Меню Рубрики

Установки для лазерного закалки

Лазерная термообработка

Лазерная обработка материалов, в том числе и термообработка, основана на использовании лазерного излучения, которое позволяет создавать на очень небольшом участке поверхности высокие плотности теплового поля, необходимые для интенсивного нагрева или расплавления.

По своей сути, лазеры — это генераторы света. При их воздействии на поверхность обрабатываемых сплавов часть потока лазерного излучения отражается от нее, а остальная часть проникает на малую глубину. Количество отраженного излучения зависит от природы материала и предварительной подготовки поверхности.

Энергия лазерного излучения практически полностью поглощается электронами в поверхностном слое толщиной 10 -6 -10 -7 м. Вследствие этого температура резко повышается. Последующий нагрев металла осуществляется за счет теплопроводности материала. Процессы распространения теплоты зависят от интенсивности теплового воздействия и от коэффициента теплопроводности материала. Основным показателем, определяющим эффективность поглощения лазерного излучения металлами, является состояние поверхности. Для увеличения эффективности поглощения целесообразно применять нанесение покрытий с низкой отражающей способностью. В настоящее время используют химические, углеродистые, лакокрасочные и водорастворимые покрытия. В производственных условиях часто используется фосфатирование поверхностей.

Основные виды лазерной обработки можно расположить в следующей последовательности, в зависимости от количества передаваемой энергии: поверхностная термообработка, лазерная сварка, лазерная резка. Эффективность того или иного вида лазерной обработки в первую очередь определяется плотностью мощности лазерного излучения Е в зоне обработки. При Е=10 4 — 10 5 Вт/см 2 происходит активный локальный разогрев материала без оплавления. Оплавление и испарение металла происходит при более высоких показателях — до 10 10 Вт/см 2 .

Лазерная закалка

Лазерную закалку обычно делают при 10 3 — 10 4 Вт/см 2 . При этом сам процесс закалки происходит за счет интенсивного отвода тепла вглубь металла — процесс самозакалки. При лазерной закалке обычно используют лазеры непрерывного действия, они позволяют производить обработку со скоростью 10 2 — 10 4 мм/мин. После обработки на поверхности сплава получается закаленная полоса. При закалке больших площадей поверхностей сплавов закалку производят полосами, при этом рекомендуется делать небольшие отступы между этими полосами для предотвращения появления мягких пятен (зон отпуска). После закалки поверхностный слой состоит из зоны оплавления, зоны термического влияния, переходной зоны — зоны отпуска с низкой твердостью и зоны основного металла. Зона термического влияния может представлять собой слой мартенсита насыщенного углеродом и ниже слой неполной закалки. Насыщение азотом происходит из воздуха при воздействии высоких температур.

Лазерная закалка различных сталей

Заэвтектоидные стали рекомендуется упрочнять используя режимы, обеспечивающие получение структур с нерастворёнными карбидами, т.е. процесс лазерной термообработки необходимо проводить с наибольшими скоростями охлаждения. Для этих сталей эффективной считается импульсная закалка с оплавлением поверхности. В среднеуглеродистых легированных сталях типа 40Х, 38ХМ, 65Г, при обработке с минимальным оплавлением, твердость получается выше, чем в среднеуглеродистых сталях без легирующих элементов. Для получения наибольшей твердости в высоколегированных сталях, рекомендуется упрочнять их при малой длительности лазерного излучения. Высоколегированные инструментальные стали типа Х12 и Р18 рекомендуется обрабатывать в узком интервале режимов лазерной обработки, при которых в мартенсите содержится достаточное количество углерода, а растворение карбидов находится в начальной стадии. При лазерной термообработке чугунов образуется зона оплавления и зона закалки, а переходная зона выявляется редко. При обработке с оплавлением, графит растворяется в расплаве, а после охлаждения в зоне оплавления формируется структура белого чугуна. Упрочнять чугуны следует при невысокой плотности и небольшой скорости обработки.

Использование лазерного упрочнения позволяет обеспечить улучшение многих эксплуатационных показателей: износостойкости, теплостойкости, остаточных напряжений в упрочненном слое, механических характеристик, коррозионной стойкости и др.

Кроме лазерной термообработки, в зависимости от соотношения времени воздействия излучения и плотности мощности этого излучения, применяются и другие методы лазерной обработки. Например лазерное легирование, нанесение покрытий, резка, сварка и т.д.

Классификация лазеров

В зависимости от рабочего тела, лазеры могут быть твердотельные, жидкостные, полупроводниковые и газовые. В зависимости от типа воздействия могут быть импульсными и непрерывного действия.

Основные параметры лазерной обработки

В качестве технологических, при лазерной термообработке используют следующие параметры: когерентность и монохроматичность; интенсивность, измеряемая плотность тока в непрерывном режиме или энергия импульса в импульсном режиме; длина волны; угловая расходимость (обычно 0,01-0,1 градуса); время воздействия на металл.

источник

Термическая обработка

Лазеры являются превосходным источником тепла для

упрочнения металлических компонентов для

предотвращения износа поверхности при

сохранении физико-химических свойств

основного материала исключая

Лазерная термообработка, также известная как лазерное поверхностное упрочнение, представляет собой процесс модификации поверхности, используемый для увеличения износостойкости или продления срока службы элементов, начиная от бытовых приборов до деталей для сборки автомобилей и оборудования для тяжелой промышленности, и транспорта. Лазерное упрочнение (закалка) чаще всего используется для стальных и чугунных материалов. Лазеры преобразуют целевые области на металлических деталях путем контролируемого местного нагрева при сохранении металлургических свойств основного материала.

