Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение стойкости металлорежущего инструмента является актуальной проблемой машиностроения, что обусловлено широким использованием новых конструкционных материалов с особыми физико-механическими свойствами. Разнообразие инструментальных материалов и новых технологий упрочнения требует нетрадиционных подходов к его эффективному применению. К таким технологиям, в первую очередь, относятся физико-химические методы модификации структуры инструментальных материалов, включая процесс упрочняющей лазерной обработки (ЛО).
Несмотря на достигнутые успехи в изучении процессов обработки материалов упрочненным инструментом, современная промышленность не располагает конкретными и обоснованными рекомендациями по использованию упрочняющих методов и комплексными методиками выбора режимов упрочняющей обработки высококонцентрированными потоками энергии (ВКПЭ). Это не позволяет полностью реализовать потенциальные возможности большинства высокоэффективных упрочняющих технологий в конкретных условиях машиностроительного производства и препятствует их широкому промышленному использованию.
Многообразие применяемых инструментальных и обрабатываемых материалов и номенклатуры режущих инструментов (РИ) обуславливает необходимость разработки обобщающего, комплексного подхода к технологическому процессу обработки упрочненным инструментом, основанного на всестороннем анализе факторов, оказывающих влияние на его стойкость, оптимизации режимов его эксплуатации с учетом режимов упрочнения и влияния свойств обрабатываемого материала на изнашивание инструмента и направленного на снижение / регулирование характеристик процесса изнашивания РИ, повышение его стабильности для достижения высоких эксплуатационных показателей.
На основании вышеизложенного можно заключить, что обеспечение высокого качества изготовления металлорежущего инструмента, его эксплуатационных характеристик; создание теоретической базы, определяющей направления развития технологии лазерного упрочнения и области преимущественного ее использования; разработка обоснованных методик проектирования технологических процессов лазерного упрочнения и обработки упрочненным инструментом; научно обоснованных требований к характеристикам лазерного излучения (ЛИ) для эффективного решения задач упрочняющей импульсной обработки металлорежущего инструмента, потребности рынка лазерных технологий (ЛТ) в создании специализированного оборудования для упрочняющей ЛО обуславливают актуальность работы.
Целью работы является повышение эффективности упрочняющей импульсной лазерной обработки металлорежущего инструмента на базе комплексных теоретических и экспериментальных исследований закономерностей про-
цессов формирования требуемых свойств поверхностного слоя инструмента и их взаимосвязи с процессами резания и упрочнения.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:
-
Исследовать закономерности формирования температурного поля при упрочнении РИ импульсным лазерным излучением с учетом геометрических параметров инструмента и пространственных, временных и энергетических характеристик ЛИ;
-
Разработать методологический подход к оценке эффективности поверхностной упрочняющей обработки металлорежущего инструмента; выявить новые качества, присущие процессу резания упрочненным РИ, рассматриваемому как система, определить степень их влияния на стойкость упрочненного инструмента;
-
Создать математическую модель процесса резания инструментом, упрочненным импульсным ЛИ, разработать рекомендации по его использованию;
-
Разработать и развить модельные представления о роли окисных пленок поверхности зоны Л О быстрорежущих сталей в процессе изнашивания РИ;
-
Исследовать процесс изнашивания инструментальных материалов при различных условиях нагружения и режимах упрочняющей ЛО и трибологические характеристики зоны контакта инструментального и обрабатываемого материалов. Обобщить результаты лабораторных и производственных испытаний упрочненного РИ;
-
Исследовать механизм лазерного импульсного упрочнения твердых сплавов вольфрамокобальтовой группы и проанализировать основные факторы, определяющие изнашивание упрочненного твердосплавного инструмента; выбрать и обосновать режимы эксплуатации, обеспечивающие рост стойкости инструмента;
-
Разработать научно-обоснованные рекомендации по технологии лазерного упрочнения и эксплуатации РИ.
Научная новизна работы:
-
Разработана модель расчета температурного поля в режущем клине инструмента, учитывающая влияние геометрических параметров инструмента и пространственных и временных характеристик ЛИ.
-
Предложена, обоснована и развита новая методология моделирования и анализа эффективности упрочняющей обработки ВКПЭ, в частности импульсным ЛИ.
