Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и цели исследования 13
1.1. Лазерная техника и технологии термического упрочнения 15
1.2. Структурно-фазовые превращения в сталях при лазерном нагреве 18
1.3. Автоматизированное управление технологическими комплексами для лазерной термической обработки 22
Выводы 27
2. Разработка методики исследования и алгоритма автоматического управления процессом лазерного термического упрочнения 30
2.1. Методика исследования тепловых процессов 31
2.1.1. Аналитическое решение задач теплопроводности при лазерном термическом упрочнении 32
2.1.2. Постановка и решение задачи лазерной закалки импульсным излучением 38
2.1.3. Методика моделирования тепловых процессов при лазерном термическом упрочнении 44
2.2. Разработка методики экспериментальных исследований процесса упрочнения 55
2.3. Алгоритм автоматического управления процессом лазерного термического упрочнения 58
Выводы 60
3. Моделирование тепловых процессов при лазерном термоупрочнении 62
3.1. Определение параметров технологического процесса и анализ исходных данных 62
3.2. Моделирование процесса взаимодействия лазерного излучения с упрочняемым материалом 64
3.3. Анализ результатов моделирования 68
Выводы 80
4. Разработка регрессионной модели процесса лазерного упрочнения 82
4.1. Экспериментальное исследование режимов лазерного термического упрочнения изделий из стали 82
4.2, Разработка регрессионной модели процесса лазерного термического упрочнения 90
4.3. Анализ уравнения регрессии 94
Выводы 98
5. Автоматизация процесса лазерного термического упрочнения лезвийного инструмента 100
5.1. Выбор оборудования и разработка технологического комплекса для целей автоматизированного лазерного термического упрочнения 102
5.2. Разработка системы управления высокоскоростным лазерным термическим упрочнением 104
5.3. Программно-алгоритмическое и информационное обеспечение... 115
Выводы 117
Общие выводы 118
Список использованных источников 120
Приложение А 135
Приложения Б 139
- Структурно-фазовые превращения в сталях при лазерном нагреве
- Аналитическое решение задач теплопроводности при лазерном термическом упрочнении
- Моделирование процесса взаимодействия лазерного излучения с упрочняемым материалом
- Экспериментальное исследование режимов лазерного термического упрочнения изделий из стали
Введение к работе
Создание лазерной техники и лазерных технологий является одним из приоритетных направлений развития науки и техники Российской Федерации на ближайшие десятилетия.
Лазерное термическое упрочнение деталей, воспринимающих высокие контактные давления в условиях трения, обеспечивает увеличение стойкости против истирания и успешно конкурирует с традиционными процессами поверхностного упрочнения.
В то же время можно указать на обширную номенклатуру изделий, к которым предъявляются одновременно требования высокой твердости и износостойкости, высокого класса шероховатости поверхности и сопротивления коррозии в агрессивных средах.
Речь идет о лезвийных инструментах, таких как медицинские скальпели, ножи бытового и промышленного назначения, а также о пуансонах для формования стекла, деталях для пресс форм литья под давлением и др. Характерно, что для изготовления названных деталей, как правило, применяют нержавеющую сталь ферритно-мартенситного класса типа 40X13.
Проблема состоит в том, что для повышения работоспособности изделий из данного типа стали необходимо осуществить поверхностное упрочнение на твердость 65., ,70 HRC, но по характеру легирования стали ферритно-мартенситного класса после обычной объемной или поверхностной закалки имеют структуру малоуглеродистого мартенсита с твердостью не выше 38..-42 HRC.
Известно, что для данного класса сталей лазерное упрочнение следует проводить в узком интервале режимов обработки, обеспечивающих образование мартенсита с достаточным количеством углерода, когда растворение карбидов находится на начальной стадии, а для сохранения высокого класса шероховатости поверхности лезвийного инструмента упрочнение следует проводить в режиме без оплавления. Оптимальный режим обработки достигается подбором параметров (скорости подачи, мощности, длительности импульса и т.д.). Причем для каждой марки стали следует подбирать конкретный режим.
