Селективне поверхневе зміцнення валу механізму передач роботизованою лазерною 3D системою

Abstract

Запропоновано роботизований лазерний метод 3D-зміцнення в якості фінішної операції для збільшення зносостійкості готових металевих виробів. Процес лазерного зміцнення поверхневого шару виробів шляхом зміни його структури є одним із найбільш ефективних методів селективного поверхневого зміцнення. Термічне зміцнення металів та сплавів лазерним випромінюванням основане на локальному нагріванні ділянки поверхні під впливом випромінювання та подальшому охолодженні цієї поверхневої ділянки з надкритичною швидкістю внаслідок тепловідведення теплоти у внутрішні шари металу. Використана роботизована лазерна 3D система (промисловий робот FANUC та сканувальна оптика SCANLAB) дозволяє обробляти поверхні будь-якої складності та геометрії, включаючи вали механізму передач сівалки зернотукової. Виявлено, що розробка й удосконалення технологічного процесу виготовлення сталевих валів редуктора сівалки зернотукової є актуальною технологічною задачею внаслідок швидкого виходу валу із експлуатації, що призводить до витрат часу та коштів на його заміну. Найбільш навантаженні ділянки валу було попередньо оцінено з використанням пакету програмного забезпечення SolidWorks Simulation. Для високоякісної лазерної поверхневої обробки валу механізму передач із сталі 65Г, застосовується високопотужний дисковий твердотільний лазер TruDisk 8002 з максимальною потужністю лазера 8 кВт. Лазерна поверхнева термообробка здійснювалась за стратегією постійної потужності (безперервний режим), варіюючи потужність лазера в межах 1,35–2,25 кВт. На основі двохкомпонентної діаграми стану Fe-Mn, попередньо передбачали критичні точки температури повної аустенізації досліджуваної сталі з урахуванням хімічного складу матеріалу. Крім цього, оцінювали величини щільності енергії лазерного променя діаметром 1 мм на робочій поверхні. Результати показали, що твердість поверхні валу була приблизно в 2,5 рази вище проти необробленої поверхні. Встановлено робочі діапазони параметрів лазерної термообробки валу редуктора для підвищення інтенсивності зміцнення (100–150%) відповідальних зон.

A robot-based laser 3D hardening method is proposed as a finishing operation to increase the wear resistance of the metal end-products. The laser hardening process of the surface layer of the products by changing its structure is one of the most effective methods of selective surface hardening. Thermal hardening of metals and alloys by laser radiation is based on local heating of a surface area under the influence of radiation and subsequent cooling of this surface area at a supercritical speed due to heat removal into the inner layers of the metal. The used robot-based laser 3D system (FANUC industrial robot and SCANLAB scanning optics) allows processing the surfaces of any complexity and geometry, including the shafts of the gear mechanism of the seed drill. It was found that the development and improvement of the technological process of manufacturing steel shafts of the gearbox of the seed drill is an urgent technological problem due to the rapid retirement of the shaft, which leads to the expenditure of time and money for its replacement. The most heavily loaded sections of the shaft were pre-estimated using the SolidWorks Simulation software package. A high-power TruDisk 8002 solid-state disk laser with a maximum laser power of 8 kW and a wavelength of laser radiation of 1030 nm is used for high-quality laser surface treatment of the AISI 1066 steel shaft of the gear mechanism. The laser surface heat treatment was carried out using a constant power strategy (continuous mode), varying the laser power in the range of 1.35–2.25 kW. Based on the Fe-Mn two-component state diagram, the critical points of the temperature of complete austenization of the studied steel were previously predicted taking into account the chemical composition of the material. Additionally, the energy density values of the laser beam with a diameter of 1 mm on the working surface was estimated. The results showed that the surface hardness of the shaft was about 2.5 times higher compared to the untreated surface. The working ranges of laser heat treatment parameters of the gearbox shaft were established to increase the hardening intensity (100–150%) of the responsible areas.