Лазерное термоупрочнение строгальных ножей. Технический отчет

Услуга по теме: ЛАЗЕРНАЯ ЗАКАЛКА

1. Исходные данные

1.1. Инструментальная сталь

Лазерной закалке (упрочнению) подвергалась инструментальная сталь 6ХС. Химический состав стали приведен в таблице 1. Исходная шероховатость поверхности Ra 1.25 мкм. Исходная твердость инструментальной стали 6ХС изменяется в пределах 53-56 HRC.

Таблица 1. Химический состав стали 6ХС по ГОСТ 5950 — 2000

Таблица 2. Механические свойства стали 6ХС после объемной термической закалки

1.2. Лазерное оборудование для упрочнения.

Упрочнение производилось на лазерном технологическом комплексе, в состав которого входит дисковый лазер модели TruDisk1000, производства фирмы TRUMPF, Германия и трехкоординатный станок СК1-М3.

Внешний вид лазерного технологического комплекса приведен на рис. 1.

а) лазер TruDisk 1000

б) координатный станок СК1-М3

в) система СЧПУ Сервокон 1000

Рис. 1. Лазерный технологический комплекс

Лазерное упрочнение строгальных ножей проводилось в автоматическом режиме по программе от СЧПУ.

2. Лазерное упрочнение инструмента

2.1. Режим упрочнения

Упрочнение поверхности стали 6ХС производилось непрерывным лазерным излучением в режиме автозакалки.

Обработка производилась при нормальных атмосферных условиях с защитой зоны обработки лучом лазера инертными газами (аргоном);

2.2. Оценка геометрических параметров зоны, упрочненной лазерным излучением.

Измерение глубины и ширины дорожки производилось ФГБОУ ВПО «ВятГУ» на оптическом микроскопе NICON SMZ 1500 путем изучения и измерения зон упрочнения шлифов. Теоретическая геометрия зоны лазерной обработки показана на рисунке 2.

Рис. 2. Теоретическая геометрия зоны обработки:

• 1 — закаленная зона;
• 2 — зона отпуска;
• 3 — основной металл;
• h₁ и H₁ — глубина и ширина закаленной зоны;
• h₂ и H₂ — глубина и ширина зоны отпуска;

На рис.3 представлена фотография шлифа дорожки, сформированной в режиме автозакалки.

Рис. 3. Фотография шлифа зоны лазерного упрочнения поверхностного слоя инструментальной стали 6ХС. Увеличение х40

Результаты измерений глубины и ширины дорожек приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты геометрических измерений.

На рис. 4 показан снимок шлифа дорожек, выполненных с перекрытием, коэффициент перекрытия к=0,4.

Рис. 4. Фотография шлифа зоны обработки поверхностного слоя инструментальной стали 6ХС. Увеличение х40

2.3. Исследования распределения микротвердости по глубине упрочненного слоя.

Исследования микротвердости производились на твердомере ПМТ-3 при нагрузке Р=50 г. Исходная микротвердость материала — Н₅₀=840 кг/мм².

Таблица 3. Распределение микротвердости по глубине зоны лазерной обработки.
*Перевод значений микротвердости произведен в соответствии с Таблицей перевода и сравнения единиц измерения твердости. Шкала Викерса, Роквелла (Роквула), Бринелля (Бринеля), Шора. U.T.S.

На рис. 5 показано распределение значений микротвердости по глубине упрочненного слоя.

Рис. 5. Зависимость микротвердости от глубины упрочнения

2.4. Исследования шероховатости поверхности.

Исследования шероховатости поверхности до и после обработки были выполнены на Профилометре модели 296. Исходная шероховатость поверхности — Ra 1,25 мкм, шероховатость обработанной поверхности лежит в пределах Ra 4,1–5,65 мкм.

2.5. Исследования микроструктуры.

Исследование микроструктуры упрочненной зоны производилось на электронном сканирующем микроскопе фирмы JEOL JSM—6510 LV. Фотографии микроструктуры основного металла и зон упрочения приведены на рис. 6 и 7.

Исходная структура материала состоит из мартенсита отпуска, остаточного аустенита (темные области) и карбидных включений (небольшие светлые области, неравномерно распределенные по площади).

После упрочнения ножа в режиме автозакалки, структура в зоне воздействия лазерного излучения изменяется в результате бейнитного превращения. Основа — перистый бейнит с небольшими «островками» остаточного аустенита и карбидными включениями. Отличительной особенностью бейнита является высокая твердость и прочность в сочетании с сохранением высокой пластичности.

Рис. 6. Микроструктура исходного материала упрочненного ножа. Увеличение х1000

Рис. 7. Микроструктура упрочненной зоны ножа. Увеличение х1000

2.6. Внешний вид строгальных ножей, упрочненных лучом лазера.

Внешний вид строгального ножа 240У.010.014 Э5. после лазерного упрочнения представлен на рис.8.

Рис. 8. Внешний вид строгального ножа 240У.010.014 Э5 после упрочнения.

2.7. Производственные испытания строгальных ножей

Проведенные производственные испытания строгальных ножей, прошедших объемную термическую закалку и термоупрочнённых лучом лазера, показали увеличение стойкости в 1,9 раза по сравнению со строгальными ножами не термоупрочнёнными лучом лазера

3. Оценочное значение стоимости лазерного упрочнения ножа 240У.010.014 Э5

3.1. Исходные технико-экономические показатели для оценки стоимости лазерного упрочнения строгального ножа

Исходные данные для оценки стоимости приведены в Таблице 4.

Таблица 4.

3.2. Нормирование технико-экономических показателей на лазерное упрочнение строгального ножа.

Проведенные производственные испытания строгальных ножей, прошедших объемную термическую закалку и термоупрочнённых лучом лазера, показали увеличение стойкости в 1,9 раза по сравнению со строгальными ножами не термоупрочнёнными лучом лазера.

Стоимость лазерного упрочнения строгального ножа складывается из следующих статей затрат:

3.2.1. Заработная плата сварщика (оператора)

Заработная плата сварщика за время лазерного упрочнения одного строгального ножа равна:

• В месяце примем 22 рабочих дня.
• Длительность рабочей смены — 8 часов.
• 1 час=60 мин.
• T_ц ≈ 2,83 мин — технологический цикл упрочнения одного ножа (машинное время упрочнения + межоперационное время)

3.2.2. Расходные материалы:

Затраты на аргон:

С_Аr = Ц_Ar · Q_Ar · = 250 · 0,015 · 3,83 = 14,36 руб.

где - время подачи аргона за машинное время упрочнения с учётом продувки газовой системы

3.2.3. Затраты на электроэнергию С_э;

Расчёт ведётся по средневзвешенному — Р_с.в. потреблению электроэнергии цикла упрочнения (рис.9).

Рис.9. Циклограмма потребления электроэнергии

3.2.4. Амортизационные отчисления:

• Амортизация в год — 1,68 млн. руб.
• Амортизация в месяц −140 тыс. руб.
• Амортизация в день (22 рабочих дня) — 6,36 тыс. руб.
• Амортизация в смену (К_см=1) —6,36 тыс. руб.
• Амортизация в час — (длительность смены 8 часов) — 795 руб.
• Амортизация на один нож — 37,51 руб.

3.3. Оценочное значение себестоимости лазерного упрочнения одного строгального ножа

4. Чертежи режущего инструмента.

Возврат к списку