не перевишувала 7%.'

Результати параметричного анал1зу показали, шр керувати теп-ловим станом клину в першу черг'у треба швидк!стю перем!щення лазерного ■променя V 1 в1дстанню в1д ребра клину до точки п'ятна фо-

ч_

т 9я

----

Рис.3. Залежн!сть розм!р!в зм1цне-ного шару в,с в1д величини а? роз-рахованих 1 отриманих експеримен-тально:

Ч>, ; М» 2/ЧМ ; V - / н/х6

кусування з максимальною ¡нтенсив-н1стю випром1нювання а . Дня визна-чення облает! технолог 1чних ре*им!в, як1 забезпечуктгь необх1дну як1сть эм1 цепкого шару в клин!,треба с початку визначити умови якост I. При

V*

4

%

¡\\ 1 к

1 \ 1 1! . ¡Ьо

ТТ^ Л ^ '4. ¡а

Рис. 4. Значения критичних 'швидкостей лазерноЧ обробки Укр, (а), Укрг(б), Укр_з( в) та а%,, а!*.,, а»3 для р1 зних кут!в эагострення: 1- й-У-З/З;

З1 у; -т,/2.

лазерному зм!цненн1 можлив! наступи) негативн! випадки: проплавлювання кромки клину, деяко!' зони, яка знахо-диться на опром1Нвван1й поверхн1 на певн1й в!дстан! в!д кромки-, в(дрив змШнено! зони в)д кромки, структура зони лазерного нагреву поряд з кромкою клину не мае потр1бно'1 твердост]'. Для кожного з трьох в1дм1чених нега-тивних випадюв можна вказати деякий критичний, який розмеювуе облает! допустнмих ) недолустимих значень технолог!чних параметр2в. Параметри, як! в1дпов!даюгь цим межам е . критич-ними. Тобто, визначенню п!длягають критичн! значения швидкостей руху лазерного променя (Укр<, Укр2>Укр3) ! в! дстаней а* (а?„ а.« а?,), що в! дпов! дашь тръом граничним випадкам. Чисельн1 розрахунки проводились з урахуванням незм1нни'х умов тепло-обм!ну клина з навколишн!м .середови-ш,ем. Величина щльност! теплового потоку становила чтах»4,78*10 Вг'/м* *К, рад1ус п'ятна нагр!ву - г0 , температура навколишнього.середовишз 1в, ко-еф!д!ент теплов!ддач!с(,. На рис. 4а.б,в подан! результати чисельних розра-хунк!в. Залежн!сть \'кр, =Г( а*), мал. 4а, мае' екстремальний характер. Наявшсть максимуму обумовлека д!ею двох коику-руючих фактор1 в: по перше - величиною загального п!дведеного теплового потоку р,,по друге - умовами теплопере-носу в детал!. При малих а дом!нуючою е д1я першого фактору, при б!льших а" - другого з них. При ес!х а<акр, проп-лавлювання кромки не спостер!гаеться у всьому диапазон! зм!нювання швидкостей обробки. При ¿»а^ожливе лише проплавлювання поверхн! на в!дстан! В1Д

кромки. Величина У*»,]стотда заладить в!д куга загостреши Ч, : .для 'С, -^/4,^2,4; У,-Я/г-, а^-0,96. Третя критична швидюсть'Укрлрозме-жуе облает! де е, або нема в1дриву зм1цнено1 зони В1д кромки клину в умовах, коли проплавлюзання ц1е'1 зони нема При деякему а мае

Н'л

)лсде в!дрив зм]дено) зони В1Д ршучо! кромки 1 проллавлеиня ол-ромпшвано! поверх»!.

Розроблена методологи! назначения режям1в лазерно}' обробки деталей, як! мають робоч! едементи з обмеженини умоъами теплев ¡дводу, являе собою основу лроектуваншз в!дпов]дних технолог ¡чних процессе 1 е вамшзою складовою системи керувашш про-цесом лазерного поверхневого змЩнення.

Вивчались особливост! структурно-фаэових перетворень у вугле-цевих 1 леговаких сталях, титанових сплавах )7ри дП як ¡шульелого, так 1 Оезперервного лазерного випромншвання. Характер фазових 1 структурних перетворень у вуглецевих сталях в ЗЛВ безперервним випром1нюванням не мае. принципов!« В1дм1н в1д картини, яка спостер1галась ран1ш при шпульсному лазерному д!нша.

При лазерному нагр1в1 доевтекто1'дних сталей вище температури точки Аа в !х поверхневому шар! проходить повна Чазова перек-ристал1зац!я з утворенлям аустештно! структур!!, яка у процо*с1 аь-тогартування перетворюеться у мартенсит ( Нр «6000... 7500 МПа). При нагр1в1 у М1«критичному ¡нтервал! температур на м!сц! перл!тних зернин утворюеться аустешт, • а надлишкова фаза (ферит або вторин-ний цементит) частково або новн)стю вбер1гаеться. В цьому випадку мае м1сце неповне гартування, якэ призводить до зниження твердост! (Нц»5000 МПа). Для з.аевтекто!дних сталой,- навпаки нагр1в до б!льш низьких температур призводить до п1двиш,ення твердост1 ( И/ч »12000 Ша, для стал1 У12). Це пов'язано з тим, щр вгориниий цементит, присутгпй у Еисокодисперснсму вигляд] додатково зшцнюе загартоиа-ну сталь. Структура стал! з високим вм!стом вуглецю в ЗТВ мае явну неоднор1дн1сть, яка проявляемся пониженою травим!стю д1лянок, розташованих на м)сц1 с¡тки вториниого цементиту. При коротко-часному нагрев! вир1внююча дифуз1Я не встигае пройти з достатньою повнотою 1 ц1 д1лянки з0ер1гають гпдвижений вм1ст вуглицю, харак-теризуютьсп тдвищеною к1льюстю залишкового аустен1ту. Оменшення швидкост! обробки призводить до б1льш р1внсм]рного перероэпод1лу вуглицю в аустен1т1. В цьому раз1 тверд!сть мартенситу лОНйно за-лежить в 1д ,к1лькост1 вуглицю до 0,6% 1 не заложить в1д цього при б1льшому вм1ст1. Цей в!домий факт знайшов нове Шдтвердження. При маз1Й тривалосг! дП (Р«1 квт, мм, V- 0,8 м/хв) лИНйниП «(V-

рактер зачетаост! мае м(сце 1 для сталей з вм1етом вуглицрЮ.бХ.

Emíct вуглида впливае i на розм1ри зм1цненого вару, але тальки при низьких швидкосгях обробки, до 2 м/хв, при б! льш високих - така залелшеть В1деутня. Можна ствердлувати, що лазерна обробка е ефективним засобом зм1цнення сталей, в тому числ! i маловуглеце-вих.

Структурно-фазов! перетворення у високолегованих сталях (20X13,40X13, РбМ5,Х12М i т.п.) в умовах лазерного опром1нювання мають 61льш складний характер. При лазерному нагр!в! сталей 20X13, 40X13 вище температуря плавления у поверхневому шар! формуетьоя дендр!тна структура, стоппчастого типу, яка складаеться з мартенситу, залишкового аустен!ту 1 скупчень складни* карб1д1в, 1 мае тверд!сть 6500-7500 МПа для стал! 20X13 и 7500-8500 МПа для стал! 40X13. ПодЮн! скупчення карб!д!в спостер1гались 1 встал1 ШХ15, котр) роэтЕшовувались no перкферП зони закристал1зованого розпла-ну. дивлячиеь на велику к!льк!сть залишкового аустегПту у структур], до 30-402, гвердгсть П залишаеться достатньо високою. При лазерн!й обробц1, коли структурно-фазов!- перетворення прот!ка-югь у тверд1й фаз!, утворена структура не мае стовпчасто! будови i складаеться з мартенситу 1 ■ залишкового аустен!ту. Наявн!сть карб1д1в не була виявлена, хоча у вих1дн1й структур! niеI стал! присугнi карб!ди типу Me «Сб. Лк показали наступи! досл!дження струетура стовпчастого типу мае добр1 антифрикц!йн! властивост!.

