Совершенствование технологии наплавки и газолазерной резки для повышения эффективности изготовления биметаллического инструмента

технология строительных процессов.

механизмы и оборудование

УДК 621.7 DOI: 10.22227/1997-0935.2017.8.892-896

совершенствование технологии наплавки и газолазерной резки для повышения эффективности изготовления биметаллического

инструмента

О.В. Бурлаченко, А.М. Буров, М.В. Иванов, А.А. ляшенко

Институт архитектуры и строительства Волгоградского государственного технического университета (ИАиС ВолгГТУ), 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, д.1

АННОТАцИЯ. Наплавка представляет собой нанесение слоя металла на поверхность изделия с помощью сварки плавлением. Обширное использование ее в производстве не происходит из-за того, что при производстве инструмента большие расходы идут на процессы термической обработки и снятие слоев наплавленного металла. В данной статье рассмотрены преимущества газолазерной резки, которые позволяют рассматривать этот процесс разделения материалов как высокопроизводительный и малоотходный, имеющий большие перспективы в применении его как высокоэффективного способа снятия припусков наплавленной быстрорежущей стали на рабочих поверхностях биметаллического инструмента. Показана актуальность применения наплавки и газолазерной резки для повышения эффективности производства биметаллического инструмента. Произведен анализ сравнения газолазерной резки с другими методами раскроя по геометрическим параметрам реза и качеству поверхности. Анализ результатов экспериментальных исследований подтвердил высокую технологическую привлекательность и экономическую эффективность изготовления составных конструкций пуансонов и матриц при применении наплавки режущих частей быстрорежущими сталями. Затраты на размерную обработку наплавленной режущей части сокращаются в 4-6 раз при сокращении времени изготовления в 6-12 раз.

КЛЮчЕВЫЕ СЛОВА: газолазерная резка, рабочая поверхность, наплавка, биметаллический инструмент, сталь

ДЛЯ цИТИРОВАНИЯ: Бурлаченко О.В., Буров А.М., Иванов М.В., Ляшенко А.А. Совершенствование технологии наплавки и газолазерной резки для повышения эффективности изготовления биметаллического инструмента // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. Вып. 8 (107). С. 892-896. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.8.892-896

TECHNOLOGICAL ADVANCEMENT OF DEPOSIT WELDING AND GAS LASER CUTTING TO INCREASE THE EFFICIENCY OF THE BIMETALLIC TOOL PRODUCTION

p

O O.V. Burlachenko, A.M. Burov, M.V. Ivanov, A.A. Lyashenko

Institute of Architecture and Construction of Volgograd State Technical University, 00 (IoAaC of VSTU), 1 Akademicheskaya str., Volgograd, Russian Federation, 400074

X

O

ABSTRACT. Deposit welding is the application of a layer of metal on the surface of a product using fusion welding. In this paper, we consider the method of improving the technology of gas laser cutting, which makes it possible to achieve a high productivity of manufacturing a bimetallic tool. The present paper is concerned with the advantages of gas laser cutting which allows to consider this particular process of separating materials as highly-productive, low-waste, and advanced (V method of removing allowances of weld-deposit high-speed steel on the working surfaces of bimetallic tool. Urgency of the

use of deposit welding and gas laser cutting to improve the efficiency of production of bimetallic tool is shown. The comparative analysis of gas-laser cutting and other cutting methods is given according to the geometrical parameters of cutting O and surface quality. Analysis of the results of experimental studies has confirmed the high technological attractiveness and

economic efficiency of manufacturing composite structures of punches and matrices when applying deposit welding of cut-^ ting parts with high-speed steels. The cost of dimensional processing of the welded cutting part is reduced by 4 to 6 times,

O while the manufacturing time is reduced by 6 to 12 times.

2 KEY WORDS: gas laser cutting, working surface, deposit welding, bimetallic tool, high-speed steel

FOR CITATION: Burlachenko O.V., Burov A.M., Ivanov M.V., Lyashenko A.A. Covershenstvovanie tekhnologii naplavki i

X S

j gazolazernoy rezki dlya povysheniya effektivnosti izgotovleniya [Technological Advancement of Deposit Welding and Gas

H

H Laser Cutting to Increase the Efficiency of the Bimetallic Tool Production]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State

J University of Civil Engineering]. 2017, vol. 12, issue 8 (107), pp. 892-896. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.8.892-896

