Лазерная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента

В настоящее время в машиностроении широко используется лазерная обработка металлорежущего инструмента с целью повышения его износостойкости. В основе лазерной обработки лежит применение лазерного луча, который как технологический инструмент не имеет себе равных по степени гибкости, быстродействия и износоустойчивости. Сегодня лазерная обработка способна конкурировать с фотохимическими и электроэрозионными процессами обработки, способствуя при этом повышению производительности и снижению износа металлорежущего инструмента. В будущем лазерная обработка металлорежущего инструмента найдет более широкое применение в связи с уменьшением размеров лазерных установок.

Лазерная обработка основана на применении мощного светового потока, вызывающего плавление или испарение обрабатываемого материала. Лазерное излучение фокусируется в определенный участок обрабатываемого материала металлорежущего инструмента [1,с.5]. Источником светового излучения является лазер. Работа лазера основана на принципе генерирования светового излучения. Лазерная обработка способствует улучшению многих эксплуатационных свойств облученного материала металлорежущего инструмента. Лазерное облучение позволяет в широких пределах изменять напряженно-деформированное состояние материала металлорежущего инструмента. Изменяя условия облучения, можно получать остаточные напряжения разной величины. Основным результатом такой обработки является тонкий поверхностный слой обрабатываемого материала металлорежущего инструмента, который нагревается и охлаждается со сверхвысокими скоростями за счет быстрого отвода тепла в основную массу металла [2,с.15]. В этих условиях поверхность металлорежущего инструмента подвергается «автозакалке». Этот способ позволяет повысить микротвердость и износостойкость поверхности материала металлорежущего инструмента от 2 до 5 раз без термического деформирования характерного для традиционных методов термообработки.

Основными преимуществами лазерной обработки являются:

-          проведения обработки в местах, недоступных для другого обрабатывающего инструмента;

- способностью луча проникать через любую прозрачную среду, не нарушая ее и не снижая свою интенсивность;

- высокая степень автоматизации;

- высокая производительность;

- экологичность.

Основными недостатками лазерной обработки являются:

-          обработка материала металлорежущего инструмента на ограниченной глубине;

-          низкий коэффициент полезного действия лазеров;

-          высокая стоимость лазерных установок и комплексов.

Лазерная обработка в зависимости от мощности и плотности лазерного луча делится на следующие виды:

-          упрочнение без фазового перехода;

-          упрочнение с фазовым переходом;

-          лазерное легирование;

-          лазерная наплавка;

-          шоковое упрочнение.

Упрочнение без фазового перехода приводит к структурным изменениям в материале металлорежущего инструмента при уровне плотности и мощности лазерного излучения, не приводящего к расплавлению облученной зоны. При этом виде обработки сохраняется исходная шероховатость обрабатывающей поверхности металлорежущего инструмента.

Упрочнение с фазовым переходом приводит к плавлению материала металлорежущего инструмента в облученной зоне. Данный вид упрочнения требует более высокой плотности и мощности лазерного излучения, что позволяет достигнуть значительной глубины упрочненного слоя материала металлорежущего инструмента. При этом упрочнении изменяется исходная шероховатость материала металлорежущего инструмента и необходимо применение шлифования, чтобы добиться нужного показателя шероховатости. При применении рассмотренных видов обработки не требуется специальной среды, и процесс проводится на воздухе.

Для применения лазерного легирования как одного из методов лазерной обработки для насыщения поверхностного слоя легирующими элементами требуется специальная среда (газообразная, жидкостная, твердая).

В результате на обрабатываемой поверхности материала металлорежущего инструмента образуется новый сплав, отличный по составу и структуре от исходного материала.

Применения лазерной наплавки (напыления) как одного из методов лазерной обработки позволяет нанести па поверхность обрабатываемого материала металлорежущего инструмента слой другого материала, улучшающий эксплуатационные свойства основного.

Применение лазерного легирования и лазерной наплавки (напыления) наиболее перспективны, так как происходит рост дефицита чистых металлов типа W, Mo, NiCr.