Предварительные исследования, выполненные на лазерах непрерывного и импульсного излучения, указывают на принципиальную возможность достижения заданного уровня твердости, но эти результаты не стабильны, исследования необходимо продолжить, обратив особое внимание на выбор состава технических средств и программно-аппаратного обеспечения системы автоматического управления процессом.
Автоматизация лазерного термического упрочнения изделий из сталей типа 40X13, У8, 4Х5МФС, Х12М представляет собой самостоятельную научно-техническую проблему, связанную с обоснованием методов и технических средств управления режимами лазерного термического воздействия в реальном режиме времени с заданной точностью.
Анализ различных вариантов решения этой проблемы показывает, что наиболее перспективным направлениями являются контроль за ходом технологического процесса путем измерения температуры в зоне обработки, создание условий для обеспечения требуемых скоростей нагрева и охлаждения зоны взаимодействия, времени выдержки и введении в систему управления автоматизированного лазерного технологического комплекса обратных связей для управления параметрами технологического процесса.
Дня этого необходимо провести анализ влияния на твердость технологических параметров с помощью математических моделей, разработать и исследовать структуру системы автоматического управлення автоматизированного лазерного технологического комплекса для лазерного упрочнения.
В отличие от упрочнения чугунных форм для литья стеклотары, кромок штампов из сталей типа Х12М, инструментов из сталей типа Р6М5 и др., где допускается оплавление поверхности и последующая подшлифовка, а потому, определяющими требованиями при разработке методов исследований и технических средств автоматизации термического упрочнения указанных выше изделий из стали 40X13 является;
- возможность предварительного расчета и анализа температурных полей в зоне пятна лазерного воздействия на основе математических моделей;
- возможность анализа влияния параметров процесса на формирование структуры и твердости поверхности с использованием регрессионных моделей;
- создание базы данных о технологических параметрах лазерного термического упрочнения различных материалов;
- обеспечение системой управления коррекции скорости координатных перемещений и других параметров с использованием информации о температуре в контуре обратной связи.
Существующие вычислительные модели температурных полей имеют сложные математические зависимости с большим количеством переменных, или используют приближенные аналитические выражения. Это приводит к увеличению погрешностей в формировании управляющих воздействий на исполнительные устройства, так как при этом не учитываются особенности обрабатываемого материала. Вычислительная модель лазерного термоупрочнения необходима для предварительной оценки влияния режимов нагрева и охлаждения, а сочетание контактных и бесконтактных методов измерения температур позволяет найти достоверные режимы обработки материалов и необходимые управляющие воздействия. В этой связи актуальной задачей является создание методик определения значений параметров технологического процесса лазерного упрочнения по заданным требованиям и условиям эксплуатации детали.
Объектом исследования диссертации является технологический процесс лазерного термического упрочнения деталей, воспринимающих высокие контактные нагрузки в условиях износа и истирания в агрессивных средах, к которым предъявляются высокие требования по твердости, классу шероховатости и коррозионной стойкости.
К настоящему времени накоплен значительный производственный опыт, выявлены важные закономерности процесса, однако существует явное противоречие между темпами развития лазерной техники и темпами разработки высокоэффективных процессов ввиду отсутствия возможности количественной оценки влияния параметров лазерного излучения на изменение структуры и свойств обрабатываемых изделий, что отрицательно сказывается на масштабах освоения лазерного термического упрочнения в промышленности.
Целью исследования является повышение эффективности управления лазерным термическим упрочнением, которое выражается в сокращении времени настройки и коррекции параметров процесса, повышении точности управления, в том числе, в условиях неопределенности и влияния внешних возмущений.