-
Построены математические модели, описывающие функциональную связь стойкости и силовых зависимостей упрочненного инструмента, как с режимами резания, так и с режимами упрочняющей ЛО.
-
Установлено наличие устойчивых связей между элементами процесса резания упрочненным РИ, рассматриваемого как система, и нелинейных эффектов, оп-
ределяющих неаддитивный вклад в изменение стойкости инструмента режимов резания и упрочнения.
5. Показано, что для достижения наибольшего положительного эффекта при уп
рочнении необходимо ЛО осуществлять с учетом конкретных режимов эксплуа
тации инструмента. Определены режимы облучения и эксплуатации, при кото
рых достигается его наибольшая стойкость.
-
Определены характеристики многокомпонентных оксидных пленок на поверхности зоны лазерного воздействия (ЗЛВ) быстрорежущих сталей, определена их роль в формировании трибомеханических свойств поверхности.
-
Установлен и экспериментально подтвержден механизм повышения стойкости упрочненного ЛИ инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей, в условиях высокой термодинамической напряженности процесса резания, связанный со способностью остаточного аустенита после ЛО превращаться в мартенсит деформации.
-
Установлен основной механизм лазерного импульсного упрочнения твердых сплавов вольфрамокобальтовой группы, заключающийся в дополнительном растворении периферии зерен WC в кобальтовой связующей фазе и перераспределении Co-фазы сплава к поверхности материала.
Практическая ценность.
-
Разработан комплекс требований к характеристикам ЛИ, обеспечивающий оптимальную структуру и свойства поверхностного слоя инструментальных материалов для эффективного решения задач импульсной упрочняющей ЛО металлорежущего инструмента;
-
Создана специализированная лазерная технологическая установки (ЛТУ), удовлетворяющая разработанному комплексу требований к характеристикам ЛИ и предназначенная для эксплуатации в производственных условиях. Специализированная ЛТУ успешно эксплуатируется в СФ ФИАН и на ряде машиностроительных предприятий.
-
Разработаны методики выбора технологических параметров процесса импульсного лазерного упрочнения РИ различного назначения и номенклатуры.
-
Предложенные технические решения по реализации метода лазерного упрочнения твердосплавного инструмента, защищенные авторскими свидетельствами, и основанные на них технологии многократного импульсного упрочнения и комбинированной упрочняющей ЛО с подогревом реализованы на производстве.
-
Разработанные технологические процессы лазерного упрочнения и эксплуатации РИ используются на производстве при обработке труднообрабатываемых материалов.
-
Изложенные в диссертации результаты могут быть использованы в учебном процессе для подготовки студентов по специальностям 150206 - Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов, 151001 - Техно-
логия машиностроения, 151003 - Инструментальные системы машиностроительных производств.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Модель расчета температурного поля в режущем клине инструмента, учитывающая влияние геометрических параметров инструмента, пространственных и временных характеристик ЛИ.
-
Новый методологический подход к оценке эффективности поверхностной упрочняющей обработки металлорежущего инструмента.
-
Математические модели, описывающие функциональную связь стойкости и силовых зависимостей упрочненного инструмента, как с режимами резания, так и с режимами его лазерной обработки.
-
Механизм влияния многокомпонентных пленок оксидов металлов поверхности ЗЛВ быстрорежущих сталей на формирование трибомеханических свойств поверхности и интенсивность изнашивания упрочненного РИ.
-
Механизм повышения стойкости упрочненного ЛИ инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей, в условиях высокой термодинамической напряженности процесса резания.
-
Механизм лазерного импульсного упрочнения твердых сплавов вольфрамо-кобальтовой группы.
-
Специализированная ЛТУ, предназначенная для эффективного решения задач упрочняющей обработки металлорежущего инструмента, обеспечивающая термический цикл облучения поверхности с выдержкой на заданном уровне не менее 14мс, степень неравномерности распределения плотности энергии по сечению лазерного пучка не более ±5% и максимальную энергию в импульсе ~ 50Дж.
-
Научно-обоснованные рекомендации по технологии лазерного упрочнения и эксплуатации РИ.