Яаэерна обробка шввдкор í жу чих сталей типу Р6М5 !мпульсщм випрои!нюванням з оплавлениям поверхШ приэводить до утворення етруктури, яка складаеться з високодисперсного мартенситу 1 велико'! к!лькост1 залишкового аустен!ту,( до 45%) ! мае твердеть 6000-7000 Ша. На nepmfepi! ЗТВ, де перетворення прот!кали у твердому стан!- спостер!гаються, так зван! б!л! д!лянки, як1 погано травляться, ! мають п!двищену тверд!ст!> до 10000-11000!(Па. Елект-ponHOMlitpocKoniwl дослмяення та електроннозондовий анализ вш;-вив, що ц! д!лянки мають приховано-кристал!чну мартенситну структуру рейочного типу, залигаковий аустен!т до 15% 1 багаточисельи! високодйеперснi карб!дн. Биявлено эначний перероэпод!л путлицю. В!ля поверхн] эони закристал!зованого розплаву заф!ксованс максимальна Його KiyibKicTb, п!д нею, приблизно в!дпов!даючу його зм1сту в структур! основи ! в зон! перетворень у тверд!й фаз1, найменшу його к!льк!сть Д1ЛЯНКИ зб!днен! вуглецем масть максимальну i!:г:рл1огь. Невидно, що значна частина вуглиця там вв'язана в ripOl-m. Дзя эаЗезпечения отримашя структури, под!б)'0! описав 1й . в йисокою ТБерд1сш, необх!дио лазерну оОробку.еиконувати !з строго контродздошм! параметрами (eiwjrie в )мпулъс!,д!аметр п'ятпа

фйкуоувашш, трнвал1сть 1мпульсу) на режимах, як! не призводять до розчинення вторинних складних карб1д!в. 1, яг. дов1в В. С. Д' яченко, забезпечуючих утворення Карб!д1в при розпад1 мартенситу, одержаного об'емним гартуваняям.

Встановлено факт аномального мае'опереносу вуглецю (перероз-под!л С у тверд1й фаз! на в1дстанях 160-200 мкм за час д1I вип-ром1нювання 4 мо), що обумовлено високими швидкостями деформаЩй, як1 мають м!сце у ЗТВ при !мпульсному лазерному нагр1в1.

Доел!дтення впливу безперервного лазерного випром1нювання на сталь Р6М5 показали, що в н!й можна сформувати структуру, под!бпу

описан!й влще, зм!нююч1 лазер!юго внпром1нювання.

ЛЬ

//

\

/ /О

швидк1сть обробки 1 щ!льн1сть потужност! На рис.5 подан! заяежност! твердост1 1 вм!сту залишкового аустен!ту в1д швидкосИ обробки. Ц1 дан1 отриман1 для умов лазерно! обробки нап!вбез-межного т!ла. Для в1дтворення ц!е! структури на реалышх 1 нструментах, як! мають клинцеподдбну форму, за до-помогою модел1 визначались харшсте-рйстики температурного поля (Т, Ук, 1Н ), "в1дпов1даюч1 01"ималыий структур! у нал!вбезме»юму т!л!. Шт1м

4й 30 20 /О

0,4 ¿7,8 1,2 гух/ аналог 1чне температурке поле моделю-ванням отримували на вироб! з клином ! визначили режими опро'мНшвання, ягл э урахуванням обмеженг по Укр,, Укр,, ,Укрэ е оптималыши:. Досл1джинямп встановлено, що при обробц! Оезпе-рервним вилром1нюванням з проплавли-ванням поверхн! при низь-сих швид-костях (Р=1 квт, с!„=4 мм; \МЗ,б м/хв) можна отримати структуру у зон!, де Рис. 5. Вплт пшидкост! лазер- було розплавлювання, також з високсг но! обробки на твердЮть (а) тверд!стю, 10000 МШ. В так1й струк-та вм!ст залишкового аусте- тур! поряд з мартенситом виявлен! н!ту (б) в ЗТВ стал! Р6М5: високодисперсн! карб!ди з розм!рсм 1 Р" 1квт; с(0= &МП. мкм , правильно I сферичшЯ форми типу

(Ро,У.Мв)С, як! утворились у процес! охолодження зпкристал1?оп£>по-го розплзву. При менш1й тривалост! дП лазерного тгаромИшюння. ада т^'пол заСезтечуючо? проилавдгсвання поверхнингго пару, аш-логК'Н) кнрб!ди в стрля'ур! не Сули в«яплян1. При кьсму'

ыдшчаегься 1стотне зниження твердост1 струстури, приОлизно таке, я ¡с 1 при шлудьешй обробщ не на олтималыш режимах. '

В лроцес! вивчення технолог!чних законом!рноетей зм!цнення як и.!лульонш4, так 1 безперервним йипромшшанням булн визначен! умови вибору оптимальних технолог!чних схем обробки, встановлен1 взаемозв'язки характеристик якост! поверхневого шару з параметрами обробки (Уе, \ф, 'С , V та !к.). Як витп-;ае !з принципу орган1зац!1 технолог !чно'! систем лазернсл поверхнево! обробки доЩльним було О встаноьити зв'язки типу Тн,\'н, Уохл. Ьн -ПР,^,) ! 1,Н-Г(Т,Ън,Ун Уочл). Але до тепершпього часу цього зробити Суло не мошшво, оск!льки були в!дсутн! шеидкодшп лрилади для вий^ру температури безпосередньо у зон! лазерного нагр!ву.

Показано, шо при импульсному лазерному зи1цненн1 -»«с аии од~ нокосрдинатна ! двокоординатна технолог1чн1 схеми обробки. Для 1х оц!нки та оптим1заЩФ апропоновановикористовувати коефщ1ент пере-криття Кп-ЗЛ^де 3- в¡деталь М1ж двома сус1дн1ш ЗТВ, коефЩ1ент заповнення проф1л» Кз 1 коеф!ц!ент використання !мпульс1в Ки . При зм1цненн! поверХонь робочих кромок ШструменПв при Уе< ЗДаУмы" потр!бно виконувати однокоординатну оброОку з Кл-0,8,при \!е>3№/т - Кп<0,6. При лазерному опромИтванн! поверхонь, як! працюють в умовах тертя ковзання, доЩльною е двохкоординатна схема, коли в-обох иапрямках Кп>1, тобто реал1зуеться так звана схема "островко-вого" зм1цнення. В1дм!чеш особливосп вибору технолог!чних схем -стооуються 1 обробки безперервним випром1нюванням. 0ск1льки эм)цнений шар у цьому випадку являе собою "дор!жку" з певилми розм1рами, то виС1р схем обробки додатково'регламентуеться II напряжем в1дносно напрямку швидкосП ковзання у зон! контакту пари тертя. У м!сцях взаимного перекриття двох сус!д!их зон утворюеться Зона швидк!сного в!дпуску з характерною трооститною структурою,яка мае понижэну тверд1сть. Якщр для деталей, працюючих в умовах тертя, а такох для 1нструмент)Ь це не мае 1стотного значения, то для ви-роб!в, пршдюючих при цикл!чних навантаяеннях Щ зони являють собою метадурПйн! •концентратора напрудень. Для недопущения утворення зон в!дпуску запролоновак1 оряПнальш технолог1чн! схеми лазерно1 обробки.