Актуальность работы определяется экономической целесообразностью внедрения лазерного термического упрочнения для широкой номенклатуры изделий, воспринимающих высокие нагрузки на острых лезвиях, на кромках вырубных штампов, на выступах формообразующих деталей пресс-форм, штампов, прессующих пуансонов и др., изготавливаемых из сталей ферритно-мартенситного класса (40X13) на основе расширения возможностей системы управления автоматизированным лазерным технологическим комплексом,
Процесс лазерного термического упрочнения сопровождается сложными физико-механическими явлениями: нагревом и охлаждением, возникающими термическими напряжениями, протеканием пластических деформаций, смещением равновесных температур фазовых превращений, качественным изменением механизма и кинетики процессов образования и взаимодействия фаз, Формирование структур при ЛТУ происходит из сильнонеравновесных состояний, поэтому разработка математических моделей оценки влияния отдельных параметров лазерного излучения, выбор структуры системы управления лазерного технологического комплекса, а также разработка методик моделирования и оценки состояния обрабатываемого материала составляют новую научную задачу, имеющую практическое значение.
Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:
- выполнить обзор научно-технических материалов и установить закономерности формирования структуры и свойств легированных сталей из сильнонеравновесных состояний, индуцированных лазерным излучением;
- разработать методику исследования и алгоритм автоматического управления процессом лазерного термического упрочнения;
- провести математическое моделирование;
- исследовать зависимости твердости и глубины зоны поверхностного упрочнения от параметров лазерного излучения на основе регрессионной модели;
- разработать состав и структуру системы управления;
- разработать указания по формированию базы данных и практическому использованию результатов исследований при автоматизации процесса лазерного термоупрочнения изделий для придания им более высокого уровня эксплутационных свойств.
Предмет исследования диссертации составляют экспериментальные и аналитические зависимости твердости от режимов лазерного упрочнения, обоснование управления с использованием информации о температуре по пятну нагрева в контуре обратной связи.
Решение задач, поставленных в диссертации, основывается на методах исследования и моделирования лазерных технологических систем, математического моделирования динамических систем, теории планирования эксперимента, положениях теории автоматического управления с использованием научных достижений отечественных и зарубежных ученых: ЕЛ. Попова, В.А. Бесекерского, Е.И. Хлыпало, ЕЛ. Чубарова, AT. Григорьянца, А.А. Углова, Н.Н. Рыкалина, B.C. Коваленко, В.В, Новикова, В Л. Бродягина, В.В, Звездина, Дж. Бека и др.
Научная новизна диссертации состоит в разработке методики исследования и алгоритма автоматического управления экспериментом (аналитическим и натурным), в обосновании режимных параметров лазерного излучения и автоматизации управления упрочнением лезвийного инструмента с использованием информации о температуре в контуре обратной связи путем коррекции скорости координатных перемещений.
На защиту выносятся следующие результаты:
- методика исследования процесса лазерного термического упрочнения;
- закономерности формирования температурных полей в зоне фокального пятна в зависимости от режимов лазерного излучения;
- регрессионная моделв лазерного термического упрочнения;
- режимные параметры лазерного термического упрочнения изделий из стали 40X13;
- алгоритм автоматического управления лазерным термическим упрочнением;
- структура системы управления автоматизированного лазерного технологического комплекса.
Обоснованность и достоверность научных резулвтатов определяется корректным использованием математических моделей и физических законов, теории планирования экспериментов, основных положений теории автоматического управления, соответствием результатов аналитических расчетов экспериментальным зависимостям, положительным опытом внедрения результатов исследований при проектировании и создании систем управления промышленными комплексами для лазерного термического упрочнения.
Практическая полезность работы состоит в сокращении времени и трудовых затрат на создание систем управления, на обоснование и выбор режимных параметров, а также в стабильном повышении твердости при сохранении качества поверхности упрочняемых изделий, в создании исследовательского лазерного технологического комплекса, который используется в учебном процессе и в научных исследованиях. Разработанная методика исследования и алгоритм автоматического управления процессом лазерного термического упрочения лезвийного инструмента внедрены в научно-производственном центре «ИНОР» г. Королев. Отдельные результаты и рекомендации использованы также в ОАО «Труд» п. Вача, ООО «Судогодский текстиль», 000 «Пресс-кристалл» г. Владимир (прил. А).
