Введение к работе
Актуальность работы. При производстве изделий из пластмассы и стекла, используются литьевые пресс-формы.
В наиболее тяжелых условиях работы находятся формы для литья стек-лоизделий. Стеклоформы изготавливают из специального серого чугуна как наиболее оптимального материала по его теплофизическим характеристикам и взаимодействию с расплавленной стекломассой.
Стеклоформы являются основными деталями, характеризующими формовой комплект для литья стеклоизделий. Процесс формования стеклоизде-лий выполняется в два этапа. Капля расплавленного стекла попадает вначале в черновую форму, а затем в чистовую, где происходит окончательное формование стеклоизделия.
В процессе формования изделия стеклоформы соприкасаются со стекломассой, температура которой 970-1200 С, работают круглосуточно в цикличном режиме открытия-закрытия, соударяясь с периодичностью 0,3-2 с, в зависимости от типа стеклоформующей машинолинии. С одного формовочного комплекта выпускается 250^-300 тыс. стеклоизделий. В условиях массового производства стеклоизделий в непрерывном режиме требуется достаточно большое количество трудоёмких и дорогостоящих формовых комплектов для поддержания бесперебойной работы автоматических линий. Причинами снижения ресурса стеклоформ является выгорание углерода в чугуне и его выкрашивание под воздействием высоких температур, а также абразивный, адгезионный, высокотемпературный окислительный, усталостный износ рабочих поверхностей.
Наибольшему износу подвержены рабочие кромки формующей полости стеклоформ, испытывающие все представленные выше виды износа. Тепловой износ (размягчение материала) кромок обусловлен цикличным нагревом от жидкого стекла. Абразивный износ вызван попаданием частиц материала стеклоизделий между соприкасающимися поверхностями рабочих кромок, нагаром и продуктами износа стеклоформ, адгезионный - налипанием стекла, усталостный - циклическим действием напряжений в приконтактном слое металла кромок.
Существуют следующие способы упрочнения стеклоформ: нанесение наплавочных материалов; диффузионное, электролитическое хромирование; химическое никелирование и др.
К высокоэффективным технологиям, в первую очередь, относятся физико-химические методы модификации структуры материала, включая процесс упрочняющей лазерной обработки.
Особенности применяемого материала и многообразие рабочих кромок стеклоформ обуславливают необходимость разработки комплексного подхода по увеличению их стойкости путем лазерного термического упрочнения непрерывным излучением. Он основан на всестороннем анализе факторов, оказывающих влияние на стойкость рабочих кромок стеклоформ, выбора рацио-
4 нальных режимов упрочнения с учетом выполнения математического моделирования, экспериментальных исследований и промышленных испытаний.
Целью работы является повышение стойкости рабочих кромок чугунных стеклоформ формированием требуемых свойств поверхностного слоя на основе выбора рациональных режимов лазерного непрерывного упрочнения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Разработать модель расчета температурного поля рабочих кромок чугунных стеклоформ с учетом плотности мощности и продолжительности воздействия лазерного излучения и геометрии кромки.
Выполнить экспериментальные исследования режимов лазерного непрерывного упрочнения рабочих кромок чугунных стеклоформ, обеспечивающих повышение их стойкости.
Разработать и апробировать в производственных условиях научно-обоснованные рекомендации по технологии лазерного упрочнения рабочих кромок чугунных стеклоформ.
Методы исследований. При выполнении работы использовались методы математического моделирования, базирующиеся на основах физики процесса взаимодействия лазерного излучения с металлами, проведения экспериментальных исследований, теориии планирования эксперимента и статистической обработки данных с применением программных комплексов So-HdWorks, Cosmos, Mathcad, Lab VIEW.
Научная новизна работы заключается в:
математической модели расчета температурного поля рабочих кромок чугунных стеклоформ при лазерном упрочнении, учитывающей неравномерность распределения плотности мощности в лазерном луче, смещение луча относительно кромки и геометрию кромки;
эмпирических зависимостях глубины упрочнения h, твердости у поверхности кромки зоны упрочнения HV, мощности лазерного излучения Р от скорости v, позволивших определить рациональные параметры лазерного упрочнения рабочих кромок стеклоформ из ферритных низколегированных пластинчато-вермикулярных чугунов.
Достоверность результатов работы подтверждается:
корректным использованием научных положений лазерного термоупрочнения, теории износа, теплопроводности, а также проведением экспериментов в лабораторных условиях и производственными испытаниями;
использованием сертифицированных средств измерений, поверенного оборудования и лицензионных компьютерных программ;
согласованием результатов математического моделирования с экспериментальными данными.
5 Практическая ценность работы заключается в:
разработанной технологии лазерного упрочнения кромок разъема стек-лоформ из ферритных низколегированных пластинчато-вермикулярных чугунов с использованием непрерывного излучения многоканального газового СОг-лазера МТЛ-2М;
разработанном способе и устройстве упрочнения поверхности детали (патент №2305136 CI RU).
Реализация результатов. Результаты исследований, представленные в работе, были апробированы и внедрены на стекольных предприятиях, в частности на ЗАО «Борисовское стекло», ЗАО «Балахнинское стекло» и ООО «Факел».
Работа проводилась при поддержке гранта «Ползуновские гранты» выделенного на исследования по теме «Усовершенствование технологии лазерного упрочнения острых кромок и последующая разработка технологии лазерного упрочнения формующих поверхностей чугунных деталей формовых комплектов, для стеклоформующих машин».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов» (Рыбинск, 2005); 11-ом Всероссийском слете студентов, аспирантов и молодых ученых - лауреатов конкурса «Ползуновские гранты» (Владимир, 2006); Международном научно-практическом семинаре «Современные технологии изготовления и ремонта формокомплектов» (Гусь-Хрустальный, 2007); V Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2009); Всероссийской молодежной интернет-конференции (Владимир, 2010); III научно-образовательной международной конференции «Машиностроение - Традиции и Инновации» (Москва, 2010).
Публикации. По результатам работы опубликовано 12 научных трудов, в т.ч. патент РФ на изобретение и три статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации трудов соискателей ученых степеней.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и восьми приложений. Общий объем - 185 страниц машинописного текста, включая 70 рисунков и графиков, 15 таблиц. Список литературы содержит 99 наименований. Приложения состоят из 17 страниц.
