УДК 621.373.826:621.78.001.57+621.9

Анализ и особенности Моделирования лазерного упрочнения вершины резца

 

ANALYSIS AND FEATURES OF THE MODELING OF LASER HARDENING OF THE CUTTER TIP

 

Яресько С.И., Балакиров С.Н. (Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, СамГТУ, г.Самара, РФ)

Yaresko S.I., Balakirov S.N. (SB LPI, SSTU, Samara, Russia)

 

Методом конечных элементов в 3D постановке решена задача по моделированию процесса лазерного упрочнения вершины режущего клина. Разработана параметрическая конечноэлементная модель, определены оптимальные режимы лазерной обработки.

The task of modeling the process of laser hardening the cutter tip was solved by the finite element method in a 3D setting. Parametric finite element model was developed. The optimum laser treatment modes were determined.

 

Ключевые слова: температурное поле, лазерное упрочнение, моделирование, вершина резца, метод кончных элементов

Key words: temperature field, laser hardening, modelling, cutter tip, method of finite elements

 

Введение

Основная нагрузка и износ в процессе работы режущего инструмента (РИ) приходятся на вершину режущего клина и смежные кромки. Одним из методов, позволяющим добиться повышения износостойкости инструмента, может служить импульсная лазерная упрочняющая обработка. Однако при упрочнении РИ любого типа определенные сложности вызывает лазерная обработка (ЛО) вершины режущего клина. Это обусловлено многими причинами, определяющей из которых является невозможность однозначного выбора расположения источника тепла на обрабатываемой поверхности, принимая во внимание геометрию режущего клина и пространственные, временные и энергетические характеристики лазерного излучения (ЛИ).

Одним из важнейших факторов, определяющих качество лазерного упрочнения вершины и кромок режущего инструмента, является распределение температурного поля, формирующегося при ЛО. Расположение теплового источника на обрабатываемой поверхности, его интенсивность и распределение плотности энергии по сечению лазерного пучка должны обеспечивать максимальные площадь упрочнения и глубину упрочненной зоны. На распределение температурного поля большое влияние оказывают не только расположение и плотность энергии теплового источника, но и геометрия и материал режущего клина инструмента.

Наиболее распространенным при организации технологического процесса импульсной лазерной термообработки РИ является экспериментальный метод выбора режимов упрочнения. При этом установленные режимы ЛО для других типоразмеров и инструментальных материалов в большинстве случаев не применимы. Использование на практике простых аналитических зависимостей, с помощью которых можно с достаточной точностью определить режимы ЛО для проведения лазерного упрочнения [1-3 и др.], не позволяет учитывать влияние геометрии РИ и расположение теплового источника относительно режущих кромок на распределение температурного поля. В этом случае достаточно полное исследование может быть проведено в результате детальных численных расчетов.

Целью настоящей работы являлось исследование закономерностей формирования температурного поля в вершине режущего клина и прилегающих режущих кромках при упрочнении РИ импульсным лазерным излучением с учетом геометрических параметров инструмента и пространственных, временных и энергетических характеристик ЛИ.

Методика расчетов

Задача о нагреве вершины резца при упрочняющей импульсной ЛО решалась в трехмерной постановке методом конечных элементов (КЭ) в программе ANSYS Workbench. Тип анализа – переходный тепловой (Transient Thermal) с автоматическим выбором числа подшагов. Моделировался нагрев передней поверхности резца в области его вершины. Радиус скругления между главной и вспомогательной режущими кромками R=0,8 мм, радиус заточки r=0,1 мм, угол заострения b=60°. При моделировании предполагалась, что лазерный нагрев осуществляется импульсом треугольной формы длительностью 10 мс с равномерным распределением плотности энергии ЛИ по сечению лазерного пятна (рис. 1). Свойства материала соответствовали стали Р18. Как и в [4] зона лазерного воздействия (ЗЛВ) моделировалась в виде двух вложенных друг в друга квадратных участков: центрального и периферийного. Данная форма ЗЛВ на поверхности реально наблюдалась в экспериментах по упрочняющей ЛО сталей и сплавов с использованием фокусирующего призменного растра [5-6]. В модели размер центральной зоны был принят равным 3´3 мм, общий размер пятна ЛО – 4´4 мм.

 

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

 

Определение параметров ЗЛВ (глубины и протяженности), а также плотности энергии ЛИ проводилось при следующих условиях. Во-первых, температура на поверхности ЗЛВ не должна превышать температуру плавления инструментального материала, принятую в расчетах для стали Р18 как 1250°С. Во-вторых, для определения температуры дна зоны закалки принималось во внимание, что кинетика a®g - превращения в стали при лазерной закалке лимитируется диффузией углерода и данное превращение протекает не изотермически, а в определенном интервале температур: от  до . Вследствие этого имеет место сдвиг критической точки  в область высоких температур на величину , определяемую по формуле [1]:

 

где К  параметр диаграммы состояния (для сталей К = 110°С); х  половина расстояния между соседними центрами кристаллизации аустенита, характеризующая структурный фактор, для закаленной стали х » 10–5 см [7]; – коэффициент диффузии углерода в аустените при температуре аустенизации (согласно [8] = 5,58 см2/c при = 820°С); Vн  скорость нагрева. Для анализируемых условий ЛО величина  составляет ~ 110°С [4]. Принимая во внимание, что для стали Р18 температура  составляет 820°С [9], была сделана оценка температуры дна зоны закалки, которая оказывается равной T=930°С. По этому значению температуры в дальнейшем определялась глубина ЗЛВ.