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались па 8 научно-технических конференциях. В их числе конференции по проблемам исследования лазерных технологических процессов и создания автоматизированных лазерных технологических комплексов: «Лазерная технология и средства ее реализации -97» (г. Санкт-Петербург, 1997); VII Международная конференция ILLA-2001 «Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и применение» (г. Суздаль, 2002); Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективы развития лазерных технологий» (г. Владимир, 2005), 3-я научно-техническая конференция «Мехатроника, автоматизация, управление» (г. Санкт-Петербург, 2006), По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, одна из работ опубликована в издании, включенном в список рекомендованном ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения» пяти глав, заключения, библиографического списка из 147 наименований. Объем диссертации составляет 157 страниц машинописного текста, 41 рисунок, 23 таблицы, 2 приложения.
Структурно-фазовые превращения в сталях при лазерном нагреве
Закономерности фазовых превращений при лазерном нагреве представляют значительный научный и практический интерес. Хотя в научно-технической литературе этому аспекту проблемы уделяется большое внимание [31 - 71], до конца не изученными остаются вопросы, связанные со сдвигом критических точек, с концентрационными и энергетическими флуктуациями, вне поля зрения исследователей остаются возможные синергетические эффекты и сильнонеравновесные состояния.
Принципиальное отличие процессов, протекающих при лазерной термообработке, состоит в том, что в условиях высоких скоростей нафева до 103...105 К/с и высоких скоростей охлаждения более 103 К/с термодинамика равновесных состояний не может объяснить целый ряд новых эффектов и закономерностей.
Так, например, известно, что превращение аустенита в перлит при медленном нагреве протекает в несколько стадий [36, 37, 72, 73]. Сначала в зернах феррита протекает полиморфное ач у - превращение. Как всякое физическое явление оно протекает при строго определенной температуре и, что важно отметить, это превращение зависит исключительно от кристаллогеометрического соответствия старой и новой фаз. В этом смысле начало превращения перлита в аустенит или феррита в аустенит подобно мартенситному превращению, так как на лицо бездиффузионный характер и перестройка решетки, когда атомы перемещаются на расстояния меньше межатомных. Отличие в том, что мартенситное превращение идет в условиях непрерывного охлаждения, в то время как образование аустенита может происходить и при постоянной температуре. Но именно это отличие и наводит на предположение, что кристаллогеометрическое соответствие может быть достигнуто двумя путями; изменением температуры, когда конкурирующие фазы в силу различий в коэффициентах термического расширения с разной скоростью изменяют свои размеры, или сжатием (растяжением) решетки, В случае мартенситного превращения непрерывное охлаждение снижает уровень сжимающих напряжений, в то время как образование аустенита идет с уменьшением объема. Наложение сжимающих напряжений при нагреве, как показано в работах [71, 74] приводит к снижению температуры начала полиморфного превращения.
На возможность снижения этой температуры в условиях лазерного нагрева обращается внимание и в работе [1]. Интенсивный нагрев не создает необходимых интервалов времени для релаксации внутренних напряжений, поэтому в отличие от равновесного состояния реальный интервал критических температур может пройти без изменения плотности дефектов строения, без снижения внутренних напряжений. Такое состояние характеризуется более высоким уровнем свободной энергии, поэтому точка пересечения кривых свободных энергий перлита (феррита) и аустенита будет смещаться в область более низких температур. Это актуально для упрочнения сталей с высоким содержанием хрома, который как известно [72, 73, 122], расширяет а-область железа, что приводит к повышению критических температур Асі и Асз, в результате область допустимых температур нагрева суживается, а требования к регулированию температуры ужесточаются.
Вместе с тем природа упрочнения материалов при лазерном облучении связана не только с образованием закалочных структур. Приведенные в работах [31-70] данные о термоупрочнении материалов различного состава - чугунов [31-35], сталей [1, 3, 8, 17, 27, 36-47], штамповых [21, 27, 48] и быстрорежущих сталей [28, 49-64], мартенситно-стареющих сплавов [65], твердых сплавов [66-68], а также алюминиевых сплавов [69, 70] и др. металлов и неметаллов [70], свидетельствуют о наличии другой составляющей упрочнения, вероятно, связанной с повышением плотности дислокаций. Об этом говорит и тот факт, что лазерно-термическое упрочнение обеспечивает, как правило, более высокий уровень твердости по сравнению с обычной закалкой. Отсюда открываются возможности для использования лазерной обработки после объемной закалки, тем более, что отмеченное в работе [71] поведение упрочняющих фаз и углерода наводит на предположение о том, что структурно-фазовые превращения при интенсивном нагреве протекают по качественно иной кинетике.
