ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОСЕВОГО ИНСТРУМЕНТА

В инструментальном производстве получили распространение различные виды поверхностной обработки с использованием лазерного излучения - лазерная закалка (термообработка), легирование и наплавка. Если первые два процесса используются для упрочнения тонкого (до 80 мкм) поверхностного слоя режущего инструмента за счет изменения его структуры и химического состава, то наплавка в основном используется для нанесения сравнительно толстых покрытий (до 3 мм) главным образом для ремонта и восстановления штампового инструмента - пресс-форм, фильер, вырубного инструмента и др.

Лазерное поверхностное упрочнение осуществляется высококонцентрированным излучением, сфокусированным на малой площади - от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Данный способ обработки может быть использован для упрочнения инструментов из быстрорежущих сталей, твердых сплавов и керамики.

Для осуществления лазерной закалки локальный участок поверхности инструмента нагревают с помощью излучения до сверхкритических температур, а после прекращения воздействия излучения этот участок охлаждается за счёт отвода теплоты во внутренние слои металла. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию в инструментальном материале закалочных структур и, как следствие, к изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя инструмента – микро твёрдости, напряженного состояния и другое.

Легирование и наплавка отличаются от закалки тем, что участок поверхности нагревается выше температуры плавления, а в зону оплавления вводят легирующие компоненты. В результате этого на поверхности инструмента образуется слой, отличающийся от исходного инструментального материала не только своей структурой, но и химическим составом. Разновидностями легирования являются оплавление лазером предварительно полученных покрытий и лазерное легирование из обмазок ( рисунок 1 ).

Высокие плотности мощности лазерного излучения позволяют получать качественно новые свойства поверхностей, недоступные традиционным методам обработки материалов. Лазерная обработка поверхностей металлов и сплавов относится к локальным методам термической обработки с помощью высококонцентрированных источников нагрева. В этой связи лазерный луч как источник нагрева при термической обработке материалов имеет свои особенности и преимущества:

1.    Высокая концентрация  подводимой энергии  и локальность позволяют  производить обработку только поверхностного участка материала без нагрева остального объёма и нарушения его структуры и свойств. Кроме того, высокая концентрация подводимой энергии позволяет провести нагрев и охлаждение обрабатываемого объёма материала с большими скоростями при очень малом времени воздействия.

2.    Возможность регулирования параметров лазерной обработки в широком интервале позволяет разработать целый ряд процессов поверхностной лазерной обработки, в каждом из которых можно легко регулировать структуру поверхностного слоя и его свойства - твёрдость, шероховатость, геометрические размеры обработанных участков и др.

3.     Возможность обработки на воздухе, лёгкость автоматизации процессов, отсутствие вредных отходов при обработке и т.д.

4.   Возможность транспортировки излучения на значительные расстояния и подвода его с помощью специальных оптических систем в труднодоступные места, позволяет производить обработку в тех случаях, когда использование других источников энергии затруднительно или невозможно.

Воздействие луча лазера на твердое непрозрачное тело условно можно разделить на несколько характерных стадий:

-   поглощение светового потока и передача его энергии тепловым колебаниям решетки твердого тела;

-   нагревание вещества без его разрушения;

-   испарение вещества в зоне воздействия луча лазера и разлет продуктов разрушения;

-   остывание вещества после окончания воздействия лазерного излучения.

Одновременно с указанными стадиями проходят диффузионные и химические процессы, а также фазовые превращения, оказывающие влияние на характер воздействия лазерного излучения на материал.

Условиями лазерного воздействия, которыми можно варьировать и которые оказывают решающее влияние на свойства формируемого слоя, и, как следствие, на эксплуатационные показатели режущего инструмента(твердости и глубины упрочненных зон), являются мощность лазерного излучения, время и тип воздействия (импульсный или непрерывный), частота следования импульсов (для импульсного режима излученияτ имп =1 мс; τ имп =3-6 мс), скорость сканирования луча (для непрерывного режима излучения200…300 мм/мин) и другие.

На количество поглощенной энергии при лазерной обработке оказывают влияние теплофизические характеристики инструментального материала или покрытий и обмазок, нанесенных на его поверхность. Необходимо отметить, что последние используются не только при лазерном легировании, но и при обычной лазерной закалке с целью увеличения поглощательной способности поверхности. Для снижения коэффициента отражения часто используются специальные краски, грунтовки, сажа, графит, а также различные покрытия. Указанные вещества испаряются под воздействием лазерного луча и поэтому не изменяют химического состава поверхностного слоя (как в случае легирования), а только лишь повышают эффективность лазерной закалки. При выборе химического состава обмазок или покрытий для лазерного легирования также необходимо учитывать их поглощательную способность. Поглощательная способность «А» материалов покрытия для лазерного легирования представлены в таблице 1.

Таблица 1 –Поглощательная способность «А» обмазочных материалов и их назначение

Для лазерного легирования наиболее подходит нанесение водного раствора оксиэтилцеллюлозы или раствор цапонлака.

