Содержание к диссертации
ГЛАВА 1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА
ЛАЗЕРНОЙ ЗАКАЛКИ. 10
1.1. Общие вопросы технологии лазерного упрочнения 10
1.2. Анализ изделий подвергающихся термическому упрочнению 12
1.3. Анализ используемого лазерного технологического оборудования
1.3.1. Оборудование для упрочнения материалов лазерным излучением 16
1.3.2. Схемы реализации процесса лазерного упрочнения
1.4. Анализ влияния параметров лазерного упрочнения на показатели качества технологического процесса. 31
1.5. Системы управления лазерными технологическими комплексами 34
1.6. Анализ методов расчета параметров технологического процесса 37
1.7. Выводы к первой главе. Цель и задачи исследования. 41
ГЛАВА 2.РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ
2.1. Формализованное описание процесса лазерного упрочнения 45
2.2. Особенности описания геометрической формы детали 47
2.3. Математическое описание подвижных источников воздействия. 49
2.4. Математическая модель теплового потока, наведенного лазерным излучением
2.4.1. Особенности описания (моделирования) теплофизических процессов при нагреве металла ЛИ. 52
2.4.2. Аналитические модели теплового поля 53
2.4.3. Моделирование теплового поля на основе численной модели 55
2.5. Исследование теплового поля, формируемого лазерным излучением 62
2.5.1. Исследование термических циклов 63
2.5.2. Тепловое поле вблизи границ тела 66
2.6. Выводы ко второй главе
ГЛАВА 3.МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ 66
3.1. Задание параметров процесса упрочнения при помощи термокинетических кривых 66
3.2. Критерий оценки качества ТП при выборе технологических параметров 69
3.3. Понятие распределенного и подвижного управления 71
3.4. Расчет вектора управления параметрами лазерного упрочнения
3.4.1. Определение распределенного воздействия теплового источника 74
3.4.2. Определение параметров перемещающегося лазерного источника нагрева 81
3.5. Выводы к третьей главе 83
ГЛАВА 4.РЕАЛИЗАДИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 84
4.1. Расчет технологических параметров упрочнения коромысла клапана 84
4.2. Разработка схемы измерения температуры в зоне обработки 86
4.3. Разработка и исследование системы автоматического управления ЛТК 88
4.4. Результаты упрочнения коромысла клапана 98
4.5. Выводы к четвертой главе 98
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 100
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 101
Введение к работе
Лазерное упрочнение улучшает многие эксплуатационные показатели металлов. К ним относятся износостойкость, теплостойкость, твердость и т.д., определяющие надежность и долговечность изделия. В результате использования лазерного луча для упрочнения материалов появляется возможность разработки новых принципов конструирования деталей машин и узлов, внесения коренных изменения в технологию изготовления изделий.
Одним из важнейших преимуществ лазерного излучения, как высокоэффективного инструмента обработки металлов является возможность варьирования его параметрами в широких пределах, что определяет высокую эффективность лазерной технологии с возможностью автоматизации процесса при высокой производительности [1].
Однако в современных условиях возможности лазерного технологического комплекса (ЛТК) используются далеко не полностью. Это объясняется, в основном, нестабильностью конечного результата лазерного упрочнения, которая зависит от многих факторов.
Требования к техническим показателям детали разрабатываются на основе эксплуатационных характеристик изделий. Одним из показателей, характеризующих качество изделия, является поверхностная износостойкость. Поэтому перспективным направлением повышения поверхностной прочности деталей является применение лазерной закалки, что приводит к изменению механических свойств и дает возможность получать изделия с заданными показателями качества [2].
Одним из путей по созданию автоматизированной системы управления (АСУ) ЛТК является обеспечение системного подхода при планировании экспериментальных и теоретических работ с целью полного описания взаимосвязи между заданными механическими характеристиками, определяемыми условиями эксплуатации изделия и техническими параметрами ЛТК [3]. Проведенный анализ показывает, что создание банков данных взаимосвязи показателей качества, свойств материалов, параметров лазерного технологического процесса (ЛТП), технологических приемов и технических параметров ЛТК на основе математической модели ЛТП обработки материалов позволяет решить поставленную задачу. Для этого необходимо разработать алгоритмы управления на основе моделей процессов, работающих в реальном времени хода ТП, информационно-измерительную систему для анализа динамики ЛТП и выработки управляющих воздействий на технологические параметры ЛТК [4-6].
Исследования различных вариантов решения этой проблемы показывают, что наиболее перспективным направлением является контроль за ходом технологического процесса путем измерения температуры зоны обработки, создание условий для обеспечения требуемых скоростей нагрева и охлаждения зоны взаимодействия, времени выдержки и введения в САУ ЛТК обратных связей для управления параметрами технологического процесса [7].
