Подписка
Автор: 
В. И. Югов, Л. Е. Афанасьева

Мы живем в период острой необходимости конструктивного решения назревших вопросов по активизации деятельности во всех сферах народного хозяйства, особенно в промышленности, как гражданской, так и оборонной. Увеличивается выпуск машин и оборудования, создаются новые образцы техники, работающие в тяжелых условиях эксплуатации. Техника непрерывно усложняется, к ее деталям предъявляются повышенные требования по качеству, износостойкости, коррозионной стойкости, сроку службы и т. д. Применение лазерных технологий для повышения ресурса деталей машин имеет большие возможности и позволяет успешно решить ряд проблем.
Лазерный луч как технологический инструмент благодаря своим уникальным характеристикам, прежде всего высокой интенсивности и монохроматичности, возможности достижения высоких значений мощности и плотности потока энергии, выгодно отличается от известных технологических средств упрочнения поверхностей [1–4, 7, 8]. Основные показатели технологии лазерного поверхностного упрочнения для активного широкомасштабного ее применения:
• соотношение «цена — качество»: повышение срока службы деталей за счет радикального, в 2–6 раз повышения износостойкости упрочняемых на глубину до 0,8...1,5 мм поверхностей достигается ценой упрочнения, не превышающей 10–15 % стоимости неупрочненных деталей;
• упрочнение и повышение износостойкости поверхностей происходит без нарушения макро- и микрогеометрии детали, отсутствует необходимость выполнения каких-либо трудоемких подготовительных или заключительных доводочных работ;
• отсутствие проблем прочности связи (адгезии) упрочненного слоя с основой, что важно, например, при использовании технологии напыления;
• оперативность выполнения работ, т. к. упрочняются локально согласно программе только быстроизнашивающиеся поверхности, а не вся деталь;
• возможность упрочнения и модифицирования поверхностей широкой номенклатуры материалов с повышением их эксплуатационных характеристик, что позволяет во многих случаях заменять дорогостоящие, сложнолегированные материалы на более дешевые и доступные с приданием им нужных эксплуатационных характеристик;
• возможность дополнительного повышения износостойкости восстановленных ремонтной наплавкой поверхностей после их механической обработки в чертежный размер.
Учитывая разнообразие типоразмеров деталей и конструктивных параметров зоны обработки (острые кромки, тонкие стенки, сложные рельефы, внутренние поверхности и углубления, малые и большие поверхности и т. д.), мы должны пользоваться регулируемым, хорошо управляемым инструментом со стабильными предсказуемыми энергетическими параметрами и качественно новыми возможностями для практического применения.
Например, на владимирском станкостроительном заводе «Техника» на протяжении ряда лет выпускаются специальные автоматизированные лазерные комплексы нескольких модификаций, оснащенные технологическими постами с пятью координатами манипулирования луча и двумя координатами манипулирования деталью. Использование в этой отечественной разработке многоканального лазерного СО2‑излучателя (48 лучей) мощностью 5 кВт с оптимизированным распределением плотности мощности в пятне (патент РФ № 2580350) [5], а также компенсатора-стабилизатора длины оптической трассы позволяет обеспечить более высокие по сравнению с однолучевыми лазерами характеристики упрочняемого слоя материала. Затраты на приобретение комплексов и освоение технологии при двухсменной работе окупаются за 1,5–2,0 года при сроке их службы не менее 15 лет.
Чем вызвана необходимость многоканального излучателя? При поверхностном упрочнении необходим равномерный теплоотвод в поперечном сечении обрабатываемой дорожки при максимальной ширине прохода в любом направлении. Это позволяет обеспечить равномерность глубины и распределения микротвердости упрочненной зоны. Однолучевые лазеры с гауссовым распределением энергии в луче эту равномерность не дают без применения специальной сложной оптической системы. На рис. 1 даны изображения макрошлифов сталей, упрочненных: а) с помощью однолучевого лазера с гауссовым распределением плотности мощности по ширине упрочнения и б) с помощью многоканального лазера.

а)

б)1 мм

Рис. 1. Макрошлифы образцов в зоне лазерного упрочнения: а) однолучевым лазером; б) многоканальным лазером

Очевидно преимущество упрочнения поверхностей многоканальным лазером, так как по мере износа верхних слоев материала уменьшение ширины дорожки упрочнения происходит с меньшей скоростью. Кроме того, применение многолучевых лазеров позволяет получить более высокую равномерность глубины упрочнения, обрабатывать поверхности с меньшим количеством дорожек за счет уменьшения коэффициента перекрытия. Снижается время и стоимость обработки, повышается производительность.
По разработанным технологиям на специализированных лазерных комплексах за последние годы уже упрочнено несколько десятков тысяч производственных деталей для предприятий различных отраслей. Упрочнены детали разной сложности с размерами от десятков миллиметров до двух метров и более, массой от сотен граммов до двух с лишним тонн. Глубина упрочнения зависит от требуемых свойств конкретной детали и может изменяться от 30…50 мкм до 1,2…1,5 мм. Лазерная закалка приводит к повышению твердости, дисперсности структуры и увеличению износостойкости в 2–6 раз. На рис. 2–8 приведены примеры практического упрочнения производственных деталей различного назначения.

а)                                                                        б)
Рис. 2. Чугунная полуформа для литья стеклотары и распределение твердости по глубине упрочненного слоя кромки полуформы

а)                                                             б)
Рис. 3. Макрошлиф зубчатого колеса из стали 40Х и распределение твердости по глубине упрочненного слоя

Рис. 4. Лазерное термоупрочнение кромок статора и ротора станка для производства комбикорма. Материал — сплав ИС110Х17 ГД. Твердость после упрочнения 55…56 HRC.