Поглощение зависит от типа материала, содержания углерода, микроструктуры, состояния поверхности, размера и геометрии и, как правило, ограничивается поверхностным слоем. Глубина упрочнения (закалки) от
0,2–3,0 мм. Нагретую область можно контролировать с помощью оптики, формирующей луч. В результате лазерная термообработка обеспечивает производителям точный и контролируемый процесс изменения их оснастки и оборудования для повышения износостойкости.

Поперечное сечение вала, упрочненного (закаленного) лазером

Лазерная закалка с помощью волоконного лазера 6 кВт компании IPG , предоставленного PRECO

Типичные скорости процесса находятся в диапазоне от 10 до 150 см в минуту. Глубина упрочнения (закалки) будет уменьшаться по мере увеличения скорости. Достижимая глубина будет зависеть от состава сплава. Типичная ширина значений прохода, достигаемая с помощью легкодоступного оборудования, составляет от 0,5 мм до 5 см. Большие или меньшие значения возможны при использовании специализированных установок.

Выбор режима работы лазера для упрочнения (закалки) во многом зависит от самой детали. Для упрочнения (закалки) требуются непрерывные лазеры, например для закалки токопроводящей дорожки (печатного проводника) во многих промышленных инструментах. Для некоторых сложных деталей требуются импульсные лазеры, например YLPN Мега импульсные иттербиевые импульсные лазеры компании IPG.

Большинство лазеров с ближней ИК областью спектра можно использовать для упрочнения (закалки) различных металлов и сплавов, а основным параметром для отверждения материала до желаемой глубины и твердости является мощность лазера. Материалы на основе железа легко поглощают длину волны 1 микрон, исключая необходимость предварительного нанесения покрытий на абсорбирующие части, как при использовании СО2 лазеров.

Диодные лазеры и высокомощные волоконные лазеры компании IPG используются для тепловой обработки. Их преимущества заключаются в более высокой выходной мощности, гибкости доставки луча по оптоволокну, компактном размере, высокой надежности за счет горячего резервирования и более высокой степенью преобразования электрической энергии в оптическую, превышающие эти показатели у диодных лазеров киловаттного класса.

источник

ЛАЗЕРНОЕ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЕ

Среди различных способов повышения износостойкости деталей (легирование, закалка ТВЧ, объемная и плазменная закалка, различные методы напыления и т.д.), особое место занимает технология лазерного термоупрочнения. Это связано с уникальностью свойств лазерного луча как технологического инструмента, позволяющего создавать на локальной поверхности детали концентрацию тепловой энергии в широком диапазоне мощностей, что позволяет обеспечить контроль термических циклов нагрева и охлаждения поверхностных слоёв металла.

Процессы взаимодействия лазерного луча с различными материалами, механизмы структурофазовых изменений в зонах лазерного воздействия на сегодняшний день достаточно широко исследованы.

Особенности технологии лазерного термоупрочнения выгодно отличаются от других методов закалки:

  • В отличие от классических процессов термоупрочнения, нагрев при лазерной закалке является не объемным, а локальным, поверхностным процессом, что минимизирует поводки и деформации обработанных деталей.
  • Упрочнение лучом лазера осуществляется без оплавления поверхности – это исключает изменение шероховатости и необходимость в последующей механообработке (шлифовка, полировка и т.д).
  • Термический цикл, при лазерном упрочнении, самый быстрый по сравнению с другими и составляет 0,1…0,5 с. Эти условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков в результате чего достигаются высокая твердость поверхности, высокая дисперсность и однородность структуры, уменьшение коэффициента трения, увеличение несущей способности поверхностных слоев.
  • Высокая производительность данной технологии характеризуется автоматизацией процесса лазерного термоупрочнения и исключением необходимости термообработки всей детали, а лишь локальных участков подверженных износу.
  • Отсутствие проблем прочности связи (адгезии) упрочненного слоя с основной массой детали, как, например, при использовании технологии напыления, наплавки и т.д.
  • Возможность упрочнения поверхностей любой сложности и геометрии благодаря современному лазерному технологическому оборудованию.
  • Возможность упрочнения и модифицирования поверхностей широчайшей номенклатуры материалов с повышением их эксплуатационных характеристик, что позволяет во многих случаях заменять дорогостоящие, сложнолегированные материалы, используемые часто с целью обеспечения необходимой износостойкости поверхностей, на более простые, дешевые и доступные с приданием им нужных эксплуатационных характеристик.
Читайте также:  Установка и настройка удаленного сервера

Области применения технологии лазерного термоупрочнения:

