У Д К 6 2 1 9 ,0 4 8 .7
Г. Я. Беляев, С. Э. Крайко ГЕОМ ЕТРИ ЧЕСКИ Е ХАРАКТЕРИСТИКИ КАЧЕСТВА
РАБОЧИХ П ОВЕРХНО СТЕЙ Ш ТАМ ПОВОГО И НСТРУМ ЕНТА, ОБРАБОТАННОГО ЛУЧОМ ЛАЗЕРА
Б ел о р усск а я го с у д а р с т в е н н а я полит ехническая академ и я М инск, Б ел а р усь
Высокая стойкость штампов является одним из основных условий рентабель
ности применения штамповки в производстве. Основные факторы, которые влия
ют на стойкость штампов, можно разделить на следующие группы: конструкцион
ные факторы и условия эксплуатации; качество материала штампа, а также каче
ство ею изготовления; качество рабочих поверхностей; технологичность конструк
ции штампуемой детали. Низкая стойкость штампов приводит к нерациональному расходу штамповых сталей, снижает качество поковок и производительность тру
да и, как следствие, повышает себестоимость продукции [1]. В связи с широким внедрением новых процессов деформирования, освоением штамповки трудноде- формируемых металлов и сплавов, а также неметаллических материалов, характе
ризующихся более тяжелыми условиями эксплуатации инструмента, актуальность проблемы повышения стойкости штампов возрастает.
Среди прогрессивных технологий увеличения длительности работы штампового инструмента широкое применение нашли процессы обработки с іфймененйем высоко
концентрированных источников энергии [2,3]. Одним из таких процессов является ла
зерная поверхностная закалка рабочих поверхностей штампового инструмента [4,5].
Данная технология заключается в локальном нагреве режущих кромок и не
больших прилегающих к ним участков поверхностей лазерным излучением и, пос
ле прекращения воздействия, охлаждении этих участков со сверхкритической ско
ростью за счет теплоотвода во внутренние слои металла. В процессе температур
ной обработки в металле происходят фазовые превращения: на этапе нагрева идет формирование аустенитной структуры, а затем, на этапе охлаждения - превраще
ние ее в мартенсит. Наличие мартенситных структур в поверхностном слое приво
дит к увеличению его микротвердости и сопротивляемости износу [6].
К числу особенностей данной технологии относится и то, что воздействие лазер
ного излучения на обрабатываемый материал является поверхностным процессом.
Это в большинстве случаев приводит к тому, что термическое упрочнение осуществ
ляется как заключительная операция изготовления штампового инструмента, без пос
ледующей механической обработки. Последнее, в свою очередь, повышает требова
ния к качеству поверхности после воздействия лазерным излучением.
В работах [7 ,8] указывается, что характеристики качества поверхности подраз
деляются на геометрические и физико-механические. Геометрические характерис
тики включают в себя характеристики шероховатости, волнистости и макрогеомет
рии. Согласно [7] многочисленные исследования показали, что наиболее широко и просто отражают эксплуатационные свойства обработанных поверхностей следу
ющие параметры: высотные - среднее арифметическое отклонение профиля R^, наибольшая высота неровностей профиля расстояние от линии выступов до средней линии R^; шаговые - средний шаг неровностей профиля и относитель
ная опорная длина профиля tp. Через эти характеристики могут быть определены все остальные параметры, используемые в расчетах на износ, контактную жест
кость, усталостную прочность и т.д.
Как указывалось выше, качество поверхности существенное влияет на стой
кость штампового инструмента. В связи с этим были проведены исследования вы
шеуказанных параметров R^, R^^, Rp, и tp поверхностей до и после обработки импульсным лазерным излучением.
Для проведения исследований были изготовлены три группы образцов раз
мером 30x20x10 из предварительно закаленных и отпущенных сталей следую
щих марок: У 10, ХВГ и Х12М. С целью получения одинаковых геометрических характеристик исходной поверхности, образцы одновременно обрабатывались на шлифовальном станке до получения шероховатости в пределах R^^ от 0,8 до 1,0 мкм.
Как отмечается в работе [9], шлифованные поверхности металлов отражают до 90% лазерного излучения. В связи с этим для увеличения эффективности исполь
зования лазерного излучения на поверхности подвергаемые воздействию лазерно
го луча, предварительно наносилось поглощающее покрытие из краски с наполни
телем из оксидов металлов (гуашь желтая).