892 © Бурлаченко О.В., Буров А.М., Иванов М.В., Ляшенко А.А., 2016

Совершенствование технологии наплавки и газолазерной резки для повышения эффективности изготовления биметаллического инструмента

С.892-896

Современные тенденции развития промышленного производства характеризуются повышенными требованиями к качеству и эксплуатационным свойствам. Развитие техники вызывает необходимость создания материалов, обладающих комплексом свойств, обеспечивающих высокую прочность, коррозионную стойкость, теплопроводность, жаропрочность, износостойкость и др. Наплавка представляет собой нанесение слоя металла на поверхность изделия с помощью сварки плавлением [1]. Несмотря на достоинства технологии наплавки при изготовлении металлорежущего инструмента, обширное ее использование в производстве не происходит из-за того, что при производстве инструмента большие расходы идут на процессы термической обработки и снятие слоев наплавленного металла. Решением проблемы следует полагать процесс наплавки, в результате которого наплавляемый металл извлекают в закаленном виде, это открывает возможность отказаться от операций отжига и закалки, используя отпуск [2, 3].

Процесс наплавки обладает высокой производительностью, обеспечивает незначительную глубину проплавления основного металла. В работе [4] показано, что метод наплавки применяют как для непосредственного плакирования деталей и заготовок, так и для получения биметаллических заготовок для дальнейшей прокатки. За счет высоких скоростей охлаждения структура наплавленного металла состоит из мартенсита, достаточного объема (до 60 %) остаточного аустенита и карбидов, что гарантирует способность наплавленного металла сопротивляться появлению холодных трещин [5]. Наплавленный слой имеет высокую твердость HRC 62...64, что усложняет дальнейшую механическую обработку.

В данной работе рассматривается методика совершенствования технологии газолазерной резки, позволяющая достичь высокой производительности изготовления биметаллического инструмента. Сравнительный анализ газолазерной резки с различными способами раскроя по геометрическим параметрам реза и качеству поверхности приведен в табл. 1.

Данные табл. 1 демонстрируют, что газолазерная резка в сравнении с другими методами разделения имеет превосходство по качеству поверхности

реза и незначительным величинам зоны термического влияния (ЗТВ). При разделении лазером высоколегированных инструментальных сталей происходит закалка стали в зоне термического влияния [6-9]. Таким образом установлена возможность газолазерной резки разделять разные материалы автономно от их теплофизических параметров.

Характерные толщины разрезаемых листовых материалов при мощности непрерывного лазерного излучения Р = 5 кВт следующие:

Наименование сплава

Углеродистые

и легированные сплавы

Нержавеющая сталь

Медь

Латунь

Сплавы алюминия

Толщина

до 40 25 5 12 12

Экспериментальное исследование заключалось в применении газолазерной резки для устранении припусков по боковым поверхностям при изготовлении экспериментальных образцов наплавленных быстрорежущей сталью Р6М5 пуансонов и матриц разделительных штампов для вырубки отверстий в холоднокатаной конструкционной низкоуглеродистой стали толщиной 2 мм квадратного 50*50 мм и круглого d = 50 мм сечений на координатно-ре-вольверном пробивном прессе. Наплавка проводилась при низкотемпературном подогреве заготовок из стали 25ХГСА на режимах, обеспечивающих получение заданной структуры и твердости наплавленного металла при отсутствии дефектов и возможности установления минимальных припусков по передним рабочим поверхностям пуансонов и матриц. Припуски по передним рабочим поверхностям наплавленных пуансонов и матриц, которые составляли 0,4 и 0,3 мм соответственно, обрабатывали на плоскошлифовальном станке на режимах, рекомендованных для быстрорежущих сталей нормальной производительности.

Таким образом, лазерные комплексы для размерной обработки и инновационные программные продукты позволяют качественно снизить трудоемкость и уменьшить время на размерную обработку по боковым рабочим поверхностям пуансонов и матриц со сложной геометрией периметра рабочей кромки [10-17].