  • в системе железнодорожного транспорта — это быстроизнашивающиеся поверхности надрессорных балок, боковых рам, колесных пар, автосцепок, различных валов и т.д.;
  • в металлургии — поверхности прокатных валов разных типоразмеров, фильер, крупногабаритных нагруженных зубчатых колес и т.д.;
  • в машиностроении и в станкостроении — изнашивающиеся поверхности направляющих станков и прессов, ходовых винтов и шлицевых валов, посадочных мест ступенчатых валов, поверхности трения муфт, штоков, рычагов, деталей насосов и т.д.;
  • в сфере нефтегазодобычи и геологоразведки — поверхности резьбовых соединений труб, рабочих органов (коронок) буровых установок, деталей погружных насосов и т.д.;
  • в инструментальном производстве — режущие кромки вырубных штампов, особенно крупногабаритных дорогостоящих с длительным циклом изготовления, поверхности штампов объемной холодной и горячей штамповки, режущих инструментов, ножей гильотинных и т.д.;
  • в моторостроении (особенно мощных двигателей для судов и локомотивов) — поверхности шеек коленчатых валов, распредвалов, седел клапанов, гильз цилиндров и т.д.;
  • в сфере производства, ремонта и эксплуатации дорожно-строительной техники — износостойкость и ресурс деталей гидроаппаратуры, ножей грейдерных и бульдозерных, бил роторов для дробления щебня, звездочек и натяжных колес гусеничных экскаваторов и тракторов, зубьев ковшей экскаваторов и т.д.;
  • в стеклотарной отрасли — кромки и поверхности форм для литья стеклотары;
  • в производстве газотурбинных двигателей — это поверхности лопаток и других быстроизнашивающихся деталей;
  • в сфере производства, ремонта и эксплуатации сельскохозяйственной техники — это рабочие органы почвообрабатывающей техники (плужиных лемехов, дисков борон, ножей культиваторов);
  • в оборонной промышленности, в частности, ресурс стволов артиллерийских установок;
  • в сфере производства подшипников разных типоразмеров (прежде всего, крупных и особо крупных) для различных отраслей и условий эксплуатации и т.д.

«Кронштейн»
Сталь 38Х2Н2МА
Твердость после лазерного термоупрочнения 52-55 HRC.

Примеры практического лазерного упрочнения производственных деталей различного назначения

Процесс упрочнения эвольвенты зубьев ведущего вала-шестерни. Сталь 38ХНЗМФА. Твердость после лазерного термоупрочнения 56-59 HRC. (вес — 2,5т).

Процесс термоупрочнения фланца ротора. Сталь 40ХН2МА. Твердость 55-59

Шестерня второй ступени. Сталь 25 ХГТ. Твердость после лазерного термоупрочнения 55-59 HRC.

Погон. Диаметр 2869 мм. Сталь 0ХН3М. Твердость после лазерного термоупрочнения 55-57 HRC.

Кронштейн. Сталь 38ХН3МФА.
Твердость после лазерного термоупрочнения 53-56 HRC.

Остов кронштейна. Сталь 07Х3ГНМЮА.
Твердость после лазерного термоупрочнения 55-59 HRC

Матрица вырубного штампа. Сталь 9Х. Твердость после лазерного термоупрочнения 58-64 HRC

Упрочнение матрицы штампа вытяжного для ободов автомобильных колес. Сталь 9Х1. Твердость после лазерного термоупрочнения 55 — 60 HRC.

Процесс упрочнения рабочей кромки упора подвижного к муфте пусковой предохранительной МПП-2 установки погружного насоса для добычи нефти. Материал – сталь 45. Твердость послелазерного термоупрочнения – 59-62 HRC.

Лазерная закалка ротора турбины, сталь 40ХН2МА. Твердость после лазерного термоупрочнения: 56-59 HRC

Лазерная закалка «Плита каленая», сталь 9ХС. Твердость после лазерного термоупрочнения 60-62 HRC

Лазерная закалка детали «Поршень», материал ОХН3МФА, твердость после лазерного термоупрочнения 52-56 HRC (по требованию заказчика).

Лазерная закалка Вала, сталь 40ХН2МА. Твердость после лазерного термоупрочнения 51-55 HRC.

Лазерная закалка пресс матрицы, материал – 5140RH (аналог стали 40Х), твердость после лазерного термоупрочнения 55-59 HRC.

Полуформы для литья стеклотары, чугун СЧ-20. Твердость после лазерного термоупрочнения 50-52 HRC.

источник

ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ: Сравнительный анализ технологий лазерного и индукционного упрочнения деталей режущих аппаратов сельскохозяйственных машин

Технологии локального поверхностного упрочнения сталей

В настоящее время разработано достаточно много поверхностных способов упрочнения сталей с целью повышения ресурса работы деталей машин и механизмов, инструмента путем улучшения функциональных свойств поверхностного слоя.

Современные технологии локального поверхностного упрочнения сталей концентрированными потоками энергии: газопламенными, светолучевыми, электродуговыми, плазменными, индукционными, электромеханическими, электронно-лучевыми, ультразвуковыми достаточно хорошо известны и изучены. С момента зарождения они прошли свой эволюционный путь развития, с успехом апробированы на практике и внедрены во многих отраслях промышленности, но к настоящему времени их потенциальные технологические возможности повышения эффективности упрочнения поверхности конструкционных и инструментальных сталей практически исчерпаны.

Необходимо отметить, что в основе методов локального термического упрочнения лежит физический принцип автозакалки или термоциклирования и что, очень важно, изменения лигатуры поверхностного слоя при термоупрочнении не происходит.

Каждый из существующих способов упрочнения имеет свои преимущества и недостатки, которые характеризуются конкретными технико-экономическими показателями, определяющими эффективные области применения упрочняющих технологий. Однако ни один из существующих способов упрочнения не является универсальным, а функциональные свойства упрочненного слоя далеко не всегда удовлетворяют современным техническим требованиям эксплуатации деталей машин и механизмов.