Облучение образцов производилось в импульсном режиме на установке «Квант- 18М». Для получения более наглядной картины зависимости геометрических ха
рактеристик поверхности от воздействующего излучения был выбран диапазон плот
ности энергии от 1,3 Дж/мм^, когда эффект закалки практически не наблюдается, до 2,5 Дж/мм^, когда визуально наблюдается оплавление обрабатываемой поверх
ности.
После обработки образцов снимались характеристики поверхности на про- филографе-профилометре (мод. 252 завода «Калибр»). Обработка профилограмм и расчет характеристик микрогеометрии проводились в соответствии с реко
мендациями [7, 8].
Результаты обработки полученных данных отображены на рисунках (рис. 1-4).
Рис л. Зависимость среднего арифмети
ческого отклонения профиля Ra от плот
ности энергии q: 1 - сталь У 10, 2- сталь ХВГ, 3 - сталь XI2М.
Рис.З. Зависгшостъ среднего шага неров
ностей профиля Sm от плотности энер
гии q: 1 - сталь У10, 2 - сталь ХВГ, 3 - сталь XI2М.
д , Дж/мм^
Рис.2. Зависимость наибольшей высо
ты неровностей профиля Rmax от плотности энергии q: 1 - сталь У 10, 2 - сталь ХВГ, 3 - сталь Х12М.
^Р’ 4
%
д . Дж/мм^
Рис.4. Зависимость относительной опорной длины профиля tp от плотнос
ти энергии q: 1 - сталь У 10, 2 - сталь ХВГ, 3 - сталь Х12М.
Как видно из графиков, при плотностях энергии от 1,3 до 2,0 Дж/мм^ высот
ные параметры профиля Ra и Rmax снижают свои величины относительно ис
ходных значений. Это связано с тем, что с возрастанием плотности энергии увеличивается оплавленность микровыступов (наблюдается рост радиусов округ
ления вершин микронеровностей), происходит заваривание части микровпадин, то есть происходит сглаживание исходного микрорельефа поверхности. Пара
метр профиля изменяется наиболее сильно и с возрастанием плотности энер
гии увеличивается, показатель относительной опорной длины профиля tp также возрастает, так как он пропорционально связан с уменьшением высотных пара
метров микрорельефа [7].
Приложение больших энергий (свыше 2,0 Дж/мм^) приводит к местному оплав
лению поверхности. Связанные с этим выплески металла способствуют увеличе
нию высотных показателей шероховатости, а также образованию своего рода кра
теров, изменяюпщх характер микрорельефа поверхности коренным образом.
Анализ результатов проведенных исследований приводит к выводу о том, что ла
зерное упрочнение, проведенное при оптимальных режимах, способствует увеличе
нию несущей способности шероховатости поверхности и уменьшает высотные пара
метры. Все эти параметры, наряду с увеличением микротвердости поверхностных слоев, приводят к повышению стойкости рабочих поверхностей штампового инструмента.
ЖТЕРАТУРА
1. Михайленко Ф.П. Стойкость разделительных штампов. М.: Машиностроение, 1976. - 208 с. 2. Белый А.В. Поверхностная упрочняющая обработка с применением концентрированных потоков энергии. -М н ., 1990. - 78 с. 3. Коган Я.Д. Перспективы развития технологий поверхностного упрочнения материалов деталей машин и ин
струмента // МиТОМ. 1993. №8. С.5-9, 4. Маликов Л. С. и др. Лазерное упрочнение штампового инструмента // Технология и организация производства. - Киев, 1986.
№2. С.46-48. 5. Жую)в А.А., Кокора А.Н., З ^ я А.Н., Ермакова Т.С. Особенности струюуры и свойств вырубных штампов после дополнительного поверхностного уп
рочнения режущей кромки при помощи лазерного излучения. - М.: АН СССР, Фи- ХОМ, 1977. >fel. С.141-143. 6. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 6 Основы лазерного термоупрочнения сплавов / Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Высш. шк., 1988.- 159с. 7. Рыжов Э.В. и др.. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин, - М., Машиностроение, 1979. -1 7 6 с. 8. Крагельский И.В. и др.. Основы расчетов на трение и износ. - М., Машиностроение, 1977.9. Коваленко В.С. Лазерная технология. - К.: Высш. шк., 1989. - 280 с.
У Д К 6 2 1 .7 8 9 - 9 7 7
Г. Я. Беляев , Н. А. Сакович