Следует также обратить внимание и на тот факт, что в работах [75 - 82] с высокими скоростями нагрева при лазерной обработке связано формирование внутренних сжимающих напряжений. Там же показано, что на стадии охлаждения в тех же поверхностных слоях формируются растягивающие напряжения, ответственные за образование трещин, как следствие протекания пластических деформаций под влиянием сжимающих напряжений. Особую опасность растягивающие напряжения представляют, когда нагрев осуществляется с оплавлением.
Можно сослаться на ряд работ [1, 41, 83, 84], в которых структура и свойства сталей после лазерного термического упрочнения связаны с пластическим деформированием, с увеличением плотности дислокаций. Деформирование структуры при облучении лазером, работающим в режиме модулированной добротности при плотности q & 10 .-.10 Вт/м импульсами длительностью (20...10)10-9 с, сравнивается по интенсивности процессов с обработкой электронным лучом, ионной бомбардировкой, взрывным воздействием [1].
Таким образом, обработка лазером, в отличие от других видов нагрева, представляет собой сложный термомеханический процесс, в котором пластическое деформирование металла может оказывать влияние не только на положение температур фазовых переходов, но и на сам механизм этих переходов.
Так, в работах [85-89] установлено перераспределение углерода и легирующих элементов- Феномен массопереноса под влиянием лазерного облучения также как и снижение температур фазовых превращений, вероятно, может быть связан со сдвиговыми деформациями в кристаллической решетке, с влиянием градиента напряжений на вытеснение атомов от поверхности вглубь материала.
Характерно, что явление массопереноса противоречит диффузии [107], движущей силой которой является, как известно, градиент концентраций.
Уместно отметить, что ошибочность представлений о запаздывании фазовых превращений при лазерном нагреве именно в том, вероятно, и состоит, что образование аустенита рассматривается точно так же как в условиях медленного печного нагрева, когда перераспределение углерода между аустенитом и цементитом происходит по законам диффузии. Известно, что гомогенизация, нормализация, отжиг требуют длительной выдержки при температурах на 100...200 К сз- Следуя основным положениям современных синергетических теорий [90-94], вправе предположить, что синергетический эффект совместного влияния высоких температур, напряжений и пластических деформаций проявляется в том, что в сущности те же самые фазовые превращения и структурные изменения протекают по качественно отличной кинетике. Если в условиях медленного нагрева и выдержки при температуре 1000С образование аустенита в стали происходит в течение нескольких часов, при лазерном нагреве до той же температуры аустенизации может произойти в течение десятых - сотых долей секунды. Аналогичный эффект зафиксирован при испытании штамповых сталей на разупрочнение, когда в условиях совместного воздействия контактных и термических напряжений снижение твердости от 45 HRC до 30 HRC при температуре нагрева до 600 С происходило за 1...2 с, в то время как в условиях изотермической выдержки при этой температуре то же самое снижение твердости в стали 4Х5МФС происходит в течение 2...3 часов [71].
Аналитическое решение задач теплопроводности при лазерном термическом упрочнении
Теплоотдача с поверхности существенным образом влияет па температурное поле в твердом теле в тех случаях, когда разогретая до высоких температур область значительна по своей протяженности или сопоставима с общими размерами тела. В этих случаях при расчете тепловых процессов необходимо учитывать поверхностную теплоотдачу с соответствующими граничными условиями.
Лазерное термоупрочнение в большинстве случаев осуществляется на локальных участках тела [1, 7]. Область разогрева до высоких температур при этом мала по сравнению с размерами тела. Теплоотвод от обрабатываемого лазером поверхностного участка осуществляется в основном в окружающие объемы металла вследствие теплопроводности. В этих условиях тепловой поток с нагретой поверхности вследствие теплоотдачи относительно мал и в инженерных расчетах им можно пренебречь.