Для розробки технолог1чних процес1в, визначення режим!в лазерное поверхнево! обробки-" отримшИ статистичн! модел! для ряду матер!ал1в, як1 ВЕаемозв'язують глибину 2(У1) ! тверд!сть Н//(У2) змШиеного шару з енерг1ею лазерного випромюнхшання, Е(Х1), три-кшс/ю дП.'СОй), диаметром п'ятна Фокуеування си(ХЗ).

а л

У1(И;-вг43ах1-Б>2-?ХЗ-Г<4Х1*Ж-5ХНХЗ-?0Х1 +30X2 ",

У1,4((5=74-46Х1-59Х2+2ХЗ-25Х1 *X2-f 1JXI *ХЗ-ЗЖ*ХЗ+бХ1 М1Ж -4X3 У1 >UM -84-39X1 -47X2-3X3-19X1*Х2+5Х2*ХЗ+26>2 а У2а> -999+25X1-58X3+16X1 *Х2+16Х1 *ХЗ-41 Х2*ХЗ 159X1 -76)3

• y2W4t-B38-42Xl-10X3+31Xl*X2+26Xl*X3-31X2*X3-63át+52X2 +37X3

У2ким-946-42X1 +27X3+165X1 *Х2+73Х1 *ХЗ-23X2*ХЗ-45X1 -12&Ú -96X3 Для безперервного випром!нювання встановлен! зв'язки м!д Z, Н , Rz 1 технояог1чними параметрами Ve,Wp,P,de ,V; розроб/enl в!дпов1дн1 методики визначення режимiв обробки 1 номограми.

Проводились досл1дження впливу змЩнюючо! обробки на ф!зш:о-'механ1чн1 1 екеплуатащйн! характеристики MaxepiaslB: величину 1 характер розпод1лу залишкових напружень, з носаст i йк!сть,теплеет 1й-к1сть, короз1йну ст1йк1сть, втомиу м1цн1сть. Залишков! напружешш 1 роду залетать в1д щ1льност1 потужиост! 1 тривалост1 д)i лазерного випром!нювання, х!м1чного складу оброблюваного матер!алу.

При ШЗЬКИХ р1внях Щ1ЛЬНОСТ1 ПОТУЖНОСТ! "ф-20 кБг/сма , коли забезпечуеться нагр1в матер!алу до температур,не перевищуючих температуру плавления,' але достатн!х для гартувшиш, практично у вс!х сталях формуються ростягуюч1 залишков1 напруження, р1вень яких знижуеться з 800 МПа до 250МПа по Mipi зменшувалня BMlcry вуглицп в стал! 1 ступеня II легованосг 1. 3 п)двищенням температур)! нагр!ву до Г пл 1 вице мае м!сце знилення ростягуючих напружень, для стал! Х12М-3 800МПа при V'p-20 кВт/см1 до' 400 МПз при Wp-200 кВт/см*,а для вуглицевих 1 низьколегованих сталей таль 45.У8.ХВГ) хараетерним е. формування стискуючих напружень (-400 í.üla для стал! 45;-250МПа для стал1 ХВГ;-150 МПа для-стал! У8, при Wp=200KRr/cM). При обробц! сталей п!сля об'емного гартування на границ! ЗТВ 1 ма-тер1алу осяови, гобто у зон! в!дпуску, виявлея! гостр! Шки ростягуючих напружень. Зм1цнення безперервшш випром! чкшанням призво-дить до виникнення у центр! "дор!жи" стискуючих напружень, на пэ-риферП - ростягуючих. На к1нцевий напрукений стан поверхневого шару виробу вц!лому впливають технолог1чи1 схеми обробки, розм!щеяня змШюних "дор!жк" на оброблен!Я поверх«', Лазеряе зм!цнення р!жучих кромок 1нструмент!в, коли використовуеться т1ль-ки одна "дор1;жа"-призюодить до формування сприятливих стискуючих напружень (-ЮООМПа,для У8).

В титанових сплавах ВТЗ-1, ВТ9 при 1мпульсному пагр!в! магагь м!сце стискуюч! напружешя величиною до 600 МПа (Wp-250 кВт/см ' }. При безперервному опромйшвшш! залишков! иалруження змиповться в шар! товщииою 40мкм в1д 300 Ша до 50 Ша у ззлюшост! Шд режиму.

Для отримання у процес! лазерного зм!цнешт гарантопатк отиокуших залишкових напружень запропоновано cnceid лазерного

терт-деформацШюго зм!цнення (А.с.934621). Встановлено, щэ при иехан!чному деформуванн1 стал! 45, при температурах 450-5ОО*С на отадП охолодження.шсля лазерно! обробки утворюеться зм1цнений кар, який мае С1льш дисперсну i шердшу структуру н1лс шсля зви-чайного ¿лазерного гартування, стискуюч1 залишков1 напруження, величина яких залежить в1д величини дефорыуючого зусилля, Ffô^-ЗООМПа F-iOKrc-.dj~50Ша,F- бОкГс) i щь1ьност1 потужност! випроШнювання.,

8носост1йК1сть поверхневих шар¡в сталей У8,Р6Ы5,20Х13, зы1ц-нених лазерним опром1нюванням, вивчалась на машинах тертя по схем1 "призма-ролик". Встановлено, що лазерне зм!цнення досл1джених сталей призводить до Уютного шдвищення зносост1йкост1 по в1дношеннг до об'еьзюго гартування. Taie, для пари сталь У8-ШХ15, параметр аноззування Шсля лазерного зм1цнення: h =3,1 мг/км, пшлз об'емно-го гартування Ц-4,9 мг/км; для пари Р6М5-ШХ15: Ii-l .n мг/км. U -2,1 мг/км; ДЛЛ Р6М5-12Х18Н10Т: 1( =0,5 мг/км, Ii-1,6 МГ/КМ; ДЛЯ 20Х13-ШХ15: I» =0,6 мг/км, Is.-0,83 мг/км. При цьому встановлено lcTOTiie зниження коеф1ц1енту тертя. Для пари 20Х13-ШХ15 з 0,22 до

0.08. Висока зносост!йк1сть, низ'ький коеф1Щент тертя обумоЕлен! тиы, пр ■ структура, яка формуеться при лазерному з».пцненш е ме-тастаб1льною, мае piBHOMipHO розпред!лен! тверд! (мартенсит, карб!ди) 1 пластичн! (залишковий аустен1т) складов!. Це призводить до того, шр метастаб!льна структура п!д д!ею умов тертя (питоме навантаження, температура, кисень пов!тря, ыастило) сприяе утво-"ренню вторинних структур, як! для даних умов вже будуть стаб1льни-ыи.тобто мае м!сце процес самоорган!зацп при терт1.Про це св1дчать результати металеграф!много анал!зу поверхонь тертя толя -вилробувань. Вивчався вшшв-режим!в 1 технолог[чних схем лазерного зм!цнзння ,на onip втом! в умовах д1! короз!йних середовищ та механизм руйнування при статичному навантаженн! на ростяг вуглицевих

1.легованих сталей. Плоск1 эразки для випробувань на втому ! цил1ндр1чн! - на ростяг оброблялись випром!нювання С0глазера (Р=1 кВт, V-0,2-1 м/хв, d 1,-4-5 мм). Випробувння на onlp малоциклов!й btomI проводились за короткою схемою при постШпй деформацп на лов1тр1,у 3-5% водному розчин1 NaCl 1 25% водному розчин! мурашко-boï кислоти.Показано, шр вуглецев! стал!, зм1цнен1 лазерним вип-' роШнгаанням , при невеликих р1внях деформацП мають переваги перед яезм!цненими. Але, чим б1льшей р1вень напружень, тим менше пе-реваг наг зм!цнвна сталь. При високих деформац!ях витривал!сть незм1цнено1Е стал1 вида н1ж зм1цнено!. Оц!нка по критерию ефектив-вост! зм1цнення показуе вплив агресивного середовиша на дов-гол!чя1оть зм1цне/ю! стал!. вд!лому,лазёрна обробка виконана на