При всём многообразии существующих технологий упрочнения инженеру-технологу достаточно сложно обосновать и выбрать способ упрочнения, так как это сопряжено с тщательным анализом всех технико-экономических показателей технологического цикла изготовления всего изделия и условий его эксплуатации.

В настоящее время лазерные технологии поверхностного упрочнения сталей начинают всё больше применяться в промышленности технологически развитых странах, так как обеспечивает наиболее высокое качество упрочненного слоя при оптимальных технико-экономических показателях процесса упрочнения, а также достаточно легко поддается автоматизации и роботизации.

Лазерные технологии упрочнения обладают некоторыми более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с альтернативными технологиями поверхностного термического упрочнения деталей машин и механизмов, инструмента постепенно вытесняя или дополняя традиционные технологии упрочнения так как во многих случаях лазерная закалка сталей является экономической альтернативой объемной термической и химико-термической обработке.

Сделав технико-экономическое обоснование выбора технологии упрочнения поверхности в пользу определенного способа инженер-технолог должен определить какой вид оборудования наиболее эффективен для упрочнения, какая конфигурация оборудования для этих целей необходима и это является непростой задачей, так как к настоящему времени разработано и производится достаточно много моделей станков, которые потенциально подходят для ведения технологических процессов упрочнения поверхности.

Поэтому инженеру-технологу, производящему технико-экономическую оценку эффективности работы оборудования для упрочнения необходимо провести анализ различных технико-экономических критериев оценки необходимого для упрочнения оборудования: стоимости, эксплуатационных затрат, ресурса и надежности при эксплуатации, производительностью процесса упрочнения, ремонтопригодности и т.д.

Технология упрочнения сталей ТВЧ

Физическая сущность технологии упрочнения сталей ТВЧ

В основе физики процесса термоупрочнения сталей токами высокой частоты лежит принцип индукционного наведения в упрочняемом поверхностном слое стали вихревых токов, так называемых токов Фуко, которые, протекая по проводнику, оттесняются с поверхности за счет скин-эфекта и производят быстрый нагрев поверхностного слоя стали.

Затем нагрев прекращается и происходит отвод тепла вглубь металла. Скорость отвода тепла, то есть скорость охлаждения может превысить скорость закалки на мартенсит

Наиболее часто поверхностной закалке подвергают детали, изготовленные из стали с содержанием углерода 0,4-0,5%. Эти стали после закалки имеют поверхностную твердость HRC55-60. При меньшем содержании углерода такая твердость уже не достигается, а при большем — возникает опасность появления трещин в условиях резкого охлаждения водяным спреем.

Преимущества технологии упрочнения сталей ТВЧ

Преимущества закалки ТВЧ по сравнению с объемной печной закалкой и химико-термической обработкой:

  • высокая производительность;
  • высокая скорость нагрева и отсутствие выдержки в аустенитной области позволяет получить более высокую дисперсность структуры закаленного поверхностного слоя;
  • повышение предела выносливости: в два-три раза по сравнению с объемной (печной) закалкой;
  • сокращение машинного времени термообработки;
  • почти полное отсутствие окалины закаленной поверхности;
  • уменьшение коробления при закалке;
  • возможность полной механизации и автоматизации процесса (включения его в поточную линию обработки, без разрыва техно­логического цикла).

Недостатки технологии упрочнения сталей ТВЧ

Как и любая технология упрочнения, индукционная закалка кроме преимуществ имеет определенные ограничения и недостатки:

  • в зависимости от изменения геометрии детали необходимо изменять геометрию индуктора;
  • на деталях, имеющих острые углы, резкие геометрические переходы, глубокие впадины не удается получить равномерной толщины закалённый слой;
  • на некоторых деталях, имеющих сложную геометрическую форму, изготовление индуктора затруднительно или практически невозможно;
  • закалка ТВЧ вызывает небольшие деформации и коробление деталей особенно при односторонней поверхностной закалке плоских деталей;
  • в местах удара воды о поверхность (при охлаждении спреем) могут возникать микротрещины паутинообразной формы. Микротрещины в условиях контактного нагружения недопустимы, так как являются очагом разрушения.

Технологии лазерного упрочнения сталей

В настоящее время в технологически развитых странах всё больше начинают применяться в машиностроительных отраслях промышленности лазерного упрочнения сталей: лазерной закалки и газопорошковой лазерной наплавки.

У каждой из лазерных технологий упрочнения имеются свои технико-экономические преимущества и недостатки, которые определяют наиболее эффективные области их применения.

Физическая сущность лазерной закалки сталей

При воздействии на поверхность металла часть потока лазерного излучения отражается, оставшаяся часть поглощается. Энергия поглощенного лазерного излучения преобразуется в тепловую, называемую эффективной тепловой мощностью.

Читайте также:  Установки скамьи в парке

Процесс лазерной закалки сталей заключается в нагреве локального поверхностного слоя со скоростью более 10 2 —10 3 о С/с и охлаждения по механизму теплопроводности вглубь металла, без применения охлаждающих сред. Скорость охлаждения при лазерной закалке стали, зависит от интенсивности подвода энергии луча лазера, массы детали, и может достигать значений 10 3 — 10 4 о С/с. Высокоскоростное охлаждение поверхностного слоя значительно превышает критическую скорость закалки на мартенсит.

