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

Услуга по теме: ЛАЗЕРНАЯ ЗАКАЛКА

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.

Процесс лазерной закалки сталей заключается в нагреве локального поверхностного слоя со скоростью более 10²—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 10³ — 10^4 оС/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 σ_а > 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:

Технологическая себестоимость термоупрочнения деталей режущих аппаратов сельскохозяйственных машин ТВЧ

Технологическая себестоимость термоупрочнения деталей режущих аппаратов сельскохозяйственных машин способом лазерной наплавки

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

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.

Возврат к списку