Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1. Обзор и анализ опубликованных работ по технологии упрочнения поверхностного слоя деталей машин и их классификация 13
1.2. Объект исследования 31
1.3. Задачи исследования 35
1.4. Выводы к главе 1 36
Глава 2. Обоснование рационального способа лазерного упрочнения маложестких деталей 38
2.1. Исходные данные, принятые допущения 38
2.2. Распределение температуры внутри температурного поля 40
2.3. Распределение температуры за пределами зоны нагрева 46
2.4. Наложения тепловых полей 52
2.5. Определение циклической прочности торсионных валов при лазерной закалке 58
2.6. Разработка технологии лазерного упрочнения и отпуска 62
2.7. Выводы к главе 2 70
Глава 3. Методика проведения экспериментальных исследований 72
3.1. Методика изготовления экспериментальных образцов 72
3.2. Методика проведения эксперимента по лазерному упрочнению торсионных валов 73
3.3. Методика проведения металлографического анализа 79
3.4. Методика проведения планового многофакторного эксперимента 83
3.5. Выводы к главе 3 87
Глава 4. Обработка результатов эксперимента 89
4.1. Определение характера распределения микротвердости по глубине 89
4.2. Статистическая обработка результатов эксперимента 91
4.3. Проверка адекватности математических моделей 97
4.4. Определение рациональных режимов лазерной обработки 103
4.5. Выводы к главе 4 106
Глава 5. Разработка технологических рекомендаций и Технико-экономическое обоснование 107
5.1. Определение режима работы цеха и типа производства 107
5.2. Расчет экономической эффективности сравнительным методом 108
5.3. Технологические рекомендации 116
5.4. Выводы к главе 5 117
Заключение 119
Список использованных источников 121
- Объект исследования
- Распределение температуры внутри температурного поля
- Методика проведения эксперимента по лазерному упрочнению торсионных валов
- Проверка адекватности математических моделей
Объект исследования
В настоящее время известно более 120 различных методов поверхностного упрочнения [1]. Известно большое количество различных классификаций методов упрочнения, которые базируются на различных признаках.
При обработке каждым методом или группой методов формируется структура с определенными требуемыми свойствами: износостойкостью, жаростойкостью, твердостью и др. Обоснованность применения каждого метода определяется его производительностью, экономичностью и другими факторами. Известные методы поверхностного упрочнения целесообразно разделить на три большие группы. Первая группа – это методы, обеспечивающие упрочнение поверхности только за счет фазовых и структурных превращений без изменения химического состава поверхности. Вторая группа это методы, в которых упрочнение достигается за счет изменения химического состава поверхности, введения в поверхностный слой новых химических элементов, образования новых соединений. К третьей группе относятся методы, которые обеспечивают упрочнение за счет последовательного или совмещенного применения нескольких способов первой и второй группы - ступенчатые (комбинированные) методы упрочнения.
Закалка является наиболее широко распространенным методом упрочнения и применяется не только для поверхностного, но и для объемного упрочнения. Являясь традиционным и многообразным методом, широко применяется в промышленности. Основными недостатками метода является высокая энергоемкость, относительно невысокая твердость поверхности для некото 14 рых сталей, относительно длительный цикл процесса. Кроме того, часто сопровождается большими деформациями закаливаемых поверхностей.
Метод закалки с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) позволяет получать значительное повышение твердости поверхностного слоя. За счет скин-эффекта при индукционной закалке происходит нагрев поверхностного слоя, причем возможно получение скорости нагрева до 1000 град/с [2]. Известно, что увеличение скорости нагрева приводит к сдвигу критических точек [3], причем величина сдвига пропорциональна кубическому корню из скорости нагрева. В этом случае температура завершения превращения может сместиться на 100-300 градусов и более. Однако наличие большого температурного интервала существования –области позволяет вести термообработку со скоростями нагрева даже до 105 град/с.
Повышение износостойкости при закалке ТВЧ обеспечивается достижением высоких значений твердости поверхностного слоя [4]. Однако в некоторых случаях за счет возникновения значительных остаточных напряжений происходит коробление детали. В закаленных зонах эти напряжения сжимающие, а в переходной зоне меняют знак. Для снятия напряжений применяют отпуск и самоотпуск. Закалка ТВЧ в настоящее время является одним из самых широко распространенных методов поверхностного упрочнения. Он технологичен, позволяет получить поверхность с высокими эксплуатационными свойствами. Эффективность теплопередачи на установках ТВЧ составляет 56% и более, то есть в 3 раза выше, чем при нагреве в печах с контролируемой атмосферой [5]. К недостаткам метода нужно отнести возможность возникновения закалочных трещин и микротрещин. Микротрещины возникают в результате неравномерности охлаждения поверхностного слоя в следствии неоднородности потока охлаждающей среды. Возникновение трещин возможно в местах концентрации напряжений на деталях сложной формы. Также возможным недостатком метода может быть неоднородность твердости и глубины упрочненного слоя вследствие технологических причин.