оптимальних режимах,перспективна для и1двищення опору ко-роз(йно-втомному руйнуванню сталей в област1 пруяних деформаЩй. Металограф1чн1 досл1дження м!кроструктури ЗЛВ 1 вивчеяня злом1в цил1ндричних эразк1в з вуглецевих 1 легованих сталей, а також з1ставлення отриманих даних дозволили виявити механ1зм 1х руйну-' вання при ростягуванн!. Встановлено, що в!и ¡стотно'заяежить в1д х!м1чного складу стал1, режим1в 1 технолог!чних схем опромнпсван-ня. Зародження руйнувапня починаеться на поверхн! зразк1в в ЗТВ (при значно 01лысих навантаженнях, н1я звичайно). У вуглецевих сталях це зародження 1де за мехаШзмом внутрИшьозеркинного, транскристад1тного сколу. В легованих сталях механизм руйнувапня мае 1нший характер. При цьому в1дзначаеться вплив технолог1чно! схеми оброОки. Шсля лазерно! обробки по cnipa.n, характер руйну-вання з'являеться якЮгяо б) ль и в'язким, nix я1сля обробки по ут-ворююч1й з галтелями.

Отриман1 результат« впливу лазерного змЦщення на ф1зико-ме-хан1чн1 характеристики матер1ал1в е базою даних, котра несбх1дна для визначення параметра обробки, для створешга системи керувашя процесом зм1цнення. •

Для розширення мохливостей керування властивостяки поверхне-вого шару материал!в проводились досл1дження процэсу лазерного легування з газово* фази, з попередньо .чанеейгого шару, методом ншекцП порошку в розгглав;

. Лазерна н1троцементац!я армко~зал1за при дП 1мпульсного лазерного випром1 нювання виконувалась у.спеШальн1й камэр1 у середо-вищ1 "пропан-бутан-азот". Встановлено, що у армко-зал)зЗ, при д1льностях eneprii We-5,6-1'9 Дж/ммг1 склад! середовища (50? пропан-бутану, 507. азоту) утворюеться мартенситно-аустеШтна структура з тверд4стю до 8800 МПа. при глибин! ЗТВ до 0,2 мм. • К1лыпсть залишкового аустен!ту зм1нюеться в!д 5X до 21% в залежност! в!д вм1сту пропан-бутану в склад1 середовиша i щ1льност1 eneprii. Максимальна к!льк1сть фази ф1ксуеться при 100% пропан-бутану.

Легування з попередньо нанесеного шару проводилось на pyr.m?-цев!й стал1 45 i жаром1цному Ьплав^ ЖС6К. Для легування внкорнсто-вувались порошки В4С; WC; ХТМ (TiBttCVBi+12X18H10T), ВТЩТШ, +VO12X18H10T), як! наносились на поверхнi зразк1в плазменним та дегонац! йними методами. Зразки з пскриттяйи товпотною 150 мкм'сб-роблялись випром1нюванням С04лазеру (Р=1 кВт, d0"2-4 мм; v3-o,2-< м/хв) так, крб глибина проплавлвванпя'Оула бШшз за товго.чу пок риття. Показано, но Шсля лаЗерноi обробки стал! 45 з XfH i ВТН утворюегь<?я поверхневий шар з характерною структурою ЛЙ70ГС С1Ш-

ьу,в евтектищшш кристалами зы!цшоючих фаз. Максимальна зносост1йк1сть спомер1гаеться при оптимальному сп1вв1дношенн1 ли-тих 1 пористих д!лянок на поверхн! тертя (50%-лит 1, 50%-порист1). Встановлено шдвищення зносост1йкост1 в 4 рази. Легування сплаву 1С6К кар„б1Дом бору супроводжуеться утворенням широких ЗТВ з глиби-ною до 0,9 мм 1 високодисперсною блочно-яче1стою структурою. (Мтка змПщшчо! фази, яка являе собою м!жзернинш гранищ.значно дисперстша, нШ у вих^дному матер1ал!. Структура в1др!зняеться високою тверд!стю 6000-6500 МПа (початкова-4000 МПа). Шдвищення твердост! пов'язано з розчиненням у розплав1 1 наступному вид1ленШ при охолодженн! др1бних, часток В<,С, що шдтверджують дан1 рентгенограф!чних досл1джень. При легуванш сплава ЖС6К ХТН отримано шдвищення твердост1 до 6000-6800 МПа, виявлено наявшсть у поверхневому шар! зм!цнюючих фаз Т!Вг1 СгВг, а також N1, Ре^.Ре^ I невдомо! ^ази X. Отримаш структур!! забезпечують п^двщення ' знооост1йкост! сплаву ЖС6К в умовах високих температур у 3 рази. До лазерно'1 обробки !нтенсивншть знашування при температур! 1073К становила 35,7 мг/(см*км), шсля легування -12,1 ыг/(с>,?-кы).

Був досл!джвний процес ¡нжекцп порошкових - матер1ал1в В^С; УС; ПГ-СР2, ПГ-СРЧ,Бр. ОЦС-Ю 1 !ниИ у зону розплаву на стал! 45 з метою легування та наплавки. На процес.легування впливають витра-чення порошку, диаметр подаючого сопла, в1дстань В1Д зр1зу сопла до п'ятна фокуеування променя, куга нахилу сопла 1 напряыку подач! порошку в1 дносно напрямку руху деталь швидкЛсть обробки, парамет-ри променя. Встановлено, що.при в!дсутност1 запасу по потужност! виппом1нк>Бання,дуже вакливе значения мае налрямок 1 кут-подач1 пород су. Краш.1 результат« забезпечуються при подач! порошку на зустр1ч руху детал!. Кут подач! порошку повинен бути не на багато 'б!лы1шм кута м!к дотичною До- поверх^ "хвоста" резплаву ! папрям-ком руху виробу, який эм!нюеться в залежност! в!д ректпв обробки в-шжах (45°-60°). Рози1р п'ятна рогпилення порошку на поверхш обребки доц!льно братн р!вним Потр!бне витрачення порошку при потужност1 лазерного випром!нювання до 2 кВт лежить в диапазон! 0,1-1 Г/с. Для реад1зац11 процесу лазерного легування розроблено дозуючий пристр!й з Е1дпов1дними характеристиками. його особ-Л1ш1сть - в!дсутн!сть деталей 1 вузл!в як! рухаються. Транспорту, вання порошку 1 його дозувания проводиться за рахунок р!зниц! ^тиоку у заб!рн!й 1 подаюч1й порожнинах. Виконан! досл1дження по-верхневих вар!в, стримшшх методом 1нкекц11 довели !х перевагу перед 1шш!, розгляпутиш; вике. Зони логування в1др!зняються висо-кою р!вном!рн!стю розподЬчу лзгуючих компонент1? 1 фаз, як! утбо-

рюються у процес1 лазерно1 обробки, в1дсутн1сгю порошит Д7Я янгс-лючення утворення тр1щин при легуванн1 сплав1в карб1дами (ЭД,', ть: 1 шш.) потр1бно додатково використовувати пороши пластичних матер^! в типу N1, Со та 1нш. Легуваиня вуглецевнх сталей лоропчп-ми, як! самофлюсуються (ПГ-СР2, ПГ-СР4), свинцкшатою бронзою за-Оеспечуе 1стотне п!двищення зносост1йкост!, дозволяв в ряд1 ги-падк1в, проводити замшу матер!ал1в.