При лазерной обработке энергия излучения расходуется на поглощение поверхностью Еп, на потери энергии в результате отражения, определяемые оптическими свойствами покрытий (Епо) и на энергию, поглощенную покрытием и не дошедшую до обрабатываемого материала (Еобм) ( рисунок 2 ).

Вся энергия поглощенного лазерного излучения преобразуется в тепловую в тонком поверхностном слое 10-6…10-7 м.

Предварительно нанесенные на поверхность инструмента покрытия или обмазки существенно увеличивают энергетическую эффективность процесса обработки за счет значительного увеличения коэффициента поглощения – до 0,8…0,9.

В зависимости от плотности мощности излучения лазерная обработка осуществляется как с нагревом до температур, превышающих температуру плавления Tпл или ниже температуры плавления. Уровни плотности мощности лазерного излучения, обеспечивающие локальный разогрев металла до температур Т < Tпл без заметного испарения материала, составляют 108…109 Вт/м2.

Обычно рекомендуется значения плотности мощности q для лазерной термообработки устанавливать из условия q>qп, где qп – пороговая плотность мощности излучения, с превышением которой происходит активное расплавление и испарение инструментального материала. Значения qп для различных материалов составляют 109…5×1010 Вт/м2.

При лазерном легировании обработка проводится при плотностях мощности излучения ≈80…150×103 Вт/см2, приводящих к частичному подплавлению поверхности, что может привести к ухудшению ее микрорельефа. Это объясняется тем, что эффект легирования достигается в случае расплавления и перемешивания обмазок и тонкого поверхностного слоя обрабатываемого инструмента. Указанное обстоятельство необходимо учитывать при выборе условий обработки - в случае недопустимого ухудшения микрогеометрии обрабатываемой поверхности необходимо применять финишную доводку режущих кромок и рабочих поверхностей инструмента.

Основным достоинством газовых (СО2) лазеров является высокая оптическая однородность. Поэтому в случае, когда необходимы максимально высокая направленность и монохроматичность излучения, газовые лазеры представляют наибольший интерес. Серийно выпускаемые газовые лазеры достигают мощности более 15 кВт и обеспечивают стабильную работу в непрерывном режиме излучения.

Для упрочнения режущего инструмента в инструментальном производстве применяются газовые лазеры, устройство которых представлено на рисунке3.

Газовый СО2-лазер с диффузионным охлаждением (рисунок3) состоит из охлаждаемой водой разрядной трубки, внутри которой с помощью системы электродов создается газоразрядная плазма. По торцам разрядной трубки размещаются зеркала резонатора: глухое и полупрозрачное. Между электродами возбуждается электрический разряд с помощью высоковольтного источника питания. Излучение проходит через зеркало.

Представленная на рисунке 3 схема дает лишь общее представление обустройстве работы лазеров. Конструкции реальных промышленных лазерных установок намного сложнее.

Типичный пример технологического процесса упрочнения металлорежущих инструментов с использованием лазерного легирования представлен на рисунке 4.

Особенностью лазерной обработки является локальность теплового воздействия, в силу чего эффективность ее применения во многом определяется правильностью выбора схемы облучения. На практике используется несколько основных схем лазерной обработки поверхности ( рисунок 5 ).

По схеме, представленной на рисунке 5, а, используется импульсно-периодическое лазерное излучение. Лазерное упрочнение осуществляется импульсами излучения, сфокусированными в пятне диаметром d. Каждый последующий импульс перекрывает предыдущее пятно нагрева, то есть перекрытие ∆х составляет меньше диаметра пятна лазерного излучения.

Схема непрерывного излучения представлена ( на рис. 5, б.). Высокая концентрация лазерного излучения обеспечивается фокусировкой его в пятно минимальных размеров. Процесс обработки в этом случае осуществляется сканированием луча в поперечном направлении с определенной частотой и одновременным линейным перемещением изделия в направлении обработки со скоростью v.

Согласно третьей схеме (рисунок 5, в) для непрерывного излучения лазерный луч также имеет большую мощность и поэтому обеспечивает достаточную для упрочнения плотность мощности при фокусировке в пятно значительно больших размеров, чем в предыдущей схеме. Процесс обработки осуществляется перемещением изделия в направлении обработки со скоростью v.

Выбор той или иной схемы облучения определяется условиями эксплуатации инструмента и причинами его износа. Как правило, лазерной обработке подвергаются только те участки рабочих поверхностей инструмента, которые при эксплуатации наиболее интенсивно изнашиваются. При хрупком разрушении режущего инструмента (выкрашивание режущей кромки и сколы режущей части) применение лазерной обработки, как привило, является нецелесообразным. В данном случае следует выбирать более прочный инструментальный материал, либо оптимизировать геометрические параметры режущего инструмента. Лазерная обработка может использоваться в качестве дополнения к указанным мероприятиям.

Управление лазерным лучом при обработке осевого инструмента производится по трем существующим вариантам (рисунок 6):

-   единичным лазерным лучом;

-   группой лазерных лучей;

-   одновременная обработка лазерными лучами всей окружности инструмента.