Достоверность полученных результатов подтверждается реализацией разработанных рекомендаций по технологии лазерного упрочнения и эксплуатации РИ в производственных условиях, использованием современных апробированных методик анализа материалов, корректностью обработки и воспроизводимостью результатов экспериментальных исследований, совпадением результатов модельных и натурных испытаний, результатами производственных испытаний упрочненного инструмента.
Личный вклад автора диссертации. Автором лично осуществлена постановка задач, разработан и обоснован новый методологический подход к оценке эффективности поверхностной упрочняющей обработки металлорежущего инструмента, на его основе выполнен комплекс металлофизических исследований, построены модели процесса резания упрочненным РИ, обоснованы модели и механизм изучаемых физических явлений и процессов, установлена взаимосвязь изучаемых физических и механических явлений, разработаны методики опреде-
ления технологических параметров процесса лазерного упрочнения РИ, предложены технические решения, на основе которых создана экспериментальная ЛТУ для упрочняющей обработки металлорежущего инструмента, предложенные технологии лазерного упрочнения реализованы на ряде машиностроительных предприятий.
Апробация результатов исследования. Основные результаты и выводы диссертационной работы были представлены и докладывались на более чем двадцати международных и всероссийских конференциях и семинарах: Шатура (1995, 1998), Тула (1997), Пушкинские горы (1997), Рыбинск (1999-2 доклада, 2000 - 2 доклада), Сочи (2000), Владимир - Суздаль (2001-2 доклада), Самара (2002, 2004, 2005, 2009), Тольятти (2003), Томск (2004, 2007 - 2 доклада), Миасс (2005, 2006), С.-Петербург (1997, 2006), Москва (2008), Киев (2008), а также семинарах СФ ФИАН, заседаниях кафедры «Инструментальные системы и сервис автомобилей». В полном объеме диссертация заслушана и обсуждена на объединенном заседании кафедр факультета МТ МГТУ им. Н.Э. Баумана (2008), на заседании научно - технического семинара «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» УлГТУ (2009), Ученом совете СФ ФИАН (2010), расширенном заседании кафедры «Инструментальные системы и сервис автомобилей» факультета машиностроения и автомобильного транспорта СамГТУ (2010).
Разработанные технологические процессы лазерного импульсного упрочнения металлорежущего инструмента были представлены: на Ш-ей Приволжской ярмарке «Российским инновациям - Российский капитал» (Самара, 2005), на выставке «Достижения промышленности Самарской области (Самара, 2007), на 3-ей и 5-ой международных специализированных выставках лазерной, оптической и оптоэлектронной техники «Фотоника - 2008» и «Фотоника -2010» (Москва, 2008, 2010), Российской национальной выставке в Индии (Дели, 2008).
Работа выполнялась в рамках тем, утвержденных Президиумом РАН, планов НИР СФ ФИАН: «Исследование процессов плавления, структурно-фазовых превращений и напряженно-деформированного состояния металлов под действием импульсного лазерного излучения миллисекундной длительности, разработка новых методов упрочняющей обработки и сварки металлов и сплавов», № государственной регистрации 01200102184 (1999 - 2003гг.), «Исследование структуры и свойств сталей и сплавов при воздействии мощного лазерного излучения, разработка новых технологических процессов лазерной обработки материалов», № государственной регистрации 01200502891 (2005 - 2007гг.).
Исследования по теме диссертационной работы проводились при поддержке ФЦП «Интеграция» (1997 - 2004гг.), были поддержаны грантом РФФИ №06-08-01376-а «Лазерно индуцированные пленки оксидов металлов и их контроль с помощью поверхностных плазмонов» (2006-2007гг.). По тематике диссертации в 2006 году был получен грант Администрации Самарской области в рамках региональной программы по поддержке науки и техники (Постановление Губер-
натора Самарской области от 20.09.2006г. №223).
Результаты диссертационной работы опубликованы в 69 работах, включая 2 монографии, 19 статей из Перечня ВАК, 17 статей в иных изданиях, 6 авторских свидетельств и 7 докладов и 18 тезисов докладов в трудах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, приложений и списка литературы. Работа изложена на 421 странице текста, включая 143 рисунка, 32 таблицы и список литературы из 457 наименований. 19 приложений размещено на 69 страницах.