Для определения оптимального режима упрочняющей ЛО вершины резца задача решалась в несколько этапов. На первом – выполнялся расчет температурного поля на поверхности и по глубине ЗЛВ при фиксированном расстоянии центра пятна ЛО от вспомогательной режущей кромки (X=2,8 мм). Координата Y изменялась от значения Y=2,0 мм до Y=1,4 мм. На втором – расчеты выполнялись при фиксированной координате Y, являющейся оптимальной по данным расчетов на первом этапе. Смещение центра зоны ЛО к вспомогательной режущей кромке изменялось от значения X=2,0 мм до X=1,2 мм с шагом 0,1 мм.

Результаты расчетов и их обсуждение

Для выбора параметров процесса лазерного упрочнения вершины РИ: положения центра пятна ЛО на передней поверхности, плотности энергии ЛИ и параметров ЗЛВ (ее глубины и протяженности) была проведена серия численных экспериментов. Плотность энергии ЛИ в расчетах выбиралась таким образом, чтобы на поверхности ЗЛВ не достигалась температура, равная температуре плавления для данной марки стали, и при этом обеспечивалось упрочнение вершины инструмента, прилегающих режущих кромок и передней поверхности с максимальной глубиной ЗЛВ.

В результате расчетов на первом этапе получены изолинии температурного поля на передней поверхности РИ для различных положений центра теплового источника относительно главной режущей кромки (рис. 2) при фиксированном положении центра пятна ЛО относительно вспомогательной режущей кромки.

Изменение распределения температуры по глубине ЗЛВ по мере удаления центра пятна ЛО от главной режущей кромки показано на рисунке 3. При этом для каждого положения теплового источника на передней поверхности РИ были рассчитаны значения плотности энергии (e), максимальная глубина (z) упрочнения (как максимальная глубина залегания изотермы 930°С) и длина упрочненной зоны (l) в направлении перпендикулярном главной режущей кромке и проходящем через центр пятна ЛО. Расчеты показывают, что с удалением центра пятна ЛО от передней режущей кромки плотность энергии постепенно увеличивается от значения 1,58 Дж/мм2 до 2,27 Дж/мм2, оставаясь постоянной и равной 2,27 Дж/мм2, начиная от момента, когда Y=1,7 мм. Последнее вполне закономерно, если принять во внимание значения тепловой нагрузки, которые были реализованы в расчетах при подведении теплового потока в периферийную и центральную части пятна ЛО [4]. При этом глубина зоны упрочнения на передней режущей кромке меняется сообразно расположению теплового источника относительно кромки. А именно, прослеживая картину изменения температурного поля по глубине ЗЛВ (рис. 3), отметим, что с удалением от главной режущей кромки, начиная с Y=1,5 мм, глубина z уменьшается со значения 150 мкм до значения 60 мкм при Y=1,9 мм. Длина упрочненной зоны постоянно растет от l=0,35 мм (при Y=1,4 мм) до l=3,23 мм (при Y=1,8 мм). При значениях Y больше 1,9 мм упрочнения главной режущей кромки не наблюдается.

 

 

Рисунок 2 – Распределение температуры на передней поверхности режущего клина инструмента. Расстояние Y между центром пятна ЛО и главной режущей кромкой, мм:

а – 1,5; б – 1,6; в – 1,7; г – 1,8; д – 1,9; е – 2,0

 

 

Итак, по результатам расчетов на первом этапе получено, что при удалении центра пятна ЛО от главной режущей кромки на 1,6 мм упрочняются как главная режущая кромка, так и передняя поверхность РИ, достигаются достаточно высокие значения глубины упрочнения z ≈ 120 мкм и длины зоны упрочнения l ≈ 2,93 мм. При этом плотность энергии e » 1,88 Дж/мм2, что на ~ 18-20% меньше значения плотности энергии, необходимого для упрочнения передней режущей кромки вдали от вершины резца [4].

В результате расчетов на втором этапе получены характерные картины температурного поля на передней поверхности РИ, для некоторых положений центра теплового источника относительно вспомогательной режущей кромки при фиксированном расстоянии от главной режущей кромки до центра пятна ЛО равном Y=1,6 мм они представлены на рисунке 4.