Следующий параметр, зависящий от температуры - теплота фазовых переходов. При температуре полиморфного превращения и при температуре плавления в чистых металлах поглощается или выделяется скрытая теплота. В сплавах теплота фазовых переходов выделяется в интервале температур, что приводит к проявлению особенностей поведения тешюфизических параметров в интервале перехода. Учет теплоты фазовых переходов приводит к необходимости решения нелинейной задачи, которая называется задачей типа Стефана [109]. Решение дифференциального уравнения теплопроводности с учетом задачи Стефана приводит к уточнению температурных полей вблизи фазовых переходов.
Известно, что в большинстве случаев при решении инженерных задач оценку тепловых процессов лазерного термоупрочнения металлов при нагреве до температур Т Т1и можно производить без учета скрытой теплоты полиморфных превращений [7].
Дифференциальное уравнение теплопроводности (2.1) связывает частные производные температуры по времени и координатам. Однозначное решение может быть выполнено только лишь рассмотрением дифференциального уравнения совместно с краевыми условиями. Под краевыми условиями понимают начальное распределение температуры в теле и граничные условия в виде условий теплообмена на границах тела.
Начальное распределение температуры должно быть задано во всем объеме рассматриваемого тела в начальный момент времени г= 0:
В большинстве практических случаев лазерного термоупрочнения в начальный момент времени т = 0 температура по объему тела может быть принята постоянной и равной 71), т. с. температуре окружающей среды. Процесс распространения теплоты обусловливается действием внешнего источника теплоты в виде заданного распределения плотности мощности теплового источника на поверхности тела и внутреннего источника в виде теплоты фазовых переходов.
Граничные условия выражают тепловой обмен на границах тела с окружающей средой. Если рассматривать тело неограниченных (бесконечных) размеров, то процесс распространения теплоты во всем его объеме подчиняется уравнению теплопроводности. Для таких тел с неограниченной областью распространения теплоты удобнее и проще получать решения дифференциального уравнения теплопроводности. Но реально обрабатываемые тела всегда ограничены по размерам. Несмотря на это обстоятельство в целом ряде случаев, когда рассматривается локальный процесс распространения теплоты вдали от границ тела, можно с успехом использовать для анализа температурных полей простые решения, полученные для тела неограниченных размеров.
Лазерное термоупрочнение зачастую используется именно с целью локальной обработки деталей, когда края этой детали практически не нагреваются. Иначе говоря, границы при этом не искажают тепловые процессы в зоне обработки и они достоверно описываются результатами расчетов, полученных для неограниченных тел, В остальных случаях, когда границы тела влияют на характер распространения теплоты в зоне обработки необходимо вводить граничные условия. При решении различных задач теплопроводности используются разнообразные типы граничных условий. Граничные условия могут быть заданы в виде температуры поверхности тела, удельного теплового потока через поверхность тела, теплообмена на границе со средой заданной температуры. Последний тип граничного условия наиболее приемлем при решении задач лазерного термоупрочнения деталей, осуществляемого в условиях теплоотдачи с поверхности тела в окружающую среду (23), Математически это граничное условие выполняется добавлением в правую часть дифференциального уравнения теплопроводности (2Л) или (2.2) члена, содержащего [-ат(Т - Го)], учитывающего теплоотдачу с граничных, т. е. поверхностных, участков тела, Введение в расчеты граничных условий значительно усложняет решение дифференциального уравнения теплопроводности.
Задачи теплопроводности в более общей и точной формулировке учитывают характер изменения тепло физических свойств материала в условиях быстрого нагрева и охлаждения при лазерной обработке. Это приводит к необходимости решения нелинейного дифференциального уравнения теплопроводности. Решения задач еще более усложняются при учете механизма взаимодействия лазерного излучения с материалом вследствие зависимости поглощательной способности от температуры, что также дополнительно вносит нелинейность в дифференциальное уравнение теплопроводности. И наконец, использование в общем случае нелинейных граничных условий, зависимых от температуры поверхностных участков, также привносит в решение уравнения теплопроводности значительные трудности.
