AN EVALUATION OF THE INFLUENCE OF THE IMPACTS OF COMBINED LASER-ULTRASOUND TREATMENT MODE ON THE QUALITY OF THE SURFACE AND SURFACE LAYER OF STEEL DETAILS (A REVIEW)

Одной из основных тенденций современного машиностроения является растущая потребность в улучшении качества, повышения надежности и долговечности выпускаемых изделий. Для машин и механизмов технологического назначения, к которым относятся и различные приводы подач винт-гайка скольжения и качения, линейные направляющие, червячные передачи металлорежущих станков и другого оборудования, требования к качеству связаны с необходимостью повышения точности и производительности, характеризуемые эксплуатационными свойствами их деталей и сопряжений. Низкие показатели качества и эксплуатационных свойств поверхности и поверхностных слоев деталей винтовых передач, линейных направляющих, как правило, не обеспечивают их высокую точность, плавность перемещений рабочего органа, жесткость, надежность и долговечность работы.

Характерной особенностью, определяющей работу данных передач, является неравномерность изнашивания вдоль образующих винтовых поверхностей контактирующих деталей, которая вызывается неравномерностью нагрузки на витки резьбы и скорости перемещения, многократными смещениями контактирующих поверхностей друг относительно друга, повторными нагрузками, попаданием в зону контакта посторонних частиц, что приводит к дополнительным пластическим деформациям, усталостному разрушению сопрягаемых поверхностей и возникновению процессов микрорезания, задирам. Указанное вызывает достаточно быструю потерю работоспособности передач.

Анализ возможностей в обеспечении износостойкости и других эксплуатационных свойств показал, что существенный эффект может достигаться за счет использования методов поверхностного пластического деформирования (ППД). Наиболее перспективным из них являются: вибронакатывание (ВН), вибровыглаживание (ВВГ), ультразвуковая обработка (УЗО), позволяющие изменять характеристики поверхностных тонких слоев металла для достижения благоприятной совокупности свойств и оптимальной структуры

Благодаря своим преимуществам эти способы получили широкое распространение, а механизм и процессы формирования параметров качества и эксплуатационных свойств поверхностного слоя подвергаются глубоким исследованиям. Однако возможности их, особенно для упрочнения поверхностей сложнофасонного профиля (витков резьбы ходовых винтов и других деталей), далеко не исчерпаны и мало изучены. В связи с чем очевидна необходимость создания и исследования новых, более эффективных способов обработки.

Помимо методов ППД используются и традиционные методы термической обработки материалов – закалка токами высокой частоты и лазерная закалка (ЛЗ), которые в сочетании с ППД способны в значительной степени улучшить эксплуатационные свойства пар трения. Такая обработка уже относится к разряду комбинированных видов обработки. А лазерная закалка в сочетании с ультразвуковой обработкой получила название лазерно-ультразвуковой упрочняющей обработки.

Оптимальные режимы лазерно-ультразвуковой упрочняющей обработки должны обеспечить заданные значения твердости, шероховатости, износостойкости, глубины упрочненного слоя, минимальных значений деформации готовых изделий.

Лазерно-ультразвуковая упрочняющая обработка является комбинированной и обе технологических операции обработки могут быть проведены как отдельные, но последовательно проводимые операции, или быть объединены в совмещенную операцию.

Огромное количество работ посвящено как ЛЗ, так и УЗО. Публикаций, посвященных комбинированной лазерно-ультразвуковой упрочняющей обработке не так много, а в отношении сталей, применяемых при производстве линейных направляющих и ходовых винтов для станков с ЧПУ, практически не встречаются вовсе. В данном обзоре будет представлен анализ публикаций, посвященных параметрам режима комбинированной лазерно-ультразвуковой обработки.

Основные результаты исследований, посвященные комбинированной лазерно-ультразвуковой упрочняющей обработке отражены в работах

Влияние параметров режима комбинированной лазерно-ультразвуковой упрочняющей обработки на шероховатость поверхности рассмотрено в работе

Материал обрабатываемой заготовки – инструментальная сталь марки D2. ЛЗ проводилась со скоростью сканирования V = 1000 мм/c, температура закалки варьировалась от 900 °C до 1340 °C. Скорость движения заготовки S = 40 – 140 мм/мин. Схема обработки представлена на рис. 1. Режимы ЛЗ приведены в таблице 1.

Рисунок 1 - Схема лазерной закалки

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.97.1

Разновидность УЗО – ультразвуковая ударная обработка (УУО) проводилась с частотой колебаний инструмента f = 21,6 кГц, амплитудой колебаний А от 15 мкм до 18 мкм, статической силой прижима Pст = 50 Н, скоростью движения заготовки S = 600 мм/мин. Длительность УУО варьировалась в пределах τ = 60 – 240 сек. В качестве инструмента применялась головка с семью цилиндрическими наконечниками диаметром 5 мм каждый. Схема обработки представлена на рис. 2. Режимы УУО приведены в таблице 2. Полученные результаты эксперимента приведены на рис. 3.