Отриман1 в робот 1 результати дозволили розробитн алгоритм керування як!сними характеристиками поверхневого шару при лапернШ зм1цниоч1й обробц! подан1й на рис. б.

Сущн1сть цього алгоритму заключается в наступному. На першо-му етал! формуеться Оаза даних, яку утворюоть параметри лазерного променя ! релим1в роботи лазерного обладнання, параметри, як! характеризуют умови обробки , ф!зико-механ1чн! характеристики ма-тер!ал1в, отриман1 статистичн1 математичн1 модел1, масив даних про властивост1 зм1днених матер1ал1в у залежност1 в1д режим!в обробки. На другому етал! виконуеться виб1р мети обробки 1 введения не-обх1дних значень 2, .Н^граничних значеньТ.^Д, Т* (знак 1 величина заяишкових напружень , зносост1йк1сть (I), теплоот1йк!сть т*та !и. П!сля цього виконуеться виб1р модел1 1 розрахунок параметр!в про-десу (Тр, Унр, V охл. Ьн), по яких визначавться величини ( в-и (5 зал. I, ■ Т*) з1ставляються з граничними". При наявност! розб!жностей проводиться корекц1я Та-Тр±дТ ! Ц-Ьн^ДЬ. На основ! зкоректованих температури и часу пагр!ву (Тр, и,) розраховуються параметри обробки (лотужн1сть'випром1товаыгя Рр/ швйдк!сть обробт Ур, розм!р п'ятна фокусування, do), формуеться керуюче д1яння ! зд!йснюеться запуск процесу. Одночасно проводиться вим!р параметр^ процесу Гц, Ьнп.як! з!ставляютьея з розрахованими, визначавться помилка керування.

Осккчьки, на гепер1шн1й час в1дсуип швидкод1юч1 прилади для вш.иру 2, Н,1 !нших характеристик зм!цненого юру, то пиб!рково виконуготься експериментальн1 !х вим1рювання, накопичення ! ста тистична обробга; отриман! дан1 пор1внноться з вхздяями данимя. При наявност 1 розб!жностс-й виконуеться корскц!я математичних моделей. На баз1 цього алгоритму,при вир1шенн! питаль Формал!эац1) вс!х зв'язк1в молв бути створена автоматизована система керування. провесом лазерно! змищпючо! обробки.

Результате, отриман! в робот!, бут вииористан! при рознен! ! гпрогадггешн у вироСницгво 'реалыш технолог!чних пронес!в .та йприого змщненчя ! в1дпов!дного обладнання. Для ВО "К1ровгео-лоп:>" буди рогроблеи! технолог!чя! схеми ! роями лтяерного

Oi:-

О & «

AB-

паранетри променя ;

XOpûKT. ~ KM

Умов оЪо-KU; каракт.-ки

BUPbSy.

(^Початок )

X

ВЬеденняЬилгдиих дан и а : Л - -САи>; ß - {ß«> : С- Сс«>

±

По8идоаа матенатичних. ноЬелеи : Т,*р,(ааЬЛн'Ь(а,в.с);У><-h (я,в.сЩ^фес).. Í

ЗлГмобчмия Тр i tu, Th'TftiT} tHfrt*ti

5

6

с:

a

г

4.

E

w 3

<-J

йизгюченщ 8(личин и неитЭжен-н9 (понцлки ке-Pv0anHjt)

Hi

BuSïP мети 0Бро6ки,&йе-Ъеннг-Z, Н1/, ftf,f<Uf¿J.M

X

BuHßHüieni.poipaxiiHQK параметр iß

Накопичу&онн* erar. Ъани*,кор«*.ц1я нотемат. нодмео

вимтення оЬпмчлч. nuparieTùîb прочее у:

y»;e»;«ä..:i '.т.*

X

Ъзрах eßwi таченняебмеж!/^ ючахбарометр/6 SidnobiöwTb задан им ? У

X

Те*

PàîpQMnaK7*)tHM.

парам.-. НУр.Ч»,

ЧЬрниванмя керуючого SiíWHp, лусдг система

X

QuHt'pwiáHHi поточит napanemfib про-Ч^су: Гт, , ±нп

X

í]cnto4HÍ парс/копра про- , tieccj 6\ônoêidQH>mb роз- , рахо&аним: ТР=Тт|

Так

I *----— ----

Bi/jKûv«Hrf» характ.-к «row

ZKtmpihMTUAbHO: ¿,HV,Ht, t.

Запис поючних пират г pit. я ; onepam. понять

<Xcif>qr.Tepuc/7iüt:ii якоем èiùiwôtûatOn сереЪньо

"рГа*~

eTaTutiy

Hi

С Kineu6~~J

УЧ»о. û. gwm аггоретму керувал.чя процесом лазерно! noftepxiieboï nutuuKetâ*' обробки ifâx«jMaalt.

зм1цнення наплавок р1зьб муфто-замкового з'еднання Сурово! колони (Р-1,2 кВт; А»0,75; V-1,2 м/хв; d0«5 мм). При цих режимах забезпе-чувались наступн1 характеристики поверхневого шару: Z-0,4 mi-i; iiv 7500 МПа, Rz-Rz вих. Польов! випробування довели, по лазорне зм1цнення колони п!двишуе у 2 рази ресурс II роботи пор i mm но з стандартною. Для реал1зац11 технологи лазерного змШнешш р1зьб муфто-замкового з'еднання та поверхонь цапф лап долот було розроб-лено двохпроменевий лазерний технолог1чиий комплекс на баз! установок "Комета-2" з автоматизованим циклом обробки. Для загрузки та вигрузки деталей було використано робота з тактовим столом.

Па ВО "Б1льшовик" м. Ки1в, впроваджена техполог 1 я лазерного зм1цнення направляючих балок виробництва тонко! пол!мерно! ил1 яки, корпус1в ланцюгу гофратора виробництва труб для мел!орацП. Лазер-не зм1цнення направляючих балок, дозволило значно опросили гсонструкц!го виробничо! л 1 н 1 í, зам1нити 38ХМЮЛ на сталь 30X13, В!дказатись в!д об'емного гартування,^ знизити у 3 рази тру-дом!стк!сть 1х виготовлення. Режими обробки: 'ф-4,5-10 Вт/см ; <!„ -6 мм; V-0,4 м/хв; ZnO. Лазерне зм1цнення корпус!в ланцюгу гофратора дозволило зам1нити сталь 38ХМЮА на стапь 45, виклкгшти процес азотування, виконатл всю механ!чну обробку з м!п1мальними припусками, застосувати ' високопродуктивний лроцее лиття гИд тиском. Режими обробки Р-800 Br; de-5 мм; а*-2,0 мм; V-1 м/хв,Fe,оч. Характеристики змЩненого шару: Z-0,6 мм, UV 7400 Юа. Розроблен! ( впроваджен1 у виробництво два технолог1чиих комилекси на баз! по-тужних С0алазер1в. ' , '

Для ВО "Павлоградвуг!лля" Оула рсзроблена технолог 1 я лазерного змЩнення цил1ндр!в роторного г!дронасосу Ш 120 1 порин!в ДП-4 г!дродвигуна горних комбайн!в МК67. При ла?ерн!й обробц! без оплавления поверхн! (Р-1 кВт; d„-5 мм; V-0,6 м/хв) забезпечуеться глибйна зм!цненого шару 0,5-0,6 мм, тверд1сть 9500 МПа. Ресурс роботи Пдронэсосу п!двишувар.ся пор!вняно з стандартним у 3 рази. Економ!чпий ефект в1д застосувапня одного зм1цненого пдроиасосу становив 35 тис. карбованц1в (в ц1нах до 1990 р.). Для цього ж об'еднання Оула розроблена технолог! я лазерного змкщення державки породоруйнуючого !нструменту типу РКС-1, виготовлетго! 1з стал i 35ХГСА. При режимах обробки (Р-1 кВт, de»5 мм; V-0,3 м/хя.) за беспечувалась глибииа змЩненого шару 2 мм; тверд!сть 7000 МПа. Пор1вняльн1 випробування на зносост1йк1сть показали, по зносост1йк1сть нэзм!цнених р!зц1в становить - 8 год, загартс-ланих ТВ1! J 16 год. , »зм1 цнених - лазером - 40 год. При цьсму среда: вид '-буватшя вуг.!лля за зм!ну становило 230 тон.

