Применение метода конечных элементов для выбора режимов импульсной упрочняющей лазерной

обработки режущего инструмента

 

Яресько С.И. (СФ ФИАН, Самара, РФ)

Горяинов Д.С. (СамГТУ, Самара, РФ)

 

Предложен способ выбора условий и режимов лазерной импульсной обработки режущего инструмента, основанный на анализе результатов моделирования процесса упрочнения методом конечных элементов.

The method of conditions and regimes choice of laser treatment of the cutting tool, based on the analysis of modeling results of laser hardening by a finite element method has been offered.

 

Ключевые слова: режущий инструмент, лазерное упрочнение, моделирование

Keywords: cutting tool, laser hardening, modeling

 

Введение

        В практике импульсной лазерной термообработки режущего инструмента (РИ) преобладает экспериментальный метод выбора режима упрочнения, позволяющий с точностью, необходимой на практике, выполнить лазерную обработку (ЛО) конкретного типа инструмента. Распространение выбранного режима на другие материалы и типоразмеры РИ в большинстве случаев невозможно.         Имеющиеся в настоящее время частные аналитические зависимости, устанавливающие связь между параметрами зоны лазерного воздействия (ЗЛВ) и режимами ЛО, не отражают специфических аспектов, касающихся упрочнения режущих инструментов. Не учитывают особенностей геометрии инструмента, не позволяют определить энергетические характеристики лазерного излучения (ЛИ) в зависимости от расположения лазерного источника на упрочняемой поверхности. В этом случае достаточно полное исследование может быть проведено в результате детальных численных расчетов.

        В связи с вышесказанным целью настоящей работы являлась разработка способа выбора условий и режимов упрочняющей импульсной обработки РИ на основе исследований закономерностей формирования температурного поля при упрочнении РИ импульсным лазерным излучением с учетом геометрических параметров инструмента и пространственных, временных и энергетических характеристик ЛИ.

Методика расчетов

Задача о нагреве режущего клина инструмента при упрочняющей ЛО решалась в трехмерной постановке методом конечных элементов (КЭ). Моделировался нагрев режущего клина инструмента (угол заострения – b, радиус заточки R=0,1 мм) лазерным импульсом треугольной формы длительностью 10 мс с равномерным распределением плотности энергии ЛИ по сечению лазерного пятна (рис. 1). Задача решалась в три шага: на первом – рассматривалась стадия нагрева с линейным возрастанием тепловой нагрузки до ее максимального значения; на втором – приложенная нагрузка уменьшалась от максимума до нуля; на третьем – моделировалась стадия остывания. Время каждого из первых двух шагов – 0,005 сек. Время остывания 1 сек. Свойства материала соответствовали стали Р18.

Рисунок 1 –  Схема нагрева режущего клина инструмента сосредоточенным поверхностным тепловым источником с равномерным распределением плотности мощности по сечению пучка

Для проведения расчетов была построена конечно-элементная модель режущего клина. Область лазерного воздействия на передней поверхности инструмента моделировалась в виде двух вложенных друг в друга квадратных участков: центрального и периферийного, что соответствует процессу упрочнения с использованием фокусирующего призменного растра. В модели размер центральной зоны был принят равным 3х3 мм, общий размер пятна ЛО – 4х4 мм. В каждой из зон распределение плотности энергии принималось равномерным, причем величина тепловой нагрузки в центральную зону была вдвое больше, чем в периферийную.

Для оценки достоверности разработанной модели был смоделирован нагрев полубесконечного тела поверхностным тепловым источником и проведено сравнение с результатами аналитического расчёта. Плотность энергии ЛИ и параметры ЗЛВ определялись при условии, что температура на поверхности ЗЛВ не должна превышать температуру плавления, принятую в расчетах для стали Р18 как 1250°С. Изучение распределения температур по глубине ЗЛВ показало, что с учетом сдвига критических точек, температура дна зоны закалки равна 930°С. Это приводит к значению глубины ЗЛВ равному 67 мкм, что хорошо совпадает со значением, полученным аналитически в приближении одномерной модели нагрева полубесконечного тела и равным 56 мкм.

Удовлетворительное совпадение результатов, полученных методом КЭ, с данными аналитических расчетов дает основание использовать метод КЭ для исследования закономерностей формирования температурного поля при импульсном лазерном нагреве режущего клина инструмента и последующей разработки методик определения технологических параметров процесса лазерного упрочнения РИ различного назначения и номенклатуры.

