ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ И ПРОЦЕСС ЛАЗЕРНОЙ ЗАКАЛКИ ДИСКОВОЙ ПИЛЫ ВОЛОКНООТДЕЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН

PHYSICAL ESSENCE AND PROCESS OF LASER HARDENING OF CIRCULAR SAW OF FIBER SEPARATING MACHINES

Shakhrillo Jumaev

student, Department of Technological Machines and Equipment, Bukhara Engineering Technological Institute,

Uzbekistan, Bukhara

Akbar Abrorov

senior lecturer, Bukhara Engineering Technological Institute,

Uzbekistan, Bukhara

АННОТАЦИЯ

В данной работе приведены причины снижения надежности и долговечности узла пильного цилиндра, выбор материала дисковых пил, физическая сущность и процесс лазерной закалки дисковой пилы волокноотделительных машин. Преимущества и метод лазерной закалки дисковой пилы волокноотделительных машин.

ABSTRACT

In this paper, the reasons for reducing the reliability and durability of the saw cylinder Assembly, the choice of material of disc saws, the physical nature and process of laser hardening of the disc saw of fiber separation machines are given.  Advantages and method of laser hardening of circular saw of fiber separating machines.

Ключевые слова: лазерная закалка, сталь, дисковая пила, термообработка, надежность, волокноотделения, хлопок, пильный цилиндр.

Keywords. laser hardening, steel, circular saw, heat treatment, reliability, fiber separation, cotton, saw cylinder.

Переработка хлопка-сырца осуществляется на технологических машинах и оборудование, в основном изготовленных в США, Китае и Узбекистане. Важным фактором по обеспечению стабильности объема выращивания урожая хлопка и повышения конкурентоспособности сырья на мировом рынке является получение хлопка-волокна высокого качества.

В нашей Республике осуществляются широкомасштабные мероприятия, получены определенные результаты по разработке высокоэффективных техник и технологий для первичной обработки хлопка-сырца, обеспечивающих получение продукции высокого качества. В этом отношении можно отметить разработку техники и технологии, обеспечивающих сохранение качества вырабатываемой хлопковой продукции на хлопкоочистительных предприятиях, дающих возможность снижения расхода сырья и энергии.

В мире актуальными задачами являются создание новых образцов техники и технологии пильного волокноотделения и семян от летучек хлопка. При этом осуществление целенаправленных научных исследований по разработке высокоэффективных конструкций рабочих органов основной технологической машины хлопкозаводов - пильных волокноотделительных машин, создание методов расчета параметров и режимов движения, позволяющих добиться значительного увеличения производительности машин при повышенной влажности хлопка-сырца для получения качественного хлопкового волокна, считается одной из актуальных задач отрасли [1].

В данный момент, на хлопкоперерабатывающих заводах эксплуатируются серийные волокноотделительные машины типа ДП, оснащенные узлом пильного цилиндра с низкой надёжностью (Рис.1). Известно, что срок службы существующих конструкций пильного цилиндра волокноотделительных машин составляет всего лишь 48 часов, затем необходима заточка зубьев, что создает простой машины. Процесс восстановления зубьев пил в течение 96 часов повторяется два раза, после чего заканчивается ресурс работы пил.

Рисунок 1. Конструкция узла пильного цилиндра волокноотделительной машины

1 – дисковая пила; 2 – прокладка; 3 – пильный вал; 4 – гайка; 5 – узел опоры пильного цилиндра.

В настоящее время дисковые пилы хлопкоочистительной машины изготавливаются из холоднокатаной стали У8Г с твёрдостью на поверхности h=20 мкм 374-388 HV 0,05 кгс/мм² и на глубине h=100-500 мкм 438 HV 0,05 кгс/мм², что соответствует структуре деформированного перлита с высокой степенью деформации.

При воздействии на поверхность металла часть потока лазерного излучения отражается, оставшаяся часть поглощается. Энергия поглощенного лазерного излучения преобразуется в тепловую, называемую эффективной тепловой мощностью.

Процесс лазерной закалки сталей заключается в нагреве локального поверхностного слоя со скоростью более 10² —10^{3 0}С/с и охлаждения по механизму теплопроводности вглубь металла, без применения охлаждающих сред. Скорость охлаждения при лазерной закалке стали, зависит от интенсивности подвода энергии луча лазера, массы детали, и может достигать значений 10³ — 10^{4 0}С/с. Высокоскоростное охлаждение поверхностного слоя значительно превышает критическую скорость закалки на мартенсит [2].