Рис. 5. Термоупрочнение поверхности днища тонкостенного чугунного бункера станка для изготовления шариков подшипников

 Рис. 6. Процесс упрочнения рабочей кромки упора подвижного к муфте пусковой предохранительной МПП‑2 установки погружного насоса для добычи нефти

Рис. 7. Термоупрочнение без оплавления поверхности тонкого стального кольца диаметром 1152 мм

Рис. 8. Упрочненные детали фильеры.Материал: сталь 45Х. Твердость упрочненной поверхности 60…62 HRC

Приведем еще один пример эффективности лазерного упрочнения.  На практике для повышения ресурса чугунных стеклоформ часто пользуются методом наплавки кромок сопряжения. В таблице 1 приведены технологические операции, необходимые для метода наплавки (по данным генерального директора фирмы Glass Mould Services Эйко Вирсена, приведенным в ноябрьском номере журнала «Стеклянная тара», 2008 г.) и лазерного упрочнения.
Метод лазерного термоупрочнения выгодно отличается от метода наплавки кромок сопряжения. За счет значительного увеличения среднего съема стеклобутылок с одной упрочненной лазером формы (в шт.) стоимость упрочненной лазером формы в стоимости бутылки (руб.) ниже стоимости неупрочненной формы (рассчитанной по методике стекольщиков) в 2,6 раза.
Думаем, что серьезным специалистам этих областей, интересующимся и разбирающимся в технике, технологии и организации производства, вышеизложенная информация вполне достаточна для того, чтобы увидеть в своем производстве не одну деталь, обработка которой по изложенной технологии дала бы повышение ее ресурса.
Ниже перечислены области возможного применения лазерного упрочнения, по которым в той или иной форме уже поступала информация, заявления или письма, где эта технология может быть эффективно применена:
• в системе железнодорожного транспорта для обработки надрессорных балок, боковых рам, колесных пар, автосцепок, различных валов и т. д.;
• в металлургии для обработки прокатных валов разных типоразмеров, фильер, крупногабаритных нагруженных зубчатых колес и т. д.;
• в машиностроении и в станкостроении для обработки трущихся поверхностей направляющих станков и прессов, ходовых винтов и шлицевых валов, посадочных мест ступенчатых валов, поверхностей трения муфт, штоков, рычагов, деталей насосов и т. д.;
• в сфере нефтегазодобычи и геологоразведки для повышения срока службы резьбовых соединений труб, рабочих органов (коронок) буровых установок, деталей погружных насосов и т. д.;
• в инструментальном производстве для обработки режущих кромок вырубных штампов, особенно крупногабаритных дорогостоящих с длительным циклом изготовления, обработки штампов объемной холодной и горячей штамповки, режущих инструментов, ножей гильотинных и т. д.;
• в моторостроении (особенно мощных двигателей для судов и локомотивов) для обработки шеек коленчатых валов, распредвалов, седел клапанов, гильз цилиндров и т. д.;
• в сфере производства, ремонта и эксплуатации дорожно-строительной техники для повышения износостойкости и ресурса деталей гидроаппаратуры, ножей грейдерных и бульдозерных, звездочек и натяжных колес гусеничных экскаваторов и тракторов, зубьев ковшей экскаваторов и т.д.;
• в стеклотарной отрасли для повышения ресурса форм для литья стеклотары;
• в производстве газотурбинных двигателей для обработки кромок лопаток, шеек валов роторов и других быстроизнашивающихся деталей;
• в сфере производства, ремонта и эксплуатации сельскохозяйственной техники для увеличения срока службы рабочих органов почвообрабатывающей техники (плужных лемехов, дисков борон, ножей культиваторов и т. д.);
• в оборонной промышленности, в частности для повышения ресурса стволов артиллерийских установок;
• в сфере производства подшипников разных типоразмеров (прежде всего крупных и особо крупных) для различных отраслей и условий эксплуатации.
Широкомасштабное освоение технологии лазерного термоупрочнения в масштабах страны позволит сэкономить материальных, энергетических, трудовых и финансовых ресурсов на десятки миллиардов рублей в год.

В. И. Югов, доктор технических наук, профессор, Владимирский государственный университет имени  А. Г. и Н. Г. Столетовых, е‑mail: yugov_laser@bk.ru
Л. Е. Афанасьева, кандидат физико-математических наук, доцент,  Тверской государственный технический университет

Литература
1. Григорьянц А. Г. Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: МГТУ, 2006. 664 с.
2. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок. Под ред. В. Я. Панченко. М.: Физматлит, 2009. 664 с.
3. Югов В. И. Высокоэффективная технология ресурсосбережения: лазерная поверхностная обработка // Фотоника. 2012. № 4. C. 12–20.
4. Югов В. И. Увеличение ресурса деталей и машин // РИТМ машиностроения. 2014. № 7. C. 44–47.
5. Патент 2580350 РФ, МПК С21D 1/09 Устройство для упрочнения поверхности детали / Югов В. И. и др. Заявка № 2014144668/02, заявл. 05.11.2014. Опубл. 10.04.2016 Бюл. № 10.
6. Югов В. И., Афанасьева Л. Е., Барабонова И. А., Раткевич Г. В. Упрочнение конструкционной стали с помощью многоканального СО2-лазера // Письма о материалах 2017. Т. 7. № 1. С. 8–11.
7. Афанасьева Л. Е., Югов В. И., Гречишкин Р. М. Металлографический мониторинг качества закалки, проводимой с помощью многоканального лазера // Контроль. Диагностика. 2017. № 4. С. 36–39.
8. Югов В. И., Афанасьева Л. Е., Новоселова М. В. Особенности формирования структуры и микрогеометрии поверхности лазерных наплавок с использованием многоканального СО2‑лазера // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 11. С. 19–22.

 

Реклама наших партнеров