 

Результаты расчетов и их обсуждение

Численные эксперименты проводились для углов заострения режущего клина, изменяющихся от 45º до 85º, при вариации положения центра пятна ЛО относительно главной режущей кромки. При исследовании распределения температуры в конкретных точках поверхности режущего клина было установлено, что ширина зоны упрочнения (Dx) у главной режущей кромки равная ширине облучаемого участка, где температура превышает значение 930°С, существенным образом зависит от расположения центра пятна относительно кромки. При удалении центра пятна от кромки на расстояние 1,65-1,70 мм (b=60 град) Dx=3,1-3,15 мм и глубина ЗЛВ равная 63-67 мкм достигаются при плотности энергии ЛИ e»2,23-2,28 Дж/мм2 (рис. 2б). Глубина упрочнения по задней поверхности (определяется как глубина залегания изотермы 930°С на задней поверхности клина) изменяется от 100 до 77мкм с удалением центра пятна ЛО от главной режущей кромки (рис. 2б, в). Параллельное перемещение центра пятна ЛО вдоль главной режущей кромки обеспечивает ее упрочнение на всем протяжении. В этом случае однорядная моноимпульсная ЛО обеспечивает параметры ЗЛВ необходимые для эффективного упрочнения РИ. При размещении пятен ЛО с коэффициентом перекрытия К=0,7 коэффициент равномерности ЗЛВ, определяемый как отношение минимальной глубины ЗЛВ к максимальной, равен 0,61.

Рисунок 2 – Распределение температуры (°С) по сечению режущего клина инструмента в зависимости от удаления центра пятна ЛО от главной режущей кромки в момент достижения максимальной глубины ЗЛВ (t=7,7мс), при х: а – 1,6мм, б – 1,65мм, в – 1,75мм, г – 1,8мм

При фиксированном положении центра пятна ЛО относительно главной режущей кромки (например, х=1,65 мм) уменьшение угла клина до 45-55 град приводит к уменьшению глубины зоны упрочнения до 35-55 мкм (e»1,98-2,16 Дж/мм2), при этом глубина ЗЛВ по задней поверхности остается достаточно большой 110-120 мкм. Ширина упрочненной зоны Dх=2,95-3,05 мм практически остается постоянной при изменении угла заострения в названном диапазоне значений. Это позволяет рекомендовать для инструмента с указанными углами заострения приведенные выше режимы упрочнения. При необходимости увеличения общей глубины ЗЛВ и глубины упрочнения по задней поверхности необходимо использовать двукратную ЛО.

На примере РИ с углом клина b=45° установлено, что двукратная ЛО должна проводиться с небольшим смещением центров расположения пятен равным 0,2-0,25 мм, располагая первый импульс на удалении от главной режущей кромки на расстоянии x=1,7-1,75 мм. Такая ЛО приводит к увеличение глубины упрочнения по задней поверхности по сравнению с моноимпульсным воздействием ~ на 20%. Увеличение общей глубины ЗЛВ составляет ~ 47% и достигается при e»2,14 Дж/мм2 и e»1,64 Дж/мм2 для первого и второго импульсов соответственно.

Увеличение b до 65-75 град существенно не изменяет параметры ЗЛВ (e»2,28 Дж/мм2, глубина 67 мкм, Dx»3,1-3,15 мм) и оказывается целесообразна моноимпульсная однорядная ЛО. Рассматриваемое положение центра пятна ЛО (х=1,65 мм) оказывается не целесообразным при упрочнении РИ с углом заострения b=85°, т.к. в этом случае не обеспечивается упрочнения главной режущей кромки.

Для режущего клина с углом заострения b=60° не рекомендуется для упрочнения использовать ЛО с расположением центра пятна на расстоянии от главной режущей кромки x=1,75-1,8 мм. В этом случае у кромки режущего клина появляется неупрочненная зона шириной до 0,2 мм (рис. 2г). При увеличении величины x от 1,5 до 1,75 мм глубина зоны упрочнения по задней поверхности уменьшается от 120 мкм до 35 мкм. При этом плотность энергии ЛИ изменяется от 1,78 Дж/мм2 до 2,28 Дж/мм2. С приближением центра пятна ЛО к главной режущей кромке на расстояние менее 1,65 мм глубина ЗЛВ уменьшается до ~10-40 мкм при e»1,78-2,05 Дж/мм2 (рис. 2а). В этом случае для перекрытия зоны контакта стружки с резцом на передней поверхности РИ зоной упрочнения глубиной не менее 60-65 мкм необходимо проводить двухрядную моноимпульсную ЛО вдоль главной режущей кромки путем последовательного наложения пятен обработки с коэффициентом перекрытия К=0,6-0,7. Максимальное значение глубины ЗЛВ равное 67 мкм наблюдается при расположении центра пятна ЛО на удалении от главной режущей кромки ~ 1,7 мм.

Расчеты, выполненные для РИ с углом заострения b=60°, показывают, что увеличение ширины зоны упрочнения с сохранением высоких значений глубины ЗЛВ может быть достигнуто при использовании двухрядной ЛО. В этом случае ЛО следует начинать, постепенно приближаясь к главной режущей кромке, располагая центр пятна зоны ЛО первого импульса на расстоянии от нее равном 4,0-4,4 мм при e»2,28Дж/мм2. Согласно расчету ЛО вторым импульсом целесообразно реализовать с коэффициентом перекрытия К=0,6-0,7 при e»2,22Дж/мм2. В этом случае при расположении центра зоны ЛО на расстоянии х=1,65 мм от главной режущей кромки достигаются наилучшие характеристики ЗЛВ: глубина 67-70 мкм, глубина упрочнения по задней поверхности 96 мкм, Dx=5,5-5,9 мм. При К=0,6 коэффициент равномерности ЗЛВ равен 0,89-0,93, при К=0,7 – 0,6 и уменьшается до нуля при К=0,8.

