Дослідження особливостей комбінованого зміцнення деталей лазерним та ультразвуковим способами

Abstract

В сучасних умовах якість виготовленої продукції з використанням перспективних технологічних процесів, які забезпечують скорочення енергоресурсів та отримання високих експлуатаційних властивостей, є важливим критерієм виходу вітчизняних товаровиробників на світовий ринок. Поліпшення якісних показників поверхневого шару деталей, зокрема які працюють в екстремальних умовах, є однією із важливих задач в машинобудуванні. Такі умови характерні для деталей, які працюють при високих швидкостях руху, високих контактних питомих тисків, дії абразивних і агресивних середовищ, циклічно змінних температур. Використання високоміцних та зносостійких матеріалів, в тому числі і високолегованих сталей, для підвищення ресурсу роботи обладнання і виробництва матеріалів не завжди задовольняють експлуатаційні влас-тивості та економічно невигідні. Перспективними є розробка та реалізація наукоємних технологічних процесів поверхневої зміцнювально-оздоблювальної обробки деталей. Вимоги, які пред’являються на сучасному етапі до фізико-механічних властивостей та експлуатаційних характеристик деталей настільки високі, що використання традиційних методів зміцнювально-оздоблювальної обробки (ЗОО) не завжди дозволяють отримати необхідні якісні показники поверхневого шару та не в повній мірі відповідають сучасним умовам їх експлуатації, а також вичерпують свої можливості для підвищення зносостійкості деталей машин та виробів, які працюють в екстремальних умовах. У зв'язку з цим в сучасному виробництві стали частіше використовуватися перспективні методи ЗОО, а саме гібридні та комбіновані термодеформаційні процеси, які поєднують, дії поверхнево-пластичної обробки (ППО) з термічним нагріванням лазерним, електронним та плазмовим джерелами енергій. Серед відомих методів ППО частіше використовується обкатування кулькою або роликом, а також ультразвукова обробка (УЗО). Останній метод є найбільш ефективним, який легко поєднується в технологічні процеси термічної обробки поверхонь висококонцентрованими потоками енергії для поліпшення мікрорельєфу та підвищення фізико-механічних властивостей поверхневого шару. В основі даного підходу лежить ідея комплексного використання переваг і нівелювання недоліків різних методів при одночасному або послідовному проведені різноманітних технологічних процесів. Відомо, що процес зміцнення поверхонь деталей лазерним випромінюванням ґрунтується на локальному нагріві ділянки поверхні під впливом випромінювання і наступного охолодження з надкритичною швидкістю. Лазерні методи зміцнення доцільні також для створення поверхневого зміцнення значних площ шару складної конфігурації, деформація яких повинна бути мінімальна, а також при зміцненні важкодоступних порожнин, заглиблень, куди лазерний промінь може бути введений за допомогою спеціальних оптичних пристроїв. Але разом з тим після лазерної обробки (ЛО) в поверхневому шарі формується нерівномірний розподіл залишкових напружень: під областю напружень стиску розташована область напружень розтягу, що сприяє зародженню і розповсюдженню тріщин. Складний розподіл залишкових напружень по глибині зони термічного впливу (ЗТВ) поверхневого шару лазерним променем та вихід напружень розтягу на по-верхню є причиною зниження зносостійкості, контактної втоми, тріщиностійкос-ті. Як результат, перешкодою для більш широкого використання лазерних техно-логій в промисловості. При зміцненні з використанням методів поверхнево-пластичної обробки як статичними методами, так і динамічними, в поверхневому шарі відбуваються структурні зміни, які пов’язані з підвищенням густини дислокацій, подрібненням блоків, виникненням макро- та мікронапружень, а також значне зменшення параметрів мікрорельєфу поверхні. Однак відомо, що отримані властивості поверхневого шару деталей шляхом зміцнення поверхнево-пластичним деформуванням частково або повністю зникають при підвищенні температури в процесі експлуатації. Використання методів ППО доцільне для вже зміцнених поверхонь деталей іншими методами в якості фінішної обробки. Для нівелювання недоліків ЛО та УЗО доцільно застосувати поверхневу комбіновану лазерно-ультразвукову зміцнювально-оздоблювальну обробку (ЛО+УЗО). Такий термодеформаційний процес гарантує найбільш повну реалізацію всіх механізмів зміцнення та оздоблювання, а також компенсує залишкові напруження розтягу після ЛО, напруженнями стиску і створить більш сприятливий їх розподіл в поверхневому шарі оброблюваних деталей після УЗО. Слід відзначити також, що запропонована комбінована технологія зміцнення та оздоблювання деталей не погіршує переваг лазерної обробки, а навпаки дозволяє отримати характеристики поверхневого шару, що перевищують рівень якісних параметрів, які досягнуто ЛО або УЗО.