Повышение эффективности процесса лазерного упрочнения путем оптимального управления технологическими параметрами

• Автор: Сабиров, Ильдар Салихзянович
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Набережные Челны
• Количество страниц: 147 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ ЗАКАЛКИ.

1.1. Общие вопросы технологии лазерного упрочнения

1.2. Анализ изделий подвергающихся термическому упрочнению

1.3. Анализ используемого лазерного технологического оборудования

1.3.1. Оборудование для упрочнения материалов лазерным излучением

1.3.2. Схемы реализации процесса лазерного упрочнения

1.4. Анализ влияния параметров лазерного упрочнения на показатели качества технологического процесса.

1.5. Системы управления лазерными технологическими комплексами

1.6. Анализ методов расчета параметров технологического процесса

1.7. Выводы к первой главе. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2.РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ
2.1. Формализованное описание процесса лазерного упрочнения
2.2. Особенности описания геометрической формы детали
2.3. Математическое описание подвижных источников воздействия.
2.4. Математическая модель теплового потока, наведенного лазерным излучением
2.4.1. Особенности описания моделирования теплофизических процессов при нагреве металла ЛИ.
2.4.2. Аналитические модели теплового поля
2.4.3. Моделирование теплового поля на основе численной модели
2.5. Исследование теплового поля, формируемого лазерным излучением
2.5.1. Исследование термических циклов
2.5.2. Тепловое поле вблизи границ тела
2.6. Выводы ко второй главе
ГЛАВА 3.МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА
ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ
3.1. Задание параметров процесса упрочнения при помощи
термокинетических кривых
3.2. Критерий оценки качества ТП при выборе технологических
параметров
3.3. Понятие распределенного и подвижного управления
3.4. Расчет вектора управления параметрами лазерного упрочнения
3.4.1. Определение распределенного воздействия теплового источника
3.4.2. Определение параметров перемещающегося лазерного источника нагрева
3.5. Выводы к третьей главе
ГЛАВА 4.РЕАЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
4.1. Расчет технологических параметров упрочнения коромысла
клапана
4.2. Разработка схемы измерения температуры в зоне обработки
4.3. Разработка и исследование системы автоматического
управления ЛТК
4.4. Результаты упрочнения коромысла клапана
4.5. Выводы к четвертой главе
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Из разнообразных типов оптических квантовых генераторов для обработки материалов в основном используются твердотельные и газовые лазеры [1]. В твердотельных лазерах генерация излучения осуществляется в твердом активном элементе, в качестве которого используются стержни из кристалла искусственного рубина, стекла с примесью редкоземельного элемента неодима или иттрий-алюминиевого фаната с добавкой неодима. В газовых лазерах в качестве активной среды используются различные газы и смеси газов. Наиболее распространены газовые лазеры на диоксиде углерода СО2. Указанные типы лазеров обладают большой выходной мощностью, относительно высоким КПД, стабильностью параметров излучения и в связи с этим находят все большее применение в промышленности [8]. Отличительной особенностью твердотельных лазеров на иттрий-апюминиевом фанате является возможность генерации излучения не только в импульсно-периодическом, но и в непрерывном режиме. Однако средняя мощность излучения даже лучших твердотельных лазеров ограничена малыми линейными размерами синтетических кристаллов и низкой теплопроводностью, затрудняющей охлаждение активных элементов [8]. Газовые лазеры способны развивать большую среднюю мощность в непрерывном и импульсно-периодическом режимах генерации излучения. Как известно [1], импульсное излучение не может обеспечить высокую производительность при большой глубине упрочнения. Поэтому для упрочнения крупногабаритных инструментов и штампов целесообразнее применять непрерывное излучение мощных СОг-лазеров. Технология поверхностной лазерной обработки основана на эффекте теплового действия лазерного излучения (ЛИ) сфокусированного лазерного луча 2, перемещающегося по поверхности детали 1 (см. Рис. Каждый участок обрабатываемой поверхности детали нагревается излучением до температуры закалки, а затем охлаждается, передавая тепловую энергию всей массе детали. В результате, по пройденной лучом траектории, формируется дорожка 3, в которой структура и свойства материала изменены. Геометрию этой дорожки (ширину, глубину, пространственную форму и др. Поскольку энергия луча затрачивается на нагрев небольшого объема металла, процесс закалки протекает достаточно быстро. Скорость охлаждения зоны взаимодействия превышает критическое значение за счет отбора тепла всей массой, однако необходимые процессы фазовых преобразований протекают медленно. Поэтому для их ускорения требуется повышать температуру закалки до температуры плавления [3,,]. Лазерное упрочнение ориентировано на повышение твердости и износостойкости поверхности деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, перлитных и феррито-перлитных чугунов [,]. Для лазерной технологии характерны высокие скорости охлаждения нагретого металла ( 3 4 К/с) [-]. До % потребности в лазерной обработке материалов приходится на термическую обработку, причем наибольший эффект достигается в таких областях, как обработка ответственных узлов деталей машин (особенно в автомобилестроении, дорожном и сельскохозяйственном машиностроении), валков прокатных станов и блюмингов, инструментов, штампов и т. В автомобилестроении лазерное упрочнение применяется для повышении износостойкости распределительных валов, коленчатых валов, шестерен, рабочих поверхностей клапанов, клапанных седел, компрессионных колец и др. Износостойкость кулачков распредвала двигателя внутреннего сгорания в ряде случаев лимитирует ресурс работы двигателя. Их упрочнение целесообразно проводить излучением мощного непрерывного лазера, так как суммарная поверхность, подлежащая упрочнению, относительно велика. Повышение надежности и долговечности режущего инструмента является очень серьезной проблемой, особенно в связи с расширением использования автоматических линий, обрабатывающих центров, станков с ЧПУ, внедрением гибких автоматизированных производственных систем (ГАЛС). Для инструментов, работающих при низких скоростях резания (протяжки, прошивки, долбяки, плашки, метчики, развертки), характерен преимущественно абразивный износ. Инструмент, работающий при высоких скоростях резания (отрезные и фасонные резцы, дисковые и концевые фрезы, зуборезный инструмент и пр.