Многократное увеличение скорости нагрева и охлаждения при лазерной закалке не приводит к формированию новых фаз и структур. При лазерном термоупрочнении в стали имеются те же фазы и структуры, что и при традиционной печной закалке: мартенсит, цементит (карбиды), остаточный аустенит. Однако высокая скорость охлаждения приводит к тому, что после охлаждения образуются более высокодисперсные структуры, образующийся при этом мартенсит более дисперсный, чем при обычной закалке. Например, в стали У8 после объемной закалки длина игл мартенсита составляет 7–10 мкм, а после лазерной — всего 2–3 мкм.

Все эти особенности приводят к тому, что микротвердость поверхностного слоя сталей после лазерной закалки выше, чем после объемных видов закалки, для сталей на 2–4 HRC.

В результате воздействия луча лазера в поверхностном слое происходят структурно—фазовые изменения, и формируется мелкозернистая закалочная структура повышенной твердости и износостойкости, с высокими триботехническими свойствами, недостижимыми при традиционных технологиях упрочнения сталей.

Измельчение зерен благоприятно сказывается на свойствах стали, и, прежде всего, возможно достижение наиболее оптимального сочетания прочности и пластичности. Особенно сильное влияние измельчение зерен оказывает на повышение сопротивлению ползучести, поскольку границы зерен эффективно препятствуют пластическому течению металла при повышенных температурах.

Эффект лазерного термоупрочнения зависит от исходной термической обработки стали, химического состава и содержания углерода. Отожженные и нормализованные стали имеют наименьшую зону термического влияния (ЗТВ). Наибольшая глубина ЗТВ наблюдается на предварительно закаленных и низко или средне отпущенных сталях. При этом выравниваются значения микротведости по сечению упрочненного слоя. С повышением содержания углерода в стали глубина закаленного слоя и микротвердость увеличиваются.

Преимущества технологии лазерной закалки сталей

Высококонцентрированный источник энергии — лазерный луч как источник локального термического упрочнения (закалки) обладает существенными технологическими и технико—экономическими преимуществами по сравнению с традиционными технологиями объемной (печной) термической и химико-термической обработки.

Лазерное поверхностное упрочнение, в значительной степени нивелирует недостатки присущие объемной термической закалке, химико-термической обработке, и в тоже время открывает новые потенциальные технологические возможности в упрочнении поверхностных слоев деталей машин и механизмов.

Современный уровень развития лазерной техники и лазерных технологий позволяет рассматривать лазеры как удобный, экономичный и надежный инструмент для поверхностного термоупрочнения широкой номенклатуры деталей машиностроения.

Воздействие лазерного луча на поверхность сталей может приводить к комплексному улучшению физико-химических, механических, триботехнических свойств поверхностного слоя, которые проявляются в более высокой дисперсности и изотропности структуры упрочненного поверхностного слоя, повышением микротвердости, теплостойкости, коррозионной стойкости, износостойкости.

Преимущества лазерной закалки можно классифицировать по нескольким видам: технологическим, энергетическим, эксплуатационным, экологическим.

Метод лазерного термоупрочнения (закалки) поверхностных слоев обладает рядом технологических преимуществ по сравнению с традиционными технологиями термообработки, которые проявляются в следующих свойствах:

  • после лазерной закалки не требуется проведение технологической операции отпуска;
  • отсутствие или минимальные остаточные деформации;
  • сохранение геометрических размеров детали в пределах поля допуска при лазерной закалке;
  • повышение твердости закаленного слоя на 2 000—4 000 МПа, по сравнению с традиционными технологиями закалки;
  • повышение износостойкости и задиростойкости;
  • минимальное тепловложение в обрабатываемую деталь;
  • локальность воздействия на упрочняемую поверхность;
  • отсутствие охлаждающих жидкостей;
  • легко поддается автоматизации и роботизации;
  • резко снижают длительность термического цикла закалки;
  • лазерная закалка режущего инструмента позволяет сделать его самозатачивающимся.

Недостатки технологии лазерной закалки сталей

Необходимо отметить, что лазерное термоупрочнение — это не универсальная технология, которая может полностью заменить объемную термическую и химико-термическую обработку (цементирование, азотирование, нитроцементирование, борирование), а также локальные методы термической закалки — газопламенные, светолучевые, плазменные, индукционные, электромеханические, электроннолучевые.

Технология лазерного термоупрочнения сталей, также как и другие технологии упрочнения, кроме преимуществ имеет свои недостатки, которые накладывают определенные ограничения на ее области применения.

К недостаткам технологии лазерного термоупрочнения относятся следующие факторы:

  • зона обработки ограничена доступом луча лазера к упрочняемой поверхности. Применение гибких оптоволоконных систем доставки луча лазера в зону обработки в сочетании со специальной оптикой в значительной мере нивелируют этот недостаток;
  • упрочняемую поверхность необходимо очищать от ржавчины и окалины;
  • глубина упрочненной поверхности зависит от теплофизических характеристик стали (прокаливаемости) и обычно не превышает 1,0—1,5 мм, что иногда бывает не достаточно для упрочнения деталей машин и механизмов;
  • при лазерном термоупрочнении в зонах перекрытия упрочненных дорожек поверхности имеются зоны отпуска;
  • высокая стоимость лазерных технологических комплексов, которая существует на данный момент развития лазерной техники.