При упрочнении методом поверхностной пластической деформации (ППД) износостойкость поверхности увеличивается за счет формирования осо бого напряженного состояния в поверхностных слоях, увеличения твердости и улучшения шероховатости [6]. Процесс поверхностного пластического дефор мирования достаточно производителен и легко поддается автоматизации. Од нако увеличение твердости относительно не велико и в среднем не превышает 20-40% исходной твердости. Положительный эффект от наклепа может терять ся при повышении температуры до 550-670С.
Однако использование метода в качестве отделочно-упрочняющей операции, обеспечивающей повышение усталостного прочности и улучшения шероховатости поверхности довольно широко. Так, по данным НИИТ Автопрома внедрено более 350 операций пластического деформирования на предприятиях отрасли [6].
В настоящее время исследования, связанные с высокоскоростной де формацией (упрочнение с использованием энергии взрыва), ведутся во мно гих направлениях. Почти все металлы и сплавы представляют для упрочнения практический интерес. Высокоскоростная, или как ее часто называют, импуль сная деформация является результатом чрезвычайно быстрого распространения фронта давления, амплитуда которого в десятки и даже сотни раз может пре вышать предел текучести металла [7].
При взрывной обработке «специфичное упрочнение» вызывается «множественным искажением» структуры и проявляется при давлениях в десятки килобар [8]. В результате возрастает твердость и износостойкость материала подложки. Прохождение фронта взрывной волны вызывает сильные деформации решетки и большие напряжения сдвига, которые порождают и перемещают дислокации. Для каждого конкретного материала существует свой интервал давлений, обеспечивающий повышение твердости. Нижняя граница определяется динамическим сопротивлением сдвигу и началом фазовых переходов, а верхняя граница тепловой составляющей давлений, приводящей к отжигу дефектной структуры.
В настоящее время можно выделить четыре направления работ по взрывному упрочнению металлов: упрочнение поверхностных слоев изделий для повышения износо- и коррозионной стойкости, жаростойкости и т.п.; объемное упрочнение металлических изделий в процессе высокоскоростной пластической деформации; сочетание импульсного нагружения и термической обработки для повышения физико-механических и эксплуатационных характеристик металлов; подготовка поверхности методом взрывной обработки для создания высокоактивированной поверхности, позволяющей получить износостойкие слои с высокими адгезионными свойствами. Наибольшее применение в промышленности нашел метод поверхностного упрочнения [9]-[11].
В работе [12] при упрочнении взрывом среднелегированных, закаленных и отпущенных на разную твердость сталей была отмечена незначительная способность к упрочнению. Так, при исходной твердости 1290 МПа была достигнута твердость 2000 МПа, а при исходной твердости 1630 МПа была получена твердость 2000-2200 МПа. По данным [13] известно, что при взрывном упрочнении барьеры для перемещения дислокаций имеют второстепенное значение по сравнению со статической пластической деформацией; резко возрастает роль двойникования, образования сбросов и др.; увеличивается склонность к множественному скольжению по непараллельным плоскостям сдвига.
Распределение температуры внутри температурного поля
В современной авиационной промышленности значительно возрос уровень требований, предъявляемых к новым авиационным двигателям. Это обстоятельство является обязательным условием эволюции технологии. Раньше, когда в военное время ведущие державы пытались заполучить господство в воздухе, основным требованием была быстрота перемещения летательных аппаратов по миру. Однако сейчас, это: низкий уровень шума, минимальный (близкий к нулевому) уровень выбросов вредных веществ в атмосферу, долговечность работы и др. Для выполнения подобных требований, а также для повышения эксплуатационной надежности необходимо совершенствовать технологии изготовления отдельных нагруженных элементов конструкции, за счет применения современных методов их обработки.
Стартер-генераторы являются основными источниками электрической энергии на летательном аппарате. По принципу действия и общему устройству авиационные стартеры подобны промышленным агрегатам, однако имеют ряд специфических особенностей. Они способны работать на больших высотах полета. Удельные мощности, т. е. мощности, приходящиеся на единицу веса, авиационных генераторов в 5-10 раз больше промышленных агрегатов той же мощности. Это достигается за счет высокой скорости вращения, использования теплостойких и высококачественных материалов, интенсивного искусственного охлаждения, применения высотных щеток и др. Рабочий диапазон скоростей вращения 40009000 об/мин.