В теории теплопроводности отсутствуют общие методы точного решения задач с учетом указанных нелинеиностеи. Поэтому используют различные приближенные методы решения на основе аналитических представлений, численных методов, принципов моделирования, статистических методов и др. [111].
Приближенные аналитические методы позволяют учесть некоторые нелинейности теплофизических свойств, ограниченные размеры тела и др. Используются разнообразные методы, основанные на линеаризации, введении специальных функций, методы интегральных преобразований и др. В целом приближенные аналитические методы применяют в относительно простых случаях, при решении модельных задач, для установления качественных зависимостей в упрощенных случаях лазерной обработки. В более важных практических случаях эти методы требуют значительного объема вычислений и реализуются на ЭВМ [112].
Из численных методов расчета для решения задач нелинейной теплопроводности широко применяют метод конечных разностей, метод конечных элементов, метод релаксаций, метод прямых и др. Среди них наиболее распространенными в теории теплопроводности являются метод конечных разностей и метод конечных элементов, основанные на преобразовании дифференциальных уравнений к системе алгебраических, [113].
Моделирование процесса взаимодействия лазерного излучения с упрочняемым материалом
Причина здесь состоит в различии теплофизических и свойств, и предугадать влияние этих различий на твердость и глубину упрочненного слоя, без выполнения соответствующих расчетов, не представляется возможным.
Анализ температурных явлений при лазерном термическом упрочнении следует рассматривать как необходимый этап в разработке процесса в целом. При создании систем управления температура может рассматриваться в качестве выходного параметра, значение которого можно использовать в контуре обратной связи для стабилизации энергетического воздействия на обрабатываемый материал.
Моделирование температурных процессов предоставляет наглядную информацию о распределении температур в окрестности фокального пятна по трем координатным осям на стадиях нагрева и охлаждения; выделяя зоны критических температур, можно визуально оценивать распространение зон термического влияния и при этом, не прибегая к трудоемким натурным экспериментам, определять ограничения на плотность мощности, продолжительность импульса, диаметр фокального пятна, исключающие ухудшение состояния поверхности или недостаточное упрочнение. На этапе обоснования режимов лазерного нагрева результаты моделирования позволяют решать следующие вопросы: находить оптимальное сочетание скорости перемещения стола, длительности импульса, плотности мощности, при которых исключается оплавление поверхности; определять протяженность зоны термического влияния при фиксированных значениях параметров излучения; находить сочетание параметров излучения и скорости координатных перемещение обеспечивающих заданную глубину зоны упрочнения. Для практического использования результатов моделирования необходимо расчетные зависимости (рис. 3.7, 3.8) сопоставить с распределением твердости по толщине упрочненного слоя, оценить в условиях реального технологического процесса возможность достижения стабильно высоких результатов упрочнения. Выводы 1. Анализ температурных явлений при лазерном термическом упрочнении следует рассматривать как необходимый этап в разработке процесса в целом. При создании систем управления температура как важнейший параметр, определяющий состояние обрабатываемого материала, может рассматриваться в качестве выходного параметра, значение которого в контуре обратной связи можно использовать для стабилизации энергетического воздействия на обрабатываемый материал в переходных режимах, 2. Выполненные численные расчеты распределения температур в зоне лазерного воздействия в зависимости от мощности, скорости координатного перемещения, продолжительности импульса, радиуса пятна позволяют установить пределы варьирования переменных параметров и представить зависимость температуры в центре пятна контакта как функцию от скорости в виде полинома 1 -ой степени, которую можно использовать в системе управления лазером, 3. Моделирование температурных процессов предоставляет пользователю наглядную информацию о распределении температур в окрестности фокального пятная по трем координатным осям на стадиях нагрева и охлаждения; выделяя зоны критических температур можно визуально оценивать распространение зон термического влияния и при этом, не прибегая к трудоемким натурным экспериментам, определять ограничения на плотность мощности, продолжительность импульса, диаметр фокального пятна, SI исключающие ухудшение состояния поверхности или недостаточное упрочнение. 4. На данном этапе, ввиду отсутствия аналитических решений, моделирование тепловых процессов дает качественную информацию о сложных взаимосвязях между параметрами процесса, позволяет осуществить выбор значений мощности, радиуса фокального пятна и скорости координатных перемещений из наиболее благоприятной области значений для формирования термически упрочненной зоны на глубину 0,25. .,0,3 мм.