Но необходимо отметить, что процесс лазерного термоупрочнения легко поддается автоматизации и роботизации. Ведение процесса лазерного термоупрочнения в автоматическом или полуавтоматическом режиме позволяет существенно снизить межоперационное время, а высокая скорость термоупрочнения сократить машинное время обработки, что приводит, как показывает практика, к существенному уменьшению себестоимости лазерного термоупрочнения.

Применение оптоволоконных систем доставки луча лазера в зону обработки. Применение двух и трехпостовых рабочих мест упрочнения в сочетании практически с мгновенным переключением луча лазера с одного рабочего места на другое, сокращает межоперационное время практически до нуля

Технология газопорошковой лазерной наплавки

Газопорошковая лазерная наплавка (ГПЛН) — это процесс получения поверхностных покрытий с использованием присадочного материала, в виде порошка, подаваемым газовым потоком, непосредственно в зону действия луча лазера. Частицы порошка начинают нагреваться в зоне лазерного излучения вплоть до попадания на обрабатываемую поверхность.

Функциональная схема газопорошковой лазерной наплавки

Подача порошка осуществляется с помощью газов воздуха, азота, гелия, аргона, углекислого газа. При использовании самофлюсующихся порошков тип газа не оказывает существенного влияния на формирование покрытия. Если используют не самофлюсующиеся порошки, то для защиты от окисления порошков и расплавленного металла следует применять защитные газы.

Особенность технологического процесса лазерной наплавки заключается в возможности регулирования температуры и времени существования жидкой фазы, обеспечении высоких скоростей охлаждения кристаллизующегося наплавленного металла.

Преимущества и недостатки технологии газопорошковой лазерной наплавки

К основным технологическим преимуществам технологии лазерной наплавки по сравнению с традиционными технологиями относятся:

  • минимальные тепловые вложения в наплавляемую деталь. Зона термического влияния составляет несколько сот микрон;
  • сохранение геометрических размеров наплавленной детали в заданном поле допуска;
  • минимизация коэффициента перемешивания наплавляемого металла с основой (минимальная глубина проплавления основного металла от нескольких десятков до нескольких сот микрон);
  • возможность наплавки поверхностных слоев минимальной толщиной в несколько сот микрон;
  • возможность сформировать заданные функциональные (служебные) свойства наплавленного слоя за один проход при минимальной толщине слоя в несколько сот микрон;
  • высокое значение адгезии наплавленного слоя σа > 360 МПа с подложкой (взаимодействие наплавленного слоя с подложкой металлургическое);
  • возможность формирования поверхностного слоя с повышенными эксплуатационными свойствами по сравнению с традиционными технологиями наплавки;
  • создание на поверхности детали слоёв обладающих ярко выраженными функциональными (служебными) свойствами, либо их сочетанием, которые невозможно получить, применяя традиционные технологии обработки поверхности;
  • возможность создания композиционных градиентных многофункциональных покрытий;
  • повышение технологической прочности наплавленного слоя;
  • применение порошковых наплавочных материалов позволяет в значительных пределах варьировать химический состав наплавочных порошков, в отличие от наплавки проволокой и электродами, и в широких пределах управлять функциональными свойствами поверхностного слоя;
  • технология лазерной наплавки обладает высокой технологической воспроизводимостью процесса.

Технологическая себестоимость лазерного термоупрочнения деталей режущих аппаратов сельскохозяйственных машин

Расчет технологической себестоимости лазерного термоупрочнения инструмента произведен для диодного лазера модели TruDiode 2006 фирмы TRUMPF, оснащенного растровой оптикой для термоупрочнения:

Характеристики TruDiode 2006
Длина волны 900 — 1 030 нм
Мощность лазера 2 000 Вт
Качество луча 30 мм·мрад
Минимальный диаметр лазерно-лучевого световодного кабеля 600 мкм
Стабильность
при номинальной мощности
± 1 %
Диапазон температур охлаждающей воды 5 °C — 20 °C
Размеры
Ширина 1 460 мм
Высота 1 255 мм
Глубина 730 мм

Технологическая себестоимость лазерного упрочнения
для серийного производства
Деталь Противорез Нож Шарнирный
нож
Количество, шт. 1 1 1
Площадь упрочнения, мм 2 1 265 1 350 4 160
Производительность лазерного упрочнения, мм 2 /сек 300 300 300
Машинное время, сек 4,22 4,50 13,87
Межоперационное время, сек 20 20 20
Длительность технологического цикла, мин 0,40 0,41 0,56
Потребляемая мощность лазерного комплекса при мощности 2 кВт — 35,8кВт 0,24 0,24 0,34
Основная заработная плата производственных рабочих
(1 оператор)
1,55 3,14 4,33
Дополнительная заработная плата производственных рабочих
(20% от основной)
0,31 0,63 0,87
Страховые взносы 0,56 1,13 1,56
Расходы на электроэнергию
(1 кВт/час стоит 6,0 руб.)
1,44 1,46 2,02
Амортизация оборудования
(срок амортизации 7 лет)
6,54 8,17 11,29
Технологическая себестоимость 10,40 14,52 20,07
Читайте также:  Установка гбо на гранту лифтбек отзывы

Технологическая себестоимость термоупрочнения деталей режущих аппаратов сельскохозяйственных машин ТВЧ