Стартер-генератор СТГ-12ТМО-1000 (Рис. 1.2) предназначен для запуска реактивных и турбовинтовых двигателей и питания сети объекта постоянным током при работе в генераторном режиме. Кроме того данный стартер применяется на газотурбинных электростанциях ПАЭС 2500, ПАЭС 2500Б, ЭГ 2500. Стартер представляет собой шунтовую шестиполюсную систему постоянного тока теплостойкого исполнения, имеющую встроенный редуктор и роликовую обгонную муфту сцепления-расцепеления.
Стартер-генератор СТГ-12ТМО-1000 Все генераторы имеют закрытое исполнение и фланцевое крепление. Вращение якоря осуществляется упругим (торсионным) стальным валиком, обеспечивающим смягчение динамических ударов при включении нагрузок и изменении скорости вращения силовой установки.
Валик 181.353 (Рис. 1.3), входящий в состав стартер-генератора СТГ-12ТМО-1000, выпускаемый заводом ООО «СЭПО-ЗЭМ» для самолетов семейства «СУ» и вертолетов «МИ», представляет собой тело вращение, выполненное из конструкционной высокопрочной и высоколегированной стали 25Х2ГНТА-ВД-г/к (ТУ14-1-1885-85), и имеет сложную конфигурацию: на одной стороне имеется кулачковый профиль, на другой шестерня и шлицы. Химический состав материала детали указан в таблице 1.1. Вал получен из проката круглого сечения с применением операции редуцирования и последующей механической обработкой по всей поверхности. Деталь относится к нежестким валам, так как при основном диаметре 11 мм длина вала составляет порядка 420 мм. Длина основного нагруженного элемента вала – шейки ( 11h11-0.11 мм) составляет примерно 260 мм.
При изготовлении вал проходит испытание на скручивание на установке 6365377: один вал из партии закручивают на угол ± 9, с частотой 1500 об/мин в течении 30 часов.
В случае разрушения образца при испытании на скручивание, испытывают повторно удвоенное количество образцов. С целью снизить вероятность поломки деталей, шейку вала 11h11-0.11 мм механически обрабатывают – шлифуют и полируют до значения шероховатости Ra=0,4 мкм, тем самым снижая количество концентраторов напряжений – микротрещин и других недостатков поверхности.
Для обеспечения возможности валу скручиваться на допустимый угол, вал упрочняют в печи лишь до твердости 41…48 HRC, а поверхность длинной цилиндрической части вала (шейку) на предприятии-изготовителе дополнительно упрочняют дробеструйной обработкой с целью повышения запаса циклической прочности вала и предотвращения разрушения в результате нерасчетных нагрузок. Технические характеристики дробеметной установки 7512466 представлены в таблице 1.2. После такой обработки вал сильно «ведет», а на его поверхности появляются множественные следы удара дроби – вмятины. Ухудшение качества поверхностного слоя негативно сказывается на пределе выносливости детали. Тратится значительное время для выправки вала мягким ударным воздействием, ведь на чертеже детали указано техническое требование - допуск осевого биения 11h11-0.11 мм – 0,13 мм. Возникает необходимость совершенствования технологии изготовления торсионных валов на основе замены упрочняющей технологии. Очевидно, что необходимо разработать такой метод поверхностного упрочнения, который обеспечит аналогичный дробеструйной технологии запас циклической прочности при скручивании и который не приведет к искривлению детали и ухудшению качества поверхности.
Проанализировав все известные на сегодняшний момент виды упрочнения деталей машин, автором был выбран за основу метод поверхностного упрочнения лазерным воздействием. Лазер выбран твердотельный, активное вещество – алюмоиттриевый гранат. Длина волны подобных лазеров составляет 1,064 мкм, что обеспечивает высокий КПД обработки сталей. Упрочнение деталей машин лазерным излучением без оплавления позволяет повысить предел выносливости поверхностного слоя, не снижая при этом его качество, тем самым повышая запас циклической прочности. Известно, что при лазерном упрочнении образуется зона термического влияния, (Рис. 1.4), состоящая из 2х слоев: зоны упрочнения и переходной зоны. Зона упрочнения (белая зона) представляет собой мелкодисперсный мартенсит с низким содержанием остаточного аустенита. Малый размер зерен мартенсита положительно сказывается на сопротивление усталости материала за счет оказания препятствия движению дислокаций.