 

Рисунок 3 – Распределение температуры по глубине ЗЛВ. Расстояние Y между центром пятна ЛО и главной режущей кромкой, мм: а – 1,5; б – 1,6; в – 1,7; г – 1,8; д – 1,9; е – 2,0

 

Рисунок 4 – Распределение температуры на передней поверхности режущего клина инструмента (Y=1,6 мм). Расстояние Х между центром пятна ЛО и вспомогательной режущей кромкой, мм: а – 1,3; б – 1,4; в – 1,5; г – 1,6; д – 1,8; е – 2,0

 

 

Изменение распределения температуры по глубине ЗЛВ в диагональном сечении, т.е. сечении, проходящем через биссектрису угла между главной и вспомогательной режущими кромками, показано на рисунке 5. Как и на первом этапе для каждого положения теплового источника на передней поверхности РИ были рассчитаны: плотность энергии (e), максимальная глубина (z) упрочнения и длина упрочненной зоны (l) в диагональном сечении.

Анализируя данные расчетов, можно отметить, что максимальные значения глубины (z=138 мкм) и протяженности ЗЛВ (l=0,32 мм) достигаются при расположении центра пятна ЛО не далее, чем на 1,6 мм от вспомогательной режущей кромки при e=1,56 Дж/мм2. При расположении цента пятна ЛО в точке с координатами X=1,6 мм и Y=1,6 мм зона упрочнения на вспомогательной режущей кромке не наблюдается (рис. 4).

 

Рисунок 5 – Распределение температуры по глубине ЗЛВ в диагональном сечении (Y=1,6 мм). Расстояние Х между центром пятна ЛО и вспомогательной режущей кромкой, мм: а – 1,3; б – 1,4; в – 1,5; г – 1,6; д – 1,8; е – 2,0

 

При изменении расстояния между центром зоны ЛО и вспомогательной режущей кромкой от 1,2 мм до 1,5 мм распределение температурного поля не меняется (рис. 4 и 5). Если продолжать уменьшать координату X вплоть до нуля, вершина режущего клина по-прежнему будет находиться в зоне с однородным распределением ЛИ с плотностью энергии ε=1,56 Дж/мм2. Это дает основание утверждать, что для ее эффективного упрочнения центр пятна ЛО следует располагать в точке с координатами от X=1,5 мм; Y=1,6 мм до X=0,0 мм; Y=1,6 мм. Принимая при этом во внимание необходимость упрочнения обеих режущих кромок, оптимальным будет положение центра пятна ЛО в точке с координатами X=1,5 мм; Y=1,6 мм, при котором достигается максимальная длина упрочненной зоны на вспомогательной режущей кромке l=2,98 мм.

Таким образом, для моноимпульсной ЛО вершины режущего клина с углом заострения b=60° оптимальным будет расположение центра зоны ЛО на расстоянии от вспомогательной режущей кромки X=1,5 мм, от главной режущей кромки Y=1,6 мм при плотности энергии ЛИ ε=1,56 Дж/мм2. При этом не наблюдается оплавления режущих кромок, глубина упрочненной зоны составляет z=138 мкм и ее протяженность в диагональном сечении l=0,32 мм. Распределение температуры на поверхности ЗЛВ в вершине режущего клина для данного положения центра пятна ЛО на передней поверхности РИ показано на рисунке 6. Для обеспечения упрочнения всей поверхности в области вершины ЛО следует проводить с перекрытием нескольких пятен, располагая их по биссектрисе угла при вершине резца.

Разработанная методика расчета достаточно просто может быть распространена на любые углы заострения РИ и применена для любого другого инструментального материала.

 

Рисунок 6 – Распределение температуры на поверхности ЗЛВ при нагреве вершины РИ: а – общий вид, б – изотермы при нагреве вершины

 

Выводы

1. Численно методом конечных элементов в трехмерной постановке решена задача о нагреве вершины режущего инструмента.

2. Установлены закономерности формирования температурного поля при упрочнении вершины РИ импульсным лазерным излучением. Определены режимы упрочняющей ЛО, обеспечивающие наилучшие параметры ЗЛВ в области вершины режущего клина.

Список использованных источников

1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: учеб. пособие для вузов / под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 664с.

2. Крапошин В.С. Инженерные соотношения для глубины поверхностного нагрева металла высококонцентрированными источниками энергии // Металловедение и терм. обраб. металлов. 1999. №7. С.31-36.

3. Моделирование тепловых процессов при лазерном импульсном воздействии на металлы / А.А. Углов [и др.]. М.: Наука, 1991. 289 с.

4. Яресько С.И., Горяинов Д.С. Формирование температурного поля в режущем клине инструмента при импульсной упрочняющей лазерной обработке // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. №7.  С.30-36.

5. Козаков А.Т., Яресько С.И. Исследование методом оже-спектроскопии состава поверхности многокомпонентных сплавов при импульсном лазерном воздействии // Физика и химия обраб. материалов. 2010. №3. С.67-73.

6. Яресько С.И. Особенности износа режущего инструмента после лазерного упрочнения на воздухе и в среде инертного газа // Упрочняющие технологии и покрытия.  2009.  №3.  С.40-43.

7. Физические основы электротермического упрочнения стали / В.Н. Гриднев [и др.].  Киев: Наукова думка, 1973.  335с.

8. Кидин Н.Н. Фазовые превращения при ускоренном нагреве стали.  М.: Металлургиздат, 1957.  94с.

9. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин [и др.]; под общ. ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.