Расчет технологической себестоимости индукционного термоупрочнения инструмента
для установки ТВЧ модели ВЧГ2-100/0,006
Наименование параметра Норма
Напряжение трехфазной питающей сети частотой 50 Гц, В 380
Мощность, потребляемая от сети, кВт, 141
Мощность колебательная, кВт 100 +/- 10
Частота рабочая, мГц 0,066 +/- 0,0079
Коэффициент мощности
при анодном напряжении
10,5 — 11,5 кВ, не менее
0,88
Коэффициент полезного действия генератора, % не менее 77
Расход охлаждающей воды, м.куб/ч 3,5
Масса, кг:
— генератора
— блока генераторного, не более
— блока контурного, не более
2 550
2 140
410

Технологическая себестоимость лазерного упрочнения
для серийного производства
Деталь Противорез Нож Шарнирный
нож
Количество, шт 1 1 1
Площадь упрочнения, мм 2 1 265 1 350 4 160
Машинное время, сек 7 7 7
Межоперационное время, сек 20 20 20
Длительность технологического цикла, мин 0,45 0,45 0,45
Потребляемая мощность 1,06 1,06 1,06
Затраты на воду
(стоимость 1 м3-20,20 руб.)
1,06 1,06 1,06
Основная заработная плата производственных рабочих
(1 рабочий)
1,73 1,73 1,73
Дополнительная заработная плата производственных рабочих
(20% от основной)
0,35 0,35 0,35
Страховые взносы 0,62 0,62 0,62
Затраты на материалы
(затраты на воду)
1,06 1,06 1,06
Расходы на электроэнергию
(1 кВт/час = 6,0 руб.)
6,35 6,35 6,35
Амортизация оборудования
(срок амортизации 10 лет)
2,49 2,49 2,49
Технологическая себестоимость 12,59 12,59 12,59

Технологическая себестоимость термоупрочнения деталей режущих аппаратов сельскохозяйственных машин способом лазерной наплавки

Технологическая себестоимость лазерного упрочнения
для серийного производства
Деталь Противорез Нож Шарнирный
нож
Мощность луча лазера, кВт 2 2 2
Толщина наплавленного слоя, мм 0,2 0,2 0,2
Масса наплавленного слоя с учетом КИМ, гр. 4,93 5,27 16,22
Производительность, гр/час 600,00 600,00 600,00
Машинное время, сек 29,60 31,59 97,34
Межоперационное время, сек 30,00 30,00 30,00
Длительность технологического цикла, мин 0,99 1,03 2,12
Потребляемая мощность
(потребляемая мощность лазерного комплекса при мощности 2 кВт — 35,8кВт)
0,59 0,61 1,27
Стоимость материалов, руб 2,96 3,16 9,73
Расход газа, л/мин 10,00 10,00 10,00
Стоимость газа, руб. 2,84 2,90 4,98
Основная заработная плата производственных рабочих 3,81 3,94 8,15
Дополнительная заработная плата производственных рабочих 0,76 0,79 1,63
Страховые взносы 1,37 1,42 2,93
Затраты на материалы 5,80 6,06 14,72
Расходы на электроэнергию
(1 кВт/час стоит 6,0 руб.)
7,07 7,54 32,25
Амортизация оборудования
(срок амортизации 7 лет)
16,10 16,63 34,39
Технологическая себестоимость 34,91 36,39 94,07

Методика выбора технологии упрочнения деталей режущих аппаратов сельскохозяйственных машин

Конкурентоспособность любого вида продукции определяется соотношением качества и цены.

Повышение конкурентоспособности продукции достигается повышением её качества и снижением себестоимости изготовления.

Одним из факторов повышения качества машиностроительных видов продукции является повышение ресурса работы и надежности в эксплуатации деталей машин и механизмов.

Повышение ресурса работы и надежности деталей машин и механизмов достигается применением различных технологий упрочнения.

Выбор технологии упрочнения является не простой технико-экономической задачей.

Выбор той или иной технологии упрочнения определяется критерием эффективности технологии упрочнения.

Критерий эффективности любой технологии упрочнения деталей машин и механизмов, инструмента определяется соотношением повышения качества и увеличения цены.

Особенно актуальным является упрочнение деталей машин и механизмов инструмента, работающего в условиях интенсивного абразивного износа, например, деталей режущих аппаратов сельскохозяйственных машин.

При упрочнении деталей увеличивается ресурс работы деталей и повышается себестоимость изготовления. Критерий эффективности технологии упрочнения определяется соотношением степени увеличения ресурса работы детали и повышения себестоимости изготовления детали.

В технологически развитых странах для упрочнения деталей машин и механизмов начинают все больше применяться технологии лазерного упрочнения: лазерная закалка и лазерная наплавка.

Себестоимость лазерной закалки ниже себестоимости лазерной наплавки, но, как показывает практика, ресурс работы деталей машин и механизмов, упрочнённых способом лазерной наплавки выше.

Если критерий эффективности выше при упрочнении способом лазерной наплавки, то можно говорить о том, что технология лазерной наплавки является более эффективной по сравнению с технологией лазерной закалки.

Например, по данным фирмы TRUMPF, Германия стойкость ножей для мукомольного производства после лазерной закалки увеличилась в 1,5-2 раза, а после лазерной наплавки выросла до 10 раз.