Рисунок 2 - Схема ультразвуковой ударной обработки

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.97.3

Рисунок 3 - Влияние УУО на изменение параметров микрорельефа:

а – шероховатость поверхности Ra; б – волнистость поверхности Wa ; в – средняя высота неровностей Sa; * – нешлифованная исходная поверхность

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.97.4

Сильное пластическое деформирование, вызванное УУО, способствует формированию правильного микрорельефа на обработанной поверхности. По сравнению с исходным состоянием процесс УУО приводит к уменьшению параметра шероховатости Ra (рис. 3, а) и увеличению параметров волнистости поверхности Wa (рис. 3, б) и средней высоты неровностей Sa (рис. 3, в). Наиболее заметное снижение параметра шероховатости (Ra = 0,13 – 0,18 мкм) было зарегистрировано после УУО в течение 60 и 120 с (рис. 3, а). Процесс УУО предварительно шлифованной поверхности (рис. 3, а) позволил снизить параметр шероховатости Ra в 3,5 раза. Но в то же время можно отметить увеличение параметров волнистости Wa (в 3,5 раза) и средней высоты неровностей Sa (в 5 раз) по сравнению с исходным состоянием. И наоборот, нешлифованная поверхность, которая характеризуется гораздо большими исходными параметрами поверхности, претерпевает заметные изменения (рис. 3, а – в, задние столбцы). Все геометрические параметры шероховатости профиля микрорельефа были значительно снижены после процесса УУО, в частности Ra, Wa и Sa были уменьшены в 9,5, 1,8 и 2,3 раза соответственно.

Обобщенные результаты после проведения эксперимента сведены в таблицу 3.

Как видно из таблицы, при параметрах, соответствующих режимам ЛЗ11 и УУО6, снижение параметра шероховатости Ra относительно первоначального значения достигает 88,5%.

Из-за разницы в скорости обработки авторами работы

Результаты исследования влияния на шероховатость поверхности тех или иных сочетаний упрочняющей обработки поверхностей представлены в работе

Рисунок 4 - Шероховатость поверхности и длина волны для обработанной стали марки AISI 1045 в исходном состоянии и после ЛЗ, УУО, ЛЗ+УУО (в виде последовательных операций), ЛЗ+УУО (в виде совмещенной операции)

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.97.7

Результаты экспериментальных исследований подтвердили, что по сравнению с применяемыми методами поверхностного упрочнения более низкая шероховатость поверхности обработанной поверхности получена после лазерно-ультразвуковой обработки в виде совмещенной операции. Более того, следует отметить, что параметр шероховатости Ra становится меньше после лазерно-ультразвуковой обработки в виде совмещенной операции (Ra ~ 0,2 мкм), чем после совмещенного процесса термодеформационного упрочнения с использованием Nd:YAG лазера и ролика (Ra = 0,5 – 1 мкм)

[9]

. Таким образом, использование сверхбыстрого лазерного нагрева и охлаждения материалов в сочетании с процессом ППД, осуществленного при помощи ультразвуковой головки с несколькими наконечниками, позволит сформировать поверхность с определенными значениями шероховатости поверхности.

В работе

(1)

(2)

(3)

где A – амплитуда колебаний ультразвукового инструмента, мкм;

t – время обработки, с

Рисунок 5 - Контурные кривые поверхностей равного отклика для:

а – параметра шероховатости (Ra); б – параметра волнистости (Wa); в – средней высоты неровностей (Sa) в зависимости от амплитуды колебаний и времени обработки после УУО

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.97.8

Внешний вид полученных поверхностей и их проекций в виде контурных кривых позволяет утверждать, что снижение амплитуды колебаний и времени обработки приводит к снижению значений Ra, Wa, Sa после УУО.

В то же время, полученные уравнения регрессии позволяют подобрать оптимальные параметры режима УУО, проводимой после ЛЗ для достижения заданной шероховатости поверхности.

Однако авторами работ

Результаты исследований влияния параметров режима комбинированной лазерно-ультразвуковой обработки на твердость поверхности и глубину упрочненного слоя приведены в работах

Влияние скорости обработки на твердость приведено на рис. 6

Рисунок 6 - Влияние скорости обработки на твердость поверхности после УУО

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.97.9

Как видно из рис. 6 значение твердости после УУО, осуществленной на разных скоростях, выросло более чем в 3 раза по сравнению с исходным состоянием. При этом не наблюдается особого влияния скорости обработки на значение твердости после УУО.

В работе

(4)

(5)

где T – температура закалки, °С,

S – скорость обработки, мм/мин,

A – амплитуда колебаний ультразвукового инструмента, мкм,

t – время обработки, сек.