. Для Польско'! ф1рми "В1схард", м. Вроцлав,розроблена технолог1я. лазерного змЩнення зубчатих кол!с масляного насосу, шр дозволило !й вийти на св!товий р1вень якост! насос1в. Для реал1зац!.1 технологи було розроблено, виготовлено 1 впроваджено у виробництво' повнЮтвгавтоматизований технолоНчний комплекс на баз! СОг лазеру 1 загрузочного маншулятору барабанного типу. Внасл1док лазерно! обробки, на Ф1н1шн!й операцП, на поверхнях евольвентного профхлю зуб!в 1 цапф п!д Шдшипники утворювався'змЩнений шар глибиною 0,4 мм, з тверд1стю НУ 9000 МПа. При розм!рах£=20Омм,1>-=5О мм, час обробки одн1е! детал! становить 2 хв.

Для Харк!вського СКВ турбокомпресор!в розроблена технолог1я лазерно! наплавки бронзи Вр. ОЦС-190 на тдп'ятники турб!ни комп-ресор1в турбоп1ддуву великовантаишх автомобШв закордонного ви-робництва. Технология дозволяв в!дказатись в!д 1шор:у шдп'ят-ник1в з ЯпонП, виготовляти 1х не з дорого! бронзи, а з стал1 45. Наплавлений шар товщиною 0,6 мм мае ыеталурпйний зв'язок з основою, литу структуру.

Розроблено процес лазерного легування лопаток газотурб!них двигуШв, вигоювлених 1з сплаву ЭДЗбК. Легування. поверхонь бандаж-них полок лопаток сплавом ХТН дозволяе отримати плавнийград!ент властивостей, що виключае можлив!сть катастроф!чного зносу, п!дви-щити зноссст1йк1сть сплаву в умовах високих температур у 3 рази пор!вняно з базовим вар!антоы, не знил$гючи при цьому характеристик »аром1цност! матер!алу виробу вц!лому.

На 10 п1дприемствах впроваджено" лазерне змЩнення мета-лор1зального Щструменту, ' штампово1 оснастки, виготовлених з вуг-' лецевих 1нструменталышх У8, У10, У12, низьколегованих 9ХС, ХВГ, ШХ15, швидкор!жучих Р6Ш, Р6М5К5 I штампових Х12, Х12М сталей (ВО "завод Ыалишева" м.Харк1в, Ю "Арсенал", ВО "Маяк", ВО"Електронп-рилад", ВО 1м. С. П. Корольова,м. Ки1в,та 1нш!). В середньому лазерне змЩнення забезпечуе п!двищення ст!йкост! 1нструмент1в у 2-3 рази. Особливо високий ефект спостер!гаеться у зм1цнених !нструмент!в, я«1 використовуеться для обробки в'язких матер1ал1в типу га-роз 1йност!йко1 стал1 аустен!тного класу, титанових сплав!в, м!д1 та !н.

I В додатку приведен! розроблен! рекомендац!1, таблиц!, доку-:ыентац1я по впровадженню процес!в 1 обладнання у виробництво.

- 27 -ЗАГАЛШ1 БИС1ЮВКЛ

1. На основ] теоретике-експериментальних досл1дже'нь вперие' розроблено комплексну технологичну систему реал1зацГ! процес¡в ла-зерно! поверхнево'1 зм1цнюючо1 обробки,як! забезпечують виивор»-ван!сть результат!в,можлив!сть керувати як!сними характеристиками поверхневого шару, отримання гарантованого п1двиш,ення експлуа-тац)йних властивостей виробШ.

2. Зактори,як! вплявакяь на тепловий стан поверхневого шару в умовах лазерного опром1нювання утворюють три групи: характеристики лазерного променя,умов обробки,властивостей детал1. Але керувати процесом можна т!льки деякими !з них.зокрема потужн1стю випром!ню-вання,швидк!стю обробки,розшшлом потужност! у п'ятн! фокуеування, його розм!ром, ггоглинаючою эд!бностю та лочатковою температурою матер1алу. Для 1х вим1рювання та контролю розроблен! ориг1нальн! методики ! пристро!'.

3. Встановлено,що розпод!л потужност! багатомодового випром1 нювання, сфокусованого сфер!чною л1нзою можна описати з точн!стю 15% стандартною функщею;отримаш сгатистичн! математичя1 модел!,як! зв'язують розм!р п'ятна фэкусувння з параметрами системи фокуеування. При використанн! сфер1чних дзеркал максимум 1нтенсивноот! випром!нювання змИцуеться до краю -п'ятна тим б!льше,чим б!льша в!дстань в!д фокуса. При математичному моделюваь.ч такий рознод!л потр!0но задавати по точках. Для отримання якисного зм]цненого шару ступень розфокусування не' повинна бути вищечо + (10-15)

4. Розроблено методику та швидкодш-шй (стала часу 10 с) пристр!й для вим!рювання поглинаючо! зд!бНост! та температури поверхн!,який не мае аналопв у св1т!,що дозволило отримати матема-тичн! модел!,зв'язуюч! поглинаючу зд1бн!сть з параметрами лазерао/ обробки (Р,У,с! , , ). Встановлено,що юна зроста з шдвищення« швидкост! обробки (V) 1 д!аметру п'ятна фокуеування (<1 ), не заложить в!д кута пад!ння променя ( для =0-30 ) на поверхн^ з покрит-тям. Оптимальна товщина покрить Ре 0 ,Мп (РО ) = 3-4 мкм, покрить в.ч йчО =20 мкм. Визначено ряд ефективноетI покрить: оксиди, $сс4пти, п:-| основ! 2п0,1'раф!т.та ¡н. Запропоновано.на р!вн! винаходу.склад нового ефективного нокриття на основ! 3!О,А1 0 ! С.

5. На основ! розроблених матемятичних моделей ласлрьч гс нагр!ву вироб1в з обмеженими умовами тепдов1дв<>я'>тм стрр!-»чч у-тодолог 1 я визиачення оптиыальних р<?гам(н зиИричш. в^гевитс нею, вадагтьея умови якост! (В1су1н1сть прон.завлювання иоБерхш або кромки, в!д«утн!сть вириву змЩнено! зони в1д кромки, Уохл. > Уохл. 1ф. ) .визначаеться область режим ¡в (У,а ),при ягах »*аГ«чрг

чуьться гарантована иметь змтненого шару. Для швидкор!жучих сталей додатково експериментально визначаеться структура для випадку оиромпшаання нагнвбезмежного т!ла,розраховуеться в1дпов1дне тем-пературне поле,яке моделюьанням реал1зуеться на клин1 або тонк1й шгат!ВцО визначаються оптимальн! режйми обробки.