Руководствуясь полученными данными для увеличения ширины зоны упрочнения можно рекомендовать двухрядную ЛО при расположении центра пятна зоны ЛО второго импульса на расстоянии от главной режущей кромки не менее 1,65-1,7 мм.

Численный анализ моделей позволил разработать рекомендации по организации процесса упрочняющей ЛО инструмента:

·             при углах заострения режущего клина b=45-55° однорядная двукратная импульсная упрочняющая ЛО при расположении центра пятна облучения на расстоянии 1,65 мм от главной режущей кромки обеспечивает наилучшие характеристики ЗЛВ (глубину, ширину, равномерность глубины);

·             при углах заострения режущего клина b=60-85° лучшие характеристики ЗЛВ достигаются при однорядной моноимпульсной упрочняющей ЛО инструмента.

Разработанные методики выбора технологических параметров процесса лазерного упрочнения РИ позволяют для различных типов инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей, рекомендовать соответствующие режимы упрочняющей ЛО.

Известно, что при обработке углеродистых и легированных сталей (независимо от их прочностных характеристик) угол заострения резцов из быстрорежущей стали составляет 62-72 град [1, 2]. В этом случае моноимпульсная однорядная ЛО с плотностью энергии e»2,28 Дж/мм2 при расположении центра пятна на расстоянии от главной режущей кромки 1,7 мм обеспечивает глубину и ширину ЗЛВ соответственно 67 мкм и 3,1 мм. При обработке алюминия, меди и их сплавов угол заострения резцов уменьшается до 40-50 град, поэтому более предпочтительной является двукратная упрочняющая ЛО (рис. 3) с более низкими значением плотности энергии e»2,14 Дж/мм2 и e»1,64 Дж/мм2 для первого и второго импульсов соответственно при расположении центра пятна ЛО на удалении от главной режущей кромки 1,5 мм, что обеспечивает общую глубину ЗЛВ на уровне ~50 мкм.

Для большинства типов метчиков независимо от обрабатываемого материала угол заострения находится в пределах 65-85° [2]. Поэтому для этих инструментов наилучшие характеристики ЗЛВ достигаются при моноимпульсной ЛО при положении центра пятна обработки на расстоянии 1,65 мм от главной режущей кромки. Только для инструмента, используемого при нарезании резьбы в деталях из высокопрочных чугунов, упрочнение следует проводить, располагая центр пятна ЛО ближе к кромке (х=1,5 мм). А при упрочнении метчиков для обработки меди лучшие характеристики ЗЛВ достигаются при двукратной импульсной упрочняющей ЛО (рис. 3).

Анализ геометрических характеристик сверл различного назначения и номенклатуры показывает, что для них в качестве основного режима упрочнения следует рекомендовать двукратную импульсную упрочняющую ЛО, причем для сверл большего диаметра, имеющих меньший задний угол на периферии [1], удаление центра пятна ЛО от режущей кромки должно быть меньше, чем для мелкоразмерных сверл.

Рисунок 3 – Диаграмма, иллюстрирующая выбор режима упрочняющей лазерной обработки инструмента

Моноимпульсная однорядная ЛО является наиболее предпочтительной при упрочнении разверток различного применения и широкого спектра фрез (концевых, торцевых, цилиндрических, фасонных и др.). Исключение составляют фрезы, применяемые при обработке легких сплавов. В этом случае должен быть реализован вариант двукратного импульсного упрочнения по передней поверхности. Аналогичные рекомендации применимы и для зенкеров различного назначения.

Выводы

Разработана конечно-элементная модель расчета температурного поля в режущем клине инструмента при упрочняющей импульсной ЛО, учитывающая влияние геометрических параметров инструмента и пространственных и временных характеристик ЛИ. Численно методом конечных элементов решена задача о нагреве режущего клина инструмента. Определены режимы упрочняющей ЛО, обеспечивающие наилучшие параметры ЗЛВ. Разработаны рекомендации по применению ЛО для упрочнения инструмента различного вида и назначения.

Список использованных источников

1. Семенченко, И.И. Проектирование металлорежущих инструментов [Текст] / И.И. Семенченко, В.М. Матюшин, Г.Н. Сахаров. – М.: Машгиз, 1962. – 952с.

2. Справочник инструментальщика [Текст] / И.А. Ординарцев [и др.]; под общ. ред. И.А. Ординарцева. – Л.: Машиностроение, 1987. – 846с.