Рисунок 7 - Контурные кривые поверхностей равного отклика для твёрдости в зависимости:

а – от температуры и скорости обработки после ЛЗ; б – от амплитуды колебаний и времени обработки после последующей УУО

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.97.10

Как видно из рис. 7 высокие значения твердости после ЛЗ обеспечиваются при более высоких температурах и скорости обработки, в тоже время увеличение амплитуды колебаний после УУО также способствует повышению твердости обработанной поверхности. При этом увеличение времени обработки дает обратный эффект.

В работе

Рисунок 8 - Глубина упрочненного слоя для стали AISI 1045 обработанной различными способами

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.97.11

Как видно из рис. 8 глубина упрочненного слоя после совмещенной ЛЗ+УУО выше, чем при ЛЗ и последовательной УУО+ЛЗ. Таким образом, сам характер обработки оказывает определенно положительное влияние на твердость поверхности и глубину упрочненного слоя.

Возвращаясь к работе

Рисунок 9 - Остаточные напряжения, сформированные после ЛЗ, УУО, ЛЗ+УУО для инструментальной стали марки AISI D2

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.97.12

Износостойкость и сила трения рассмотрены в работах

[11]

,

[12]

.

Экспериментально зарегистрированные потери на износ после квазистатических и динамических испытаний, продолжавшихся 15 и 45 мин, приведены на рис. 10.

Рисунок 10 - Потери на износ исходного образца из инструментальной стали AISI D2 и образцов после ЛЗ, УУО, ЛЗ+УУО, зарегистрированные в квазистатических (S) и динамических (D) условиях испытаний

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.97.13

В целом результаты испытаний на износ обоих типов демонстрируют, что все используемые виды упрочняющей обработки приводят к уменьшению потерь на износ по сравнению с исходным состоянием. Это наблюдение хорошо коррелирует с поведением твердости. Самые низкие величины потерь на износ были зарегистрированы после комбинированного процесса ЛЗ+УУО. Измеренные в квазистатических и динамических испытаниях, они, соответственно, в 2 и 4 раза ниже, чем у исходных образцов. При динамическом испытании величины потерь на износ, естественно выше, чем после квазистатического испытания, из-за дополнительной импульсной составляющей нагрузки, приложенной к индентору во время испытаний. При этом динамически испытываемая величина потерь на износ для образца, обработанного ЛЗ+УУО, ниже, чем у исходного образца, испытанного в квазистатических условиях, и в четыре раза ниже, чем у динамически испытываемого исходного образца.

Также интересно изменение силы трения образцов после соответствующих сочетаний комбинированной обработки (рис. 11).

Рисунок 11 - Зависимость силы трения от времени после проведенных испытаний на износ, выполненных в квазистатических (Ст.) и динамических (Дин.) условиях для исходных образцов из стали AISI 1045, обработанных УУО и комбинированных УУО+ЛЗ и ЛЗ+УУО

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.97.14

Из рис. 11 видно, что при испытаниях на динамический износ сила трения значительно ниже, чем при квазистатических испытаниях. Для обоих условий испытаний на износ стадия приработки (до 15 мин) характеризуется видимыми колебаниями сил трения, которые связаны с изменениями состояния поверхности и включением механизмов износа. Значения силы терния для образцов, подвергнутых ЛЗ+УУО, являются самыми низкими для обоих условий испытания, что коррелирует с их износостойкостью

[9]

. Значения силы трения для исходного образца, испытанного в квазистатическом и динамическом режимах, в два раза выше, чем те, которые зарегистрированы для образцов, обработанных ЛЗ+УУО. Другая последовательность комбинированного процесса УУО+ЛЗ оказывается менее эффективной, особенно при испытаниях на квазистатический износ.

Параметры режима лазерно-ультразвуковой упрочняющей обработки оказывают значительное влияние на состояние поверхности и поверхностного слоя после данного вида упрочняющей обработки. В значительной степени на качество поверхности и поверхностного слоя оказывают влияние параметры режима ультразвуковой обработки – как окончательного вида обработки после лазерной закалки.

Так, для получения минимальных знаний шероховатости необходимо:

- проводить лазерную закалку на режимах, обеспечивающих шероховатость поверхности не хуже, чем у исходной заготовки;

- ультразвуковую обработку вести на режимах с меньшей амплитудой колебаний ультразвукового инструмента и временем проработки поверхности;

- по возможности проводить совмещение лазерной закалки и ультразвуковой обработки в одну операцию.

Для повышения твердости и глубины упрочненного слоя необходимо:

- проводить лазерную закалку с большими скоростями обработки и температурой нагрева поверхности, избегая при этом ее оплавления;

- ультразвуковую обработку вести при повышенных значениях амплитуды колебания ультразвукового инструмента (при этом стараясь не приводить к ухудшению шероховатости поверхности) и меньших значениях времени проработки обрабатываемой поверхности;

- по возможности проводить совмещение лазерной закалки и ультразвуковой обработки в одну операцию, что способствует увеличению глубины упрочненного слоя.

Повышение износостойкости, формирование значительных величин напряжений сжатия в поверхностном слое, снижение силы трения связано в первую очередь с самим характером упрочняющей обработки.