Экспериментальное исследование режимов лазерного термического упрочнения изделий из стали
Когерентность лазерного излучения, возможность точной фокусировки, быстрого перемещения и изменения мощности лазерного пучка обеспечивают локальность и прецизионность обработки, высокую производительность и возможность обработки различных материалов, что в условиях конкуренции выдвигает лазерную обработку в число наиболее прогрессивных технологических процессов.
Для успешного освоения данного вида обработки в промышленных масштабах лазер необходимо использовать в составе технологического оборудования. Такое оборудование должно отвечать как: общим требованиям, предъявляемым к производственному оборудованию, так и специальным требованиям, обеспечивающим защиту персонала от лазерного излучения.
Лазерные технологические комплексы как отечественные, так и зарубежные представляют собой дорогостоящее оборудование, поэтому экономическая целесообразность использования лазерной технологии должна быть обоснована комплексно с учетом конъюнктуры рынка на ближнюю и отдаленную перспективу.
В исследованиях лазерных процессов наблюдается значительное отставание и причина здесь в высокой сложности, дороговизне и трудоемкости проведения исследований. По этой причине многие пользователи идут по пути эмпирического подбора режимных параметров без должного научно-технического обоснования.
В свою очередь и разработчики лазерной техники в целях снижения и без того высокой стоимости осуществляют поставку оборудования с минимальной комплектацией и оснащением контрольно-измерительной и регулирующей аппаратурой, что также ограничивает возможности для отработки технологий.
К тому же в условиях формирования рыночных отношений приобретение лазера не под силу даже крупному предприятию. Поэтому малые и средние предприятия в интересах освоения более конкурентоспособной продукции вынуждены брать такое оборудование в лизинг или идти по пути создания холдинговых компаний и приобретать оборудование за счет консолидированных средств.
Однако приобретение лазера еще не означает его использование. Как раз на этом этапе освоения сложной техники у предприятий и возникают трудности, связанные с обоснованием технологических параметров. Предложенный в данной диссертационной работе регрессионный анализ позволяет существенно сократить объем поисковых исследований, однако более радикальным решением проблемы эффективного использования лазерного оборудования является разработка и создание исследовательских лазерных технологических комплексов.
Уместно отметить, что многие фирмы, специализирующиеся на использовании лазерных технологий, идут по пути создания собственных исследовательских лабораторий, в которых, в целях быстрого освоения тех или иных заказов, проводят экспресс-анализ опытных образцов в основном на твердость по Роквеллу и таким образом, не вдаваясь в анализ зависимостей и наиболее общих закономерностей, решают чисто производственные проблемы. В результате большой объем ценной информации, пласты исследовательского материала проходят через руки специалистов без всякой пользы. Сложившаяся ситуация не способствует прогрессу в продвижении лазерных технологий. Поэтому создание на базе кафедры университета исследовательского комплекса может способствовать разрешению вышеперечисленных проблем, причем механизм использования таких комплексов может быть разным: от создания центров коллективного пользования уникальным оборудованием до создания совместных предприятий, в которых университет принимает непосредственное участие в производстве продукции.
Для целей поверхностиого упрочнения СИЛЬНЫХ изделий на твердость 65.-,70 HRC с глубиной закаггенного слоя в пределах до 30..30 жм используются как твердотельные, так и газовые лазеры с диапазоном мощности OTO,5,.JT5 КВТ.
С учетом результатов вьшолкешшх исследований в качестве базового оборудования для создания комплекса {рис. 5.1) и системы автоматизированного управления лазерного термического упрочнения деталей выбрав отечественный технологический модуль ї\ «Тулам&пізавод» (ї\ Тула}.