6. Встановлено.шр у вуглицевих сталях гарантоване зм1цнення забеэпечуеться при лазерному нагр1ванн! у всьому диапазон! температур вице темперагури точок Ас ! Ас тверд!сть м1кроструктури лнийно заложить в1д вмюту вуглецю (для стал! з С>0,6% також); глибина зм!цненого шару з роста з ш двщенням його вм1сту. В швид-кор!дучих сталях оптимальна структура (мартенсит, залшковий аустешт (15-20%),карб!ди (30%)., Н - 10000 - НОООМпа) забеэпечуеться при натр¡ванн! до температур, як! не перевишуеть темпера-тури повного розчинення складнях карбшв ( Р-1кВг;У-0,8 м/хв; с! -5мм). Биявлено П1дви1дення твердое?] структури (ЮСООМПа) ,яка утво-рюеться при обробц! э проплавлюванням поверхн!,але т!льке при низьких швидкостях,коли створюються умови для видхлення надлишко-вих карбШв типу (Ре,У,Мэ)С.

7. Розроблена методика' вибору технолог¡чних схем лазерного ам1цнення ¡мпудьсним ! безперервним випром1нюванням, для реала зацп яко! запропоновано використовувати коеф1ц1ент перекриття Кп-З/с! , коеф!Щент використання ¡мпульс1в та коеф!ц!ент . заповнення профИю. Запропонован! оригщалып технолопчю схеми зм^цнення по-верхов^,як1 виключаюь утворення зон выпуску.,та В1дпов1дн1 прист-ро! )а р1вн1 винаход1в. Огримаш математичн1 модел!,як! зв'яэують як!сн1 характеристики зм!цненого шару в сталях э технолог1чними параметрами обробки,розробдено методику та номограми для визначен-ия режим!в зм!цнення.

8. Розроблено заходи та засоби,як1 забезпечують молшшеть ке-рувати величиною та характером.розпод!лу залишкових напружень I роду, Головними керуючими факторами являються Щ1льн1сть потужност! лазерного випром1нювання та схеми розм!щення зм1цнених зон на поверхн!. При значениях Ур в диапазон! 10-200 кВт/ом величина залишкових напружень зм!нюеться для вуглецевих 1 низьколегованих сталей (4!3,У8,ХВГ,0ХС та 1н.) ыд -50. ,.+50Мпа до -400Мпа,для високолего-.рачих (РбМЗ,Х12М та ¡н. )-в!д +800Мпа до -400Мпа. В межах одние! зо-,ни: при об1>обц1 безперервним випром1нюванням залишков* напрудання умГтД'Ься в!д стискуючих у центр! до ростягнуючих на периферП.Як ц.) оптимально {юзмШувати так1 эони. наприклад на кромц! ¡нструмен-ту,м>.'жлг1 огримуиати-гаран^ован! стиокуюч! напруження (-ЮСРМПа для

- го -

9. Показано,що лазерна обробка "чбезпечуе п1двищення зносост1й-koctI сталей 45,УО, 20X13,р6м5 в умовах сухого 1 граничного тертя у 2)5-4 рази, пор1вняно з1 сталями шсля стандартно! обробки. Це пов'язано з метастаО!лы11стю утворених структур, сприятливим сп1вв1дношенням м'яких i твердих и складэвих. Виявлене текстуру-вання змщненного пару п1сля випробувань на зносост1йк1сть св1дчить про п1двишрння його триботехн1чних властивостей. Для п1дви-щення зпосост1йкост1 в умовах високих температур доц1льним е застосовувати лазерне легування. Наприклад.легування лсаромЩного сплаву ЖСбК порошками TiBt +CrBi +12Х18Н10Т п1двишуе його зносост!йк1сть при температурах 1073К,пор1вняно з вих1дним станом, у 3 рази.

10. Встановлено, що лазерна обробка вуглецевих стале" Шдвищуе onlp малоциклов1й втом1 в межах прулПх деформац1й: для стал! 30 при випробуваннях на пов1тр1. (6-0,61) у 2 рази; у 3,Б% водному роз-чин! NaCl у 1,7 раз ; у 25Z водному розчин1 мурашково! кислоти у 1,6 раз. При високих р1внях деформаЩ! витривалЮть незмщнено! стал! випр зм1цнено1;критичн1 piвн1 деформацп (£кр) в!дпов!дно випробуванням у середовипрх: £.кр|-0,95%; 6кр4-0,82%; 6кр,-0,71Х.

11. Вперше розробдено алгоритм керування процесом лазерно! зм'цнюючо! обробки,створений на основ 1 отриманих ютематичних моделей, як1• зв'пзуеть параметри процесу з характеристиками яксст! поверхневого гсару,законом1риостэа зм!нювашш оспсших фактор!в,**э-тодик 1 пристроив для 1х вим1рювайня,одерглио! t-.-зи даних ivo 1х вплив на ф!зико-!,!эхан!чн! Г експлуатац1йн1 характеристики ма-тер1ал!в.

12. Рез,гчьтати внкснано! роботи впрозядя?н1 у -¡ро.чяталов1 сть. При орган1зац1! впровадгоння застосовано конплексний и!дх1д,який по ля-гае у cTBopeinil на ряд1 п!дпркзиств (ЕГО •'Шрсгзгег зг1л",В0 "Б.'ль-шовик",ГО "Завод МалиЕЭва",Ю "!'зяк",ЕО "Ареэнал",ВО 1м. С. IL Ito-рольова.польска Ф1рма "В1схард" та ¡и.) Д1лы;яць та лаборатср1й лазерного змщнення, !х оснап;егш1 розроблеким ориг1налышм технолог 1чним обладнанням,нристроями для вт<ирювашш та контролю,техно-лог 1 чними 1нструкц1яии i рекомендашями.навиашп обслуговуючого персоналу. Еконсм!чпнй ефект в!д впровадження результат роботи стаиоаить понад 2 млн.крб. (в Ц1нах до 1991р.).

OchobhI положння дисертаЩ i викладено у насгупних работах:

1. Зм1цнення деталей променем лазеру. /В. С. Коваленко, Л. Ф. Головко, Г. й Мэркулов.- -ft.: Гехн1ка, 1981,130 с.

2. Лазерне 1 електроерозШне змЩнення матер1ал1в. /Е С. Коза-' ленко, А. Д. Верхотуров, JL Ф.' Головко, I. О. Подчерняева. -М.: Наука, 1986, 276 с.

3. Коваленко Е С., Головко JL Ф. , Черненко В. С, Змдцнення 1 легування деталей машин променем лазеру. - К:Техн1ка, 1990,192 с.

4. Дов1дник по. технологи лазерно1 обробки./В. С. Коваленко, Л. Ф.Головко, ЕЕКотляров та ih. -К.: Техшка, 1985,161 с. ■

5. Аморф1заЩя метал!в при потужному енергетичному Д1янн1. /К С. Коваленко, Л. Ф.Головко, Ю. А. Куницький. -К: КП1,1984,120 с.'

6. Головко Л.Ф. , 0р1шик В. I. Застосування прогресивних ме-тод1в поверхневого змЩнення деталей у машшгабудувашп.-К.: Знания,1987, 17 с.

7. Laser surface hardening and electric-sparc surface hardening of iraterials. /V. S. Kovalenko, A. D. Yrhoturov, L. F. Golovko, I. A. Podchernyaeva, Plienum Publish. Corp. ,1988, 175 p.

8. Головко Л.Ф. , Коваленко В.С., Черненко В.С. Законом!рност1 вШцнення зал!зовутлецевих сплав!в безперервним випром1нюванням потужного СО^лазеру. - Електронна' обробка • матер1ал!в, 6,1980 ,' с. 23-38.

9. Головко Л.Ф. , Коваленко B.C. , Безшорнов О. I. Про напруке-иий стая поверхневих шар1в матер1ал1в, змщюних лазерним вии-ромШюваиням.-Електронна обробка матер1ал1в. ,2, 1980, с. 28-30.

10. Головко Л. Ф., Шстун I. П., Таганова Е. е. Вплив лазерно! ■ обробки на onip малоциклов!й втом1. ' -.Сб.: Шв1 розробки i досв!д

впровадження лазерно! техшки i технологи. Ужгород, Ки!в,1990,-С. 60-51.