Существуют следующие способы подачи легирующего элемента (среды) в зону лазерного воздействия:

-          нанесение легирующего состава в виде порошка на обрабатываемую поверхность материала металлорежущего инструмента;

-          обмазка поверхности специальным легирующим составом;

-          легирование в жидкости (жидкой легирующей среде);

-          накатывание фольги из легирующего материала на обрабатываемую поверхность материала металлорежущего инструмента;

-          легирование в газообразной среде;

-          удержание легирующих элементов на обрабатываемой поверхности магнитным полем;

-          электроискровое нанесение легирующего состава;

-          плазменное нанесение покрытия;

-          электролитическое осаждение легирующего покрытия;

-          подача легирующего состава в зону обработки одновременно с лазерным излучением.

Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют целесообразность его использования в конкретном случае.

Размеры легированной зоны зависят в основном от параметров излучения и толщины покрытия легирующего материала. Как правило, легирование импульсным излучением обеспечивает меньшие размеры легированной зоны, чем при обработке непрерывным излучением. В частности, если при импульсной обработке глубина зоны достигает 0,3–0,7 мм, то применение непрерывного излучения мощных СO₂-лазеров позволяет увеличить глубины зоны до 3 мм.

Шоковое упрочнение применяется при воздействии на материал металлорежущего инструмента мощного импульса лазерного излучения наносекундной длительности. До воздействия лазерного излучения на материал металлорежущего инструмента наносится тонкий слой легкоплавкого металла. Воздействие мощного импульса лазерного излучения вызывает быстрое испарение легкоплавкого металла, что приводит к возникновению импульса отдачи, что приводит к возникновению мощной ударной волны в материале. В результате происходит пластическое деформирование материала, а при нагреве поверхностного слоя происходят изменения в его структуре.

Далее рассмотрим основные элементы лазерной установки необходимой для проведения лазерной обработки. Основными элементами лазерной установки являются:

-          активная среда (активный элемент);

-          устройство для накачки активной среды;

-          зеркала оптического резонатора;

-          элемент вывода энергии из резонатора;

-          фокусирующая оптическая система;

-          система управления.

Несмотря на простоту принципиальной схемы, лазеры отличаются большим разнообразием. Разнообразие лазеров объясняется применением в них разных видов активных сред:

-          диэлектрические кристаллы;

-          полупроводники;

-          газовые смеси;

Лазер обеспечивает энергетические и временные параметры воздействия, оптическая система формирует характеристики светового пучка как инструмента обработки. Точность, производительность и удобство обработки определяются характеристиками системы управления и координатным столом при перемещении обрабатываемого металлорежущего инструмента или лазерного луча. Для проведения лазерной обработки необходимо применение лазерной установки, которая состоит из лазера с блоком питания, оптической системы, системы управления и контроля обработки.

Применяемые лазеры при лазерной обработке могут быть:

-          Твердотельные лазеры с применением в качестве активной среды диэлектрических кристаллов. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном и непрерывном режиме;

-          Электроразрядные СО₂ лазеры используют элэктроразрядные возбуждения и прокачку газовой смеси СО₂,N₂. Они используются для непрерывной обработки.

Таким образом, лазерная обработка приводит к повышению теплостойкости (термостойкости) материала металлорежущего инструмента [3,с.25]. Она позволяет снизить в 3-4 раза износ металлорежущего инструмента путем повышения его поверхностной твердости при сохранении общей высокой динамической прочности, повышения теплостойкости, снижения коэффициента трения пары металлорежущий инструмент — заготовка.

Лазерная обработка представляет собой воздействие лазерного луча испускаемого лазером на металлическую поверхность и является эффективным и перспективным методом повышения износостойкости металлорежущего инструмента.

 

Литература:

 

1.         Вакс Е. Д., Миленький М. Н., Сапрыкин Л. Г. Технологические процессы лазерной обработки. — М. изд. Техносфера 2013. — 696 с.

2.         Вейко В. П. Опорный конспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий». Раздел: Технологические лазеры и лазерное излучение. Изд. 2–е, испр. и дополн.— СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. — 52 с.

3.         Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки М.: изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. — 664 с.