Многократное увеличение скорости нагрева и охлаждения при лазерной закалке не приводит к формированию новых фаз и структур. При лазерном термоупрочнении в стали имеются те же фазы и структуры, что и при традиционной печной закалке: мартенсит, цементит (карбиды), остаточный аустенит. Однако высокая скорость охлаждения приводит к тому, что после охлаждения образуются более высокодисперсные структуры, образующийся при этом мартенсит более дисперсный, чем при обычной закалке. Например, в стали У8Г после объемной закалки длина игл мартенсита составляет 7–10 мкм, а после лазерной — всего 2–3 мкм.

Все эти особенности приводят к тому, что микротвердость поверхностного слоя сталей после лазерной закалки выше, чем после объемных видов закалки. [3].

В результате воздействия луча лазера в поверхностном слое происходят структурно—фазовые изменения, и формируется мелкозернистая закалочная структура повышенной твердости и износостойкости, с высокими триботехническими свойствами, недостижимыми при традиционных технологиях упрочнения сталей.

Измельчение зерен благоприятно сказывается на свойствах стали, и, прежде всего, возможно достижение наиболее оптимального сочетания прочности и пластичности (Рис.2). Особенно сильное влияние измельчение зерен оказывает на повышение сопротивлению ползучести, поскольку границы зерен эффективно препятствуют пластическому течению металла при повышенных температурах.

а)                                                               б)

Рисунок 2. Фрагменты инструментальной стали У8Г после лазерной закалки  под световым микроскопом:

а) до лазерной закалки      б) после лазерной закалки

Эффект лазерного термоупрочнения зависит от исходной термической обработки стали, химического состава и содержания углерода. Отожженные и нормализованные стали имеют наименьшую зону термического влияния. Наибольшая глубина зоны термического влияния наблюдается на предварительно закаленных и низко или средне отпущенных сталях. При этом выравниваются значения микротведости по сечению упрочненного слоя. С повышением содержания углерода в стали глубина закаленного слоя и микротвердость увеличиваются.

Сущность выбранного нами метода для данной работы заключается в том, что высококонцентрированный источник энергии — лазерный луч как источник локального термического упрочнения (закалки) обладает существенными технологическими и технико—экономическими преимуществами по сравнению с традиционными технологиями объемной или печной термической и химико-термической обработки.

Рассматривая этот метод с научной точки зрения, лазерное поверхностное упрочнение, в значительной степени нивелирует недостатки присущие объемной термической закалке, химико-термической обработке, и в тоже время открывает новые потенциальные технологические возможности в упрочнении поверхностных слоев деталей машин и механизмов.

Современный уровень развития лазерной техники и лазерных технологий позволяет рассматривать лазеры как удобный, экономичный и надежный инструмент для поверхностного термоупрочнения широкой номенклатуры деталей машиностроения.

Воздействие лазерного луча на поверхность сталей приводит к комплексному улучшению физико-химических, механических свойств поверхностного слоя, которые проявляются в более высокой дисперсности и изотропности структуры упрочненного поверхностного слоя, повышением микротвердости, теплостойкости, коррозионной стойкости и износостойкости.

Преимущества лазерной закалки можно классифицировать по нескольким видам: технологическим, энергетическим, эксплуатационным, экологическим.

Метод лазерного термоупрочнения (закалки) поверхностных слоев обладает рядом технологических преимуществ по сравнению с традиционными технологиями термообработки.

Исходя из вышеизложенного можно сделать следующий вывод:

1. После лазерной закалки не требуется проведение технологической операции отпуска;

2. Отсутствие или минимальные остаточные деформации;

3. Сохранение геометрических размеров детали в пределах поля допуска при лазерной закалке;

4. Повышение твердости закаленного слоя;

5. Повышение износостойкости;

6. Минимальное тепловложение в обрабатываемую деталь;

7. Локальное воздействия на упрочняемую поверхность;

8. Отсутствие охлаждающих жидкостей;

9. Легко поддается автоматизации и роботизации;

10. Снижается длительность термического цикла закалки.

Список литературы:

1. Urinov, N., Saidova, M., Abrorov, A., & Kalandarov, N. (2020). Technology of ionic-plasmic nitriding of teeths of disc saw of the knot of saw cylinder. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. https://doi.org/10.1088/1757-899X/734/1/012073
2. С. Григорьев, А. Метель, С. Фёдоров «Модификация структуры и свойств быстрорежущей стали методом комбинированной вакуумно-плазменной обработки», Метал. Термообработка 54 (2012).
3. С.Н. Григорьев, А.С. Метель, М.А. Волосова, Ю.А. Мельник, «Поверхностное упрочнение с помощью ионной имплантации плазмы и азотирования в тлеющем разряде с электростатическим удержанием электронов», Механика и промышленность 16 (2015).