11. Головко А Ф., Коваленко В. С., 0р1шик В. !. Тр16отехн!чн! характериртики короз1й!ю-ст!йких сталей, змЩнеиих лазерним вип-роьШшванням. -Сб.: Застосування лаз ер ¡в у наущ та технЩЬ Омск,1988, с. 64-56.

' 12. Коваленко ЕС., Головко JL Ф., ЗаСелШ В. О. Шдвищення з!юсост1йкостикталор1залышх 1нструмект1в за доиомогою лазерного випроШнювання. - ТехнолоПя I орган!защя Еиробшщтва, Z, 1931, с. 42-48. '

13. Kovalenko V. S,, Golovko L. F. The Role of Dimensional Factors and_ Absorption Efficiency In Laser Surface .'Hardening.-Optics and Lasers in Engineering, 2, 1990, p. p. 55-65.

14. Kovalenko V. S. , Golovko L, F. Laser hardening of chrctmg

.Steele.'-'1-industial'las,or Handbook.Springer-Verlag, Ed. 1992-1993," ЧЭД p, 121^-122» ' : ' . ; • '

vl: 'ia'Jfevalenko V, CtoJovJco LVF., Fialko N. M. Laser Hardening

of Components and Tools with Complicated Vorklnd Elements shaped for Heattransfer. - ICALEO. 93, Orleando, Florida, October'28, 1993.

16. Kovalenko V. S. , Golovko L. F. Laser Thermo-Defornatlon Material Hardening.-International Conference on Elektron Beam and Laser Processing, Reno, Nevada, November 2-5, 1993.

17. Kovalenko V. S. , Golovko L. F. Laser Surface Treatment Influence on the Strength of Steel.-International Conference on laser materials processing. Chongqing, China, october 12-15, 1994.

18. Kowalenko V. S. , Golowko L. F. u. a. , Erhöhung der Zuverlässigkeit des Werkzeuges durch Anwendung von Laserteohnologlen. Faohtagung AUPRC-84. Tagungsber., Karl-Marx-Stadt /1984/, no. 5, vol.1., s. 283-286.

19. Kovalenko V. S. , Golovko L. F. , The Role of Absorption Efficiency and Diniensional Factor in Laser Surface Hardening. International Sumposlum for Electromachlnlng (ISEM-9), April 10-14, 1989 Alchi irade Center Nagoja, Japan, p.p.

20. Коваленко. В. С. , Головко J1 Ф. Особенности лазерного упрочнения деталей и инструментов. Vyuzltl laseru a elektronoveho luca pri tepelnom spracovani oceli. Zbornlk prednasok, DT. CSVTS Zillna, 1988, s. 16-27. (Cehoslovensko).

21. Коваленко B.C. .Котляров В. IL .Головко Л. I и др. Лазерная обработка-на материалите. София,Техника, 1988, It* с. (Bulgarien).

22. Коваленко B.C., Головко Л.Ф., Черненко B.C. Досл1дження процесу лшейного контурно-променевого лазерного зм!цнення ма-тер1ал!в. - Електронна обробка матер!ал1в, 5, 1976, С. 22-25.

23. Головко JL Ф.Коваленко Е С., 0р1шник.В. ! Вплив поглинаю-чого покриття на процес лазерного змИщення. - Е ::тронна обробка матер!ал1в. 2,1986, с. 80-82.

24. Головко .1 Ф., Захарова К I., Разумова Н. О. Шжливост! п1двищення зносост1йкост1 жаромщгого сплаьу за допомогою лазерного легування. У кн.: Застосування лазеряо! технолог!! для п!дви-щення якост! металопродукЩ i. Магштогорск, 1936 р.

25. Основы! напрямки досл!джень нел!нейних математичних моделей процес!в теплопереносу при д1янн1 концентрованих поток1в енергп на матер¡али. /Ю. I. Швець, Н.М.Ф1алко, Л. Ф.Головко i 1н. -Ф!зико-х1м1чна механ!ка матер!ал1в, 4, 1986, с. 70-73.

26. Коваленко B.C., Головко Л Ф. , Ф1алко.Н.М. Про вплив розм1рного фактору на процес зм!цнення деталей безперервним лазер-ним випромппованням. - Електронна обробка матер1ал1в, 1, 1986, с. 23-25. "

27. Вплив лазерного опром1"ненля на зм!нхшан«я ф!зико-ме-

хан1чних характеристик ыатер1ал1в./Е С. Коваленко, Л. Ф.Головко,. Е С. Черненко/. Х1м1чне машинобудуьання,41,1984,с. 54-59.28. Степаненко В. О., Головко Л Ф.' Фрактограф1я сталей Шсля лазерно! обробки.- Сб.: Легування, структура 1 властивост1 зы1цне-них стадей. К.:, 1993, с. 13-14.

29. Приблизний п1дх!д до ощнки теплового стану вироб1в при зм1цненн1 материалу рухаючимея колцентровалим джерелом енергП. /ЕЕ Швець, ЕМ.Ф1алко, Л. Ф.Головко i 1н. Журнал техн!чно! теплоф1зики,3,1985, с. Б5-59.

30. Вплив лазерного олромашвання на структуру i властшюст! сталей./Е С. Коваленко, Л. Ф.Головко, В. С. Черненко.-Сб.: Нов1 методи зШцнення сталей, К.: 1977 с.9-11.

31. Коваленко ас., Головко Л. Ф., Черненко а О. -Структура зы1нення у вуглецевих сталях п1сля лазерного зм1цнення i в1дпуску. - ХШчне машинобудування, вип. 48,1965 р.

32. Коваленко Е С., Головко Л. Ф. Зшцнення 1нструыентальних ыатер1ал1в з понижении зьйстом вольфраму в умовах лазерного оп-powi нювання. Кн.: Проблеми створення 1 впровадження висопродуктивно-го р1жучого 1нструменту э поннхетш зм1стом вольфраму. TG 1 лi с i, 1977, с. 89-91.

33. Головко Л.Ф. , Коваленко В. С. ,С1н1ченко iL К. ЗмШдення деталей бурового обладрання ..азерним випром1нюванням. - Технолог1я 1 орган1зац!я виробництва, 2,1989, с. 4-6.

34. А. С. 11803277. Лазерна установка для обробки деталей. /Л. Ф.Головко, а П. Дятел, Е С. Коваленко, 1979.

35. A.c.N934621. Присшй для лазерно! обробки деталей. /Л Ф. Головко, ЕЕ Дятел, Е С. Коваленко, 1980.

36. А. с. Н1067826. Склад покриття для зм1цнення деталей при 'нагр1в1 лазерним випромшюванням ./Л. Ф. Головко, В. П. Дятел, ЕС. Коваленко, 1980.

• 37. А. с. N1518392. Спос 1б терм1чно! обробки С1рих ча-вуи1в./Л. Ф. Головко, £ Г. Марченко, Е 0. Пчелинцев, 1989.

38. A.c. N1711557. Анал1затор пучк1в лазерного випром!нювання./Л. Ф. Головко, Е И. Котляров, 1991.

39. А. с. N1451958. Спос 16 лазерного зм1цнення робочих елемент1в пггамп1в. /Л. Ф. Гол эко, ЕЕРомакенко, В. С. Коваленко,1988.

40. А. с. N1492593. Лазерна технолог 1чна установи. /Л. Ф. Головко,' Е П. Котляров, ЕС.Коваленко, 1989.

41. А. с. N1520889. Спос1б нанесення аморфних покрить на поверх-ню кеталевих вироб!в. /Е П. Котляров, Л. Ф. Головко,Е С. Коваленко, 1989.