Методика проведения эксперимента по лазерному упрочнению торсионных валов
В точке х = -1 мм осуществляется очередная лазерная вспышка и температура поверхности повышается до 9=720 С на глубине 0,1 мм от поверхности и 0=300 С на глубине 0,3 мм от поверхности. При последующих двух лазерных вспышках температура повышается и даже на глубине z = 0,3 мм достигает температуры закалки. Следующая лазерная вспышка осуществляется в момент, когда рассматриваемая точка поверхности находится за пределами зоны лазерного воздействия на расстоянии х = 1,65 мм от центра. В промежутке между этими лазерными вспышками температура поверхности резко падает и достигает в = 325 С практически на всех рассматриваемых глубинах z. Такое резкое охлаждение поверхности приводит к ее закалке. При перемещении рассматриваемой точки в положение х = 2,3 мм осуществляется очередная лазерная вспышка. Из рисунка 2.21 видно, что температура в этой точке возрастает на короткое время примерно до 0 = 330С, а при дальнейших перемещениях точки вплоть до положения х = 3,4 мм температура медленно падает, но сохраняется в переделах температуры отпуска в 160С, показанной горизонтальной штрихпунктирной линией. Тем самым обеспечивается режим закалки и от 69 пуска поверхности после закалки, что способствует достижению высокого качества поверхности.
После первого прохода поверхность возвращается в исходное положение и затем смещается в поперечном направлении на величину, определяемую по формуле (2.30):
Рассчитаем производительность обработки предлагаемым способом. Рассмотрим, например, время обработки маложесткого вала диаметром d = 10 мм и длиной L = 100 мм. При указанных выше условиях лазерной обработки время обработки будет равно:
Если использовать поляризацию лазерного луча, как это предлагается в прототипе, то резко уменьшается размер зоны лазерной закалки l в несколько раз, вплоть до тонкой линии. Если подставить это значение l в указанную выше формулу, то можно определить, что время обработки увеличится в несколько раз и, следовательно, снизится производительность обработки. Таким образом, решается задача повышения производительности обработки предлагаемым способом.
Предлагаемую технологию весьма эффективно использовать при термической обработке маложестких деталей типа торсионных валов. При изготовлении торсионных валов их поверхность подвергается дробеструйному упрочнению с последующим низкотемпературным отпуском. Но при дробеструйной обработке на поверхности вала образуются высокие напряжения, которые приводят к сильной деформации вала. Деформацию удаляют правкой и последующим низкотемпературным отпуском. Получается очень трудоемкий технологический процесс. Предлагаемый способ упрочнения и отпуска поверхности позволяет выполнить упрочнение и отпуск в одну операцию, тем самым повысить производительность обработки и обеспечить высокое качество обработанной поверхности.
Разработанный метод позволяет повысить качество изделий, так как лазерная закалка осуществляется в несколько циклов, что улучшает структуру материала, а отпуск поверхности после закалки растянут по времени и поэтому обеспечивает активное удаление напряжений после закалки. Кроме того расширяются технологические возможности лазерной обработки.
В результате анализа априорной информации был принят ряд допущений для решения поставленных в данной работе задач. Был рассмотрен характер распределения температуры на поверхности заготовки в процессе лазерной обработки как внутри зоны лазерного воздействия, так и за ее пределами, для дискретно перемещающегося теплового источника. Это позволило уточнить влияние условий лазерной закалки на температурный режим, которому подвергается произвольная точка поверхности в процессе ее перемещения через зону лазерного нагрева и за ее пределами. В результате этого были установлены условия лазерного упрочнении, при котором после закалки поверхности и выхода ее из зоны нагрева обрабатываемая поверхность подвергается низкотемпературному отпуску, предотвращающего коробление маложесткой детали типа торсионный вал. Кроме того, был исследован и проанализирован механизм наложения тепловых полей, возникающих от последовательных лазерных импульсов. Анализ позволил определить характер влияния остаточного тепла при импульсной лазерной обработке на стабилизацию напряжений в упрочненном участке поверхности детали.
Для конкретного материала, а также для конкретного типоразмера детали была преобразована формула для определения коэффициента запаса циклической прочности под действием касательных напряжений. Были вычислены значения запаса прочности для торсионного вала без обработки, с традиционным дробеструйным упрочнением и с предлагаемой лазерной обработкой. Сравнение результатов показало, что коэффициент запаса циклической прочности после лазерного поверхностного упрочнения повысился на 43% по сравнению с традиционной обработкой.