Оптимальные значения механических свойств инструментального материала после лазерной обработки определяются сочетанием параметров излучения. При этом руководствуются или экспериментальными зависимостями (вид воздействия – непрерывный или импульсный, мощность излучения (P), длина волны, λ и т.д.), разработанными для конкретных условий реализации процесса, либо для расчета некоторых параметров используют теоретические закономерности с поправочными коэффициентами на реальные условия.

Для обеспечения надежности результатов упрочнения, как правило, необходимо корректировать типовые режимы лазерной обработки применительно к конкретному изделию и применяемой лазерной установки. Одинаковый по типу и размерам инструмент из одной и той же марки стали, но изготовленный и прошедший объемную термообработку на разных предприятиях имеет различную поглощательную способность. Поэтому даже при обработке с одним уровнем энергии эффект от применения лазерного упрочнения может быть различным.

При импульсном лазерном упрочнении характеристики формируемого поверхностного слоя зависят, прежде всего, от плотности мощности лазерного излучения (≈80…150×103 Вт/см2), длительности импульса (τ имп =1 мс; τ имп =3-6 мс), коэффициента перекрытия (0,4…0,5).

Глубина упрочненного слоя как с оплавлением, так и без оплавления поверхности увеличивается с ростом плотности мощности лазерного излучения (рисунок 7), а твердость обработанной поверхности имеет максимальное значение (≈1150 кгс/мм2×10МПа) в определенном интервале ее значений (≈80…150×103 Вт/см2).

Лазерная обработка инструмента обычно ведется с перекрытием зон лазерного воздействия (рисунок 8). Практика показывает, что для получения достаточных размеров участков упрочненного металла облучение следует вести при коэффициентах перекрытия (степени перекрытия пятен в ряду) превышающих 0,2. От выбора значения коэффициента перекрытия зависят равномерность упрочненного слоя по глубине и производительность процесса обработки. Наибольшая равномерность слоя по глубине достигается при коэффициенте перекрытия 0,4…0,5.

Кроме твердости и глубины упрочненного слоя, важной характеристикой, оказывающей существенное влияние на изнашивание режущего инструмента, является высота неровностей упрочненной поверхности. Ее минимальное значение наблюдается при малых значениях плотности мощности лазерного излучения (≈80×103 Вт/см2) и коэффициентах перекрытия пятен (0,2).

При использовании непрерывного излучения значительно повышается производительность лазерной обработки, что позволяет подвергать упрочнению участки как малых, так и крупногабаритных режущих инструментов. Кроме того, при непрерывном упрочнении важным условием, от которого в значительной степени зависят свойства формируемого слоя, является скорость относительного перемещения луча и инструмента (скоростью обработки 200…300 мм/мин).

С увеличением скорости перемещения луча снижается глубина упрочненной зоны, что объясняется меньшей удельной энергией, подводимой к зоне лазерного воздействия. При слишком низкой скорости перемещения луча температура нагрева участка поверхности может превысить пороговое значение, что вызовет нежелательное ухудшение микрорельефа поверхности.

При лазерном легировании  в качестве легирующих элементов используются углерод, молибден, ванадий, вольфрам, хром, кобальт, никель, кремний, их комбинации и соединения на основе тугоплавких металлов (WC, TiN, ZrN и другие). Выбор легирующих элементов производится таким образом, чтобы один или несколько легирующих элементов (Cr, Co, W, Мо) при нагреве в процессе эксплуатации или в процессе последующего после лазерного упрочнения  отпуска частично сохранялись в  твердом растворе и задерживали распад мартенсита. Другие (С, V), выделяясь из раствора наряду с частью перечисленных выше легирующих элементов, усиливали дисперсионное твердение и повышали вторичную твердость. Для протекания указанных процессов и компенсации  возможного обезуглероживания поверхностных слоев инструментального материала (особенно в присутствии Co, Mo) при высокотемпературном нагреве необходимо присутствие в покрытиях углерода. Это способствует дополнительному насыщению твердых растворов и может привести к формированию дисперсных карбидов легирующих элементов в процессе охлаждения после лазерной обработки или в процессе последующего отпуска структур лазерного легирования.

На основании вышеизложенного можно дать следующие рекомендации: наилучшие результаты лазерного легирования получены при непрерывном виде воздействия лазерного луча со скоростью обработки 200…300 мм/мин; с применением обмазки - нанесение водного раствора оксиэтилцеллюлозы или раствора цапонлака; схема лазерного упрочнения - непрерывное излучение ( рисунок 5 вариант «в» ); вариант управления лазерным лучом при обработке осевого инструмента- одновременная обработка лазерными лучами всей окружности инструмента ( рисунок 6«в»).

Список литературы

1.   Егоров С.А. Электрофизические методы упрочнения поверхностей деталей машин и инструмента: Учеб. пособие. -Иваново, 2001.-129 с.

2.     Рыжкин А.А., Бровер Г.И., Пустовойт В.Н. Лазерное упрочнение металлообрабатывающего инструмента: Учеб. пособие. -Ростов н/Д, 1998.-125 с.