Проблемы износа в машинах и механизмах
________________________________________________________________________________
343
Abstract:
The object of research is the problem of increasing the strength of the surfaces of
parts using laser radiation.
Повышение сопротивления износу готовых изделий является одним из главных
актуальных вопросов в машиностроении. Увеличение прочности поверхностного слоя
в результате изменения его структуры может применяться как одно из технологиче-
ских решений. Получение высокой прочности поверхности достигается различными
методами: химико-термическим, плазменным, лазерным и другими. Рассмотрим один
из предложенных вариантов: повышение прочности с помощью лазера.
Возникновение лазерных устройств дало серьѐзный толчок развитию науки и
техники. В течение двух десятков лет после их создания появились новые фундамен-
тальные и прикладные курсы физической оптики – оптическая квантовая электроника
и нелинейная оптика. Сейчас достаточно тяжело вообразить ни актуальные фунда-
ментальные труды, ни решение технических и технологических вопросов без приме-
нения лазеров. В настоящее время насыщенность лазерным оснащением для всех ве-
дущих индустриальных стран стала одним из главных, наряду с внедрением компью-
теров, параметров промышленного прогресса. Машиностроение является передови-
ком в процессах осваивания нового лазерного оборудования и технологий в промыш-
ленном производстве. Это
характеризуется, во-первых, глобальным местом этой от-
расли в мировом научно-техническом развитии, а во-вторых, высочайшей технико-
экономической эффективностью внедрения здесь лазерных технологий.
Лазерный луч дает возможность получить результаты, недоступные другим мето-
дам. Процесс обработки лазером поверхностей рентабелен и многообещающ при повы-
шении прочности деталей из стали, чугуна и цветных сплавов с минимальным измене-
нием формы. Физико-механические характеристики поверхностных слоев, упрочненных
лазерной обработкой, обусловлены большими скоростями нагрева и охлаждения. Повы-
шение прочности металлов с помощью лазерного излучения осуществляется местным
увеличением температуры части поверхности под воздействием лазерного луча и после-
дующем быстром охлаждении этого поверхностного участка в результате отвода тепло-
ты во внутренние слои материала. В итоге развития своеобразных тепловых процессов
на поверхности обрабатываемых деталей появляется мелкодисперсная приповерхност-
ная
структура, которая представляется специфичной скорлупой с повышенными проч-
ностными параметрами. Главным достоинством этой технологии является то, что тепло-
упрочнение поверхности с глубиной 0,1 – 0,5 мм происходит в результате структурно-
фазовых превращений поверхностных слоев исходного материала путем регулируемого
влияния на обрабатываемую поверхность готовой детали лучом лазера, специализиро-
ванного для этой технологии, без какой-либо наплавки, без оплавления поверхности, без
нарушения макро- и микрогеометрии и, соответственно, без потребности в какой-либо
дальнейшей обработки. Обширное использование обработки поверхности лазером при-
меняется в целях увеличения срока службы, надежности деталей различного оборудова-
ния во многих сферах: химическом машиностроении, автомобильной промышленности,
судостроении, авиастроении, текстильной и легкой промышленности и т. д.
Мощный твердотельный лазер применяется в роли источника бомбардирования.
Этот процесс отдаленно напоминает плазменное напыление. Воздействие на поверх-
ность подобным лазером характеризуется отличительными параметрами по энергии им-
пульса и частоты «бомбардировки». Но с методом упрочнения с помощью деформиро-
НАДЕЖНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ
________________________________________________________________________________
344
вания поверхности лазеры смогли соперничать не так давно, когда появились на самом
деле мощные лазерные источники энергии. В промышленности
лазер для упрочнения
поверхности впервые стали применять при производстве турбинных лопаток для авиа-
ционной техники. Это тонкостенные детали сложной формы, поэтому более осторожное
лазерное повышение прочности для них стало предпочтительнее, чем стандартное
упрочнение пластической деформацией.
Вследствие возможности местного повышения прочности только быстроизнаши-
вающихся частей изделия (а не всей детали), большой линейной скорости процесса и ав-
томатизации управления технологической операцией, термоупрочнение поверхности
при помощи лазера характеризуется в отличие от общеизвестных уже традиционных ме-
тодов небольшим технологическим циклом, эффективностью реализации работ, относи-
тельно низкой удельной энерго-трудо-материалоемкостью и, соответственно, невысокой
стоимостью. Применение технологии повышения прочности при помощи лазерного из-
лучения возможно для увеличения стойкости к износу режущих кромок вырубных
штампов, ножей гильотинных ножниц,
шеек коленчатых валов, грейдерных и бульдо-
зерных ножей, червяков экструзионных установок, различных нитепроводящих и мно-
гих других деталей, работающих в условиях интенсивного многофакторного износа.
Повышение прочности при помощи лазерного излучения наплавленного слоя,
обладающего невысокой твердостью, позволяет решить еще один вопрос, заключаю-
щийся в том, что при наплавке изношенных поверхностей высокотвердыми напла-
вочными материалами возникает проблема механической обработки наплавленного
слоя под чертежный размер детали.
Следует отметить, что лазерное упрочнение не
снижает качество материала, так как структурно-фазовые превращения возникают
только в поверхностных слоях на глубину не более 1 мм, не затрагивая при этом
структуру и химический состав основного материала детали, не влияя на геометриче-
ские размеры и прочностные параметры детали в целом. Кроме перечисленных здесь
достаточно широких возможностей использования лазерного упрочнения, есть еще
много иных, где можно оперативно
применить эту технологию, например, упрочне-
ние шеек коленчатых валов, поверхностей гильз цилиндров двигателей внутреннего
сгорания, повышение прочности поверхностей прокатных валков, различных валов и
осей, режущих кромок ножей, нитепроводящих деталей и других трущихся поверхно-
стей, поверхностей различных шаровых опор, дорожек качения подшипников, зубьев
шестерен, и так далее. Очевидно, спектр возможностей лазерного упрочнения очень
велик как по материалам деталей, так и по их типоразмерам и предназначению. Во
всех этих и еще в разных других сферах использование оснащения и технологии по-
вышения прочности лазерным излучением дает возможность
обеспечить высокий
экономический эффект с быстрой окупаемостью затрат. В том числе присутствует ряд
достоинств лазерного процесса перед классическими технологиями. И они очевидны:
– ограниченность влияния;
– минимальное изменение формы детали;
– большая концентрация энергии;
– отсутствие соприкосновения с обрабатываемым изделием;
– возможность обработки труднодоступных мест;
– высокая степень автоматизации;
– экологичность процесса;
– высокая продуктивность.