Существующие модели имеют сложные математические зависимости с большим количеством переменных, либо имеют приближенные аналитические выражения. Все это приводит к увеличению погрешностей в расчетах управляющих воздействий на исполнительные механизмы, так как в большинстве случаев не учитываются нелинейности характеристик физических процессов взаимодействия лазерного излучения с металлом и особенности обрабатываемого изделия. В этой связи актуальной задачей является создание методик расчета оптимальных значений параметров технологического процесса лазерной закалки по заданным требованиям и условиям эксплуатации детали.
В первой главе дана характеристика проблемы, изложены предпосылки и необходимость исследований поставленной задачи, сформулированы цели, и определены пути ее достижения. На основе исследований, которые заключались в анализе номенклатуры деталей, подвергающихся лазерной обработке; анализе лазерного технологического оборудования и систем управления ЛТК с оптическими системами формирования зоны обработки; анализе методов расчета технологических параметров составлена схема разработки и реализации поверхностного упрочнения с использованием лазерной технологии, осуществление которой позволит повысить эффективность процессов лазерной обработки. Показано, что повышение эффективности использования дорогостоящего лазерного оборудования, а значит и эффективности автоматизированных технологических производств, заключается в стабилизации заданных показателей качества технологического процесса.
В этих условиях актуальным является, с одной стороны, расчет оптимального изменения технологических параметров, а с другой разработка и исследование системы автоматического управления процессом лазерного упрочнения, основанная на реализации комбинированного управления путем введения обратной связи по информативному параметру процесса, что обеспечит повышение эффективности использования ЛТК.
Во второй главе приведены численный метод расчета температурного поля в материалах, а также результаты расчетов и анализ параметров термических циклов применительно к упрочнению при лазерной обработке.
На основе анализа работ по исследованию тепловых явлений при лазерном нагреве, разработана математическая модель температурного поля.
Проведен анализ термических циклов в поверхностных слоях сталей 45 в зависимости от режимов и условий обработки. На основе моделирования и результатов эксперимента установлены значения параметров термических циклов в поверхностных слоях конструкционной стали применительно к упрочнению лучом лазера. Показано влияние геометрии обрабатываемой детали на картину теплового поля вблизи границы, что требует соответствующего изменения технологических параметров в ходе всего цикла упрочнения.
В третьей главе рассматривается расчет векторов управления технологическими параметрами в ходе процесса упрочнения. Предлагается решение этой задачи в два этапа. Для решения на первом этапе используется модифицированный метод подстановки. Решение на втором этапе ищется на основе метода реализации распределенного управления подвижным управлением.
В четвертой главе рассматриваются вопросы реализации управления технологическими параметрами ЛТК. На основании проведенных исследований выбрана схема САУ ЛТК комбинированного типа.
Для упрочнения коромысла клапана двигателя КамАЗ на лазерном комплексе Хебр-1.5, по предлагаемой в третьей главе методике, были получены значения векторов управления технологических параметров, с целью использования их в контуре управления по возмущающему воздействию.
Для обеспечения закона управления по отклонению в систему управления вводится информативный параметр, измеряемый в режиме реального времени. Таким параметром является температура зоны взаимодействия лазерного излучения с металлом. Она измеряется в режиме реального времени протекания процесса на основе анализа спектрального состава излучения с поляризационной фильтрацией из зоны обработки. Предложена схема реализации способа измерения •температуры.
Проведенные исследования, подтверждаемые соответствующими расчетами показателей качества САУ, доказывают потенциальную возможность создания ЛТК с обратными связями по информативным параметрам, измеряемым в режиме реального времени.
В заключении приведена общая характеристика работы и основные выводы по результатам диссертационной работы.
Положения, выносимые на защиту и обладающие научной новизной:
- систематизация функциональных связей между показателями качества поверхностного слоя и технологическими параметрами, учитывающих особенности лазерного технологического оборудования и обрабатываемой детали, для оптимизации САУ ЛТК;
- разработана математическая модель процесса нагрева детали лазерным излучением без оправления поверхности, с учетом геометрических характеристик детали и параметров источника нагрева;
- разработана методика определения вектора управления технологическими параметрами для обеспечения требуемых значений показателей качества поверхностного слоя, путем анализа параметров термических циклов;
- исследованы и усовершенствованы косвенные методы измерения показателей процесса лазерного упрочнения, позволяющие разработать систему автоматического управления процессом лазерного упрочнения, основанную на использовании комбинированного управления путем введения обратной связи по информативному параметру процесса.
Практическая полезность работы:
- разработаны алгоритмы для численного моделирования нагрева детали лазерным излучением, позволяющие исследовать динамику процесса. Показана необходимость в изменении значений технологических параметров в ходе ТП упрочнения;
- разработаны алгоритмы для определения оптимальных значений технологических параметров, с целью обеспечения требуемых значений показателей качества поверхностного слоя; - разработан способ измерения показателей процесса лазерного упрочнения, на основе поляризационной фильтрации собственного теплового излучения из зоны обработки.
Выражаю благодарность научному руководителю доктору технических наук Хайруллину Асфандияру Халиулловичу, а также научному консультанту кандидату технических наук Звездину Валерию Васильевичу за помощь оказанную за время работы над диссертацией.