Таким образом, принятие решения о выборе технологии упрочнения деталей машин и механизмов, инструмента необходимо принимать после сравнительного технико-экономического анализа и проведения сравнительных натурных испытаний деталей упрочненных с использованием различных технологий.

Предварительный сравнительный технико-экономический анализ закалки

Технологическая операция ТВЧ Лазер
проти­ворез нож шарнир­ный нож проти­ворез нож шарнир­ный нож
1. Наплавка
Машинное время наплавки, сек 29,60 31,59 97,34
Длительность технологического цикла, мин 0,99 1,03 2,12
Технологическая себестоимость, р. 34,91 36,39 94,07
Термическая обработка — нормализация необходима не требуется
2. ТВЧ, существующая в настоящее время
Машинное время упрочнения, сек 15,00 18,00 45,00 4,22 4,50 13,87
Длительность технологического цикла упрочнения, мин 0,58 0,63 1,08 0,40 0,41 0,56
Технологическая себестоимость, р. 16,32 17,72 30,30 10,4 14,52 20,07
Закалочная среда требуется не требуется
Промывочная операция требуется не требуется
Термическая обработка — отпуск требуется не требуется
3. ТВЧ на новом оборудовании
Машинное время упрочнения, сек 7,00 7,00 10,00 4,22 4,50 13,87
Длительность технологического цикла, сек 27,00 27,00 27,00 24,22 24,50 33,87
Технологическая себестоимость, р. 12,59 12,59 12,59 10,4 14,52 20,07
Закалочная среда требуется не требуется
Промывочная операция требуется не требуется
Термическая обработка — отпуск требуется не требуется
Лазер
проти­ворез нож шарнир­ный нож
29,60 31,59 97,34
0,99 1,03 2,12
34,91 36,39 94,07
не требуется
4,22 4,50 13,87
0,40 0,41 0,56
10,4 14,52 20,07
не требуется
не требуется
не требуется
4,22 4,50 13,87
24,22 24,50 33,87
10,4 14,52 20,07
не требуется
не требуется
не требуется
№ п/п Наименование технологической операции ТВЧ Лазер
1* 2 3 1 2 3
1-ый вариант Наплавка
1 Машинное время наплавки, сек 29,60 31,59 97,34
2 Длительность технологического цикла, мин 0,99 1,03 2,12
3 Технологическая себестоимость, руб. 34,91 36,39 94,07
4 Термическая обработка -нормализация Необходима Не требуется
2-ой вариант ТВЧ, существующая в настоящее время
1 Машинное время упрочнения, сек 15,00 18,00 45,00 4,22 4,50 13,87
2 Длительность технологического цикла упрочнения , мин 0,58 0,63 1,08 0,40 0,41 0,56
3 Технологическая себестоимость, руб. 16,32 17,72 30,30 10,4 14,52 20,07
4 Закалочная среда Требуется Не требуется
5 Промывочная операция Требуется Не требуется
6 Термическая обработка — отпуск Требуется Не требуется
3-ий вариант ТВЧ на новом оборудовании
1 Машинное время упрочнения, сек 7,00 7,00 10,00 4,22 4,50 13,87
2 Длительность технологического цикла, сек 27,00 27,00 27,00 24,22 24,50 33,87
3 Технологическая себестоимость, руб. 12,59 12,59 12,59 10,4 14,52 20,07
4 Закалочная среда Требуется Не требуется
5 Промывочная операция Требуется Не требуется
6 Термическая обработка — отпуск Требуется Не требуется

Лазерное технологическое оборудование для упрочнения деталей режущих аппаратов сельскохозяйственных машин

Исходя из практического опыта эксплуатации лазерного технологического оборудования для лазерного термоупрочнения (закалки) деталей машин и механизмов, а также лазерной наплавки, наиболее оптимальным является диодный лазер TruDiode2006 производства фирмы TRUMPF, Германия.

Данный лазер можно применять как для термоупрочнения, так и для наплавки.

Выпускаемое немецкой фирмой TRUMPF лазерной технологическое оборудование проверено многолетним опытом применения в промышленности как в РФ, так и за рубежом для ведения различных технологических процессов (сварки, резки, наплавки, термообработки и т.п.) подтверждает применение лазеров фирмы TRUMPF в промышленности, как наиболее стабильных и высоконадежных, со значительным ресурсом эксплуатации не менее 50000 часов.

В настоящее время на Ростсельмаше эксплуатируется порядка двух десятков лазерных раскройных комплексов фирмы TRUMPF, которые доказали свою высокую надежность и эффективность в процессе эксплуатации.

Заключение

Проведенный предварительный сравнительный технико-экономический анализ показал, что лазерное упрочнение деталей режущих аппаратов сельскохозяйственных машин имеет более высокую технико — экономическую эффективность по сравнению с индукционной закалкой.

При лазерном упрочнении деталей режущих аппаратов сельскохозяйственных машин исключаются из технологического цикла следующие технологические операции: закалка в масле, промывка и термическая обработка инструмента, не требуются расходные материалы — масло.

При лазерном упрочнении деталей режущих аппаратов сельскохозяйственных машин сокращается потребление электроэнергии, исключается время загрузки и выгрузки деталей из моечной машины и отпускной печи.

Окончательное заключение в сравнительном технико-экономическом анализе упрочнения деталей режущих аппаратов сельскохозяйственных машин по технологии ТВЧ и лазерной технологии можно дать после проведения опытных работ и стендовых или натурных испытаний.

источник