На основе выполненных исследований была разработана технология стабилизирующего лазерного упрочнения малогабаритных торсионных валов, позволяющая повысить качество упрочненной поверхности и повысить производительность обработки, за счет регулирования уровня теплового воздействия путем обеспечения необходимой скорости перемещения обрабатываемой поверхности.
Проверка адекватности математических моделей
С целью определения рациональных режимных параметров лазерного упрочнения торсионных валов следует составить систему условий, при которых получится максимальное значение коэффициента запаса циклической прочности, то есть: где пт - коэффициент запаса циклической прочности.
Исследуемые факторы, а именно, мощность лазера, диаметр лазерного пятна в фокальной плоскости, скорость обработки и коэффициент перекрытия, влияют в разной степени. Например, известно [27, 36 и др.], что повышение твердости лишь до определенного предела повышает предел выносливости материла. При высоких значениях твердости материал становится хрупким, а значит не пригодным для характера эксплуатации торсионных валов. Следовательно, первое условие системы – минимальное значение микротвердости упрочненного слоя.
Высокая скорость охлаждения при лазерной закалке за счет отвода тепла в основной объем металла, а также за счет применения специального охлаждения, способствует накоплению в упрочненном слое остаточных напряжений сжатия. Это обстоятельство способствует увеличению предела выносливости материала при циклических напряжениях под действие крутящего момента, а значит, и увеличивает запас циклической прочности торсионного вала. Вторым условием системы будет – максимальная скорость обработки.
Еще одним фактором увеличения коэффициента запаса циклической прочности или (сопротивления усталости) является качество поверхности вала. Чем ниже параметр шероховатости, тем выше сопротивление усталостному износу. Известно [19, 22 и др.], что лазерная обработка возможна с оплавлением и без оплавления поверхности заготовки. Высокие значения мощности лазера вызывают на поверхности заготовки образование микроворонок – следов температурного воздействия лазера (обработка производится в импульсном режиме). Это объясняется высокой плотностью мощности лазерного излучения, что может вызывать удаление части металла с поверхности заготовки в момент обработки, в результате испарения части металла с поверхности. Следовательно, третьим условием оптимизации будет – минимальное значение мощности лазерного воздействия. Кстати, большие значения мощности могут привести к искажениям формы прямолинейности и появлению радиального биения относительно центровых отверстий вала. Это объясняется распространением фронта температурной волны на значимую часть объема вала.
Кроме оговоренного критерия увеличения запаса циклической прочности, немаловажным фактором совершенствования технологии изготовления торси 105 онного вала является повышение производительности обработки. Высокая производительность будет означать низкую себестоимость детали, а значит и повышение конкурентоспособности изготовителя. Составим вторую систему условий:
Производительность обработки при лазерном упрочнении тел вращения будет достигаться благодаря высоким значениям диаметра лазерного пятна в фокальной плоскости и скорости движения теплового источника по поверхности детали (скорости обработки). Отсюда получаем четвертое условие - максимальное значение скорости обработки и диаметра лазерного пятна в фокальной плоскости. Выпишем все условия в систему:
Таким образом, были выполнены экспериментальные исследования на основе применения метода многофакторного планирования эксперимента. В результате были получены математические модели, устанавливающие связь параметров обработки, таких как микротвердость упрочненного слоя, его глубина и ширина от параметров лазерной закалки: мощности излучения лазера, диаметра лазерного пятна в фокальной плоскости, скорости обработки и коэффициента перекрытия лазерного пятна.
Были построены графики зависимостей вышеописанных параметров, наглядно показывающие характер взаимосвязи и степень влияния режимы лазерной обработки на параметры оптимизации.
Определение рациональных режимов лазерного упрочнения поверхностного слоя торсионных валов проводили на основе двух критериев - максимального коэффициента запаса циклической прочности и максимальной производительности изготовления данных деталей.
В результате были определены рациональные режимы лазерной закалки, а именно мощность лазера Р = 0,5 кВт, диаметр фокального пятна d = 1,2 мм, скорость обработки v = 10 мм/с и коэффициент перекрытия кп =2. По этим режимам были рассчитаны параметры лазерной обработки: микротвердость упроченного слоя Нц= 10,24 ГПа, его глубина z = 0,45 мм и ширина Ъ = 0,72 мм.
Именно при этих параметрах будет достигаться максимальные значения производительности изготовления и коэффициента запаса циклической прочности торсионного вала 181.353, выполненного из рессорной стали 25Х2ГНТА-ВД-г/к и входящего в состав изделия СТГ12-ТМО-1000.