00

Ф

0 т

1

*

О У

Т

О 2

Табл. 1. Сравнительный анализ геометрических характеристик реза при различных методах разделения материалов

Метод резки Ширина реза, мм Ширина зоны термического влияния, мм Качество реза

Лазерная 0,2...0,3 0,06...0,15 Перпендикулярный, гладкий и ровный

Водно-абразивная 0,7...1,0 Практически отсутствует Угловые кромки относительно грубые

Кислородно-ацетиленовая 0,9...1,2 0,6...1,2 Относительно грубый

Плазменная 3...4 0,5...1,0 Угловые кромки относительно грубые

К)

В

1Г

о *

8

О

ч

О.В. Бурлаченко, А.М. Буров, М.В. Иванов, А.А. Ляшенко

Табл. 2. Рациональные режимы и параметры процесса газолазерной резки

Материал Толщина, мм Тип лазера Мощность, Вт Скорость, м/мин Ширина реза, мм Газ

Низкоуглеродистые стали 1 СО2 450 2.3 0,2.0,3 О2

Коррозионно-стойкие стали 2,5 СО2 1000 3,8 0,3 О2

Главной особенностью газолазерной резки считается образование характерной шероховатости поверхности реза [18-20]. Данная шероховатость представляется в виде периодических бороздок (бороздчатости) с волнообразными выпуклостями и впадинами. При возрастании размера реза протяженность и углубленность канавок растут, вместе с этим качество реза снижается. При выборе рационального соотношения между скоростью газолазерной резки и концентрацией силы доставляемого в зону обработки излучения можно достигнуть высокого качества поверхности реза инструментальной стали с R = 2,5.3,5 мкм.

а 7 7

Использование газолазерной резки способствует разработке более совершенных конструктивных решений при создании современных машин, приборов, аппаратов. Все преимущества газолазерной резки позволяют рассматривать этот процесс разделения материалов как высокопроизводительный и малоотходный, имеющий большие перспективы в применении его как высокоэффективного способа снятия припусков наплавленной быстрорежущей стали на рабочих поверхностях биметаллического

инструмента. В табл. 2 представлены наиболее рациональные режимы и параметры процесса газолазерной резки для некоторых видов сталей.

Выполненные исследования установили, что в процессе газолазерной вырезки рабочих поверхностей с режимами, полученными по разработанной методике, образуется закаленный слой глубиной 120.130 мкм. Он характеризуется повышенной твердостью и наличием высокодисперсных карбидов. Таким образом, методику можно успешно применять не только для разделительной операции но и для упрочнения рабочих кромок разделительных штампов.

Анализ результатов экспериментальных исследований подтвердил высокую технологическую привлекательность и экономическую эффективность изготовления составных конструкций пуансонов и матриц при применении наплавки режущих частей быстрорежущими сталями. Затраты на размерную обработку наплавленной режущей части сокращаются в 4-6 раз при сокращении времени изготовления в 6-12 раз.

ЛИТЕРАТУРА

1. Водопьянова В.П., Зубков Н.С. Наплавка быстрорежущей стали с получением наплавленного металла в закаленном состоянии // Изготовление, восстановление и упрочнение металлорежущего инструмента: сб. научных трудов / под ред. Н.С. Зубкова. Тверь : ТГТУ, 1995.

2. БроверA.B., Пустовойт В.Н., Крейнин C.B. Влия-w ние режимов лазерной обработки на структуру и свойства  инструментальных сталей // Металлообработка. 2008. у № 2. С. 28-32.

3. Шнейдер Е.А. Оптимизация технологического 2 процесса наплавленного биметаллического режущего ин-10 струмента // СТанки и Инструмент. 2009. № 7. С. 24-26.

4. Крашенинников В.В., Оришич А.М., Токарев А.О., Демин B.C. Исследование технологической возможности

Q изготовления режущего инструмента методом лазерной Н наплавки // Металловедение и термическая обработка ме-^ таллов. 1998, №6. С. 5-8.

5. Дунин-Барковский И.В., Карташова А.Н. Измере-g ние и анализ шероховатости, волнистости и некруглости

поверхности. М. : Машиностроение, 1978. 232 с.

6. Терегулов Н.Г., Соколов Б.К., Матвеева В.С. Ка-Н чество обрабатываемой поверхности при лазерной резке ф и его контроль // Дефектоскопия. 2007. №2. С. 62-72.

И 7. Макаров А.Д. Износ и стойкость режущих ин-

струментов текст. М. : Машиностроение, 1966. 264 с.

8. Лисовский А.Л., ПлетеневИ.В. Лазерное упрочнение штампового инструмента // Вестник Белорусско-Российского университета. 2008. №3 (20). С. 90-99.

9. Астапчик С.А., Голубев В.С., Маклаков А.Г. Лазерные технологии в машиностроении и металлобработ-ке. Минск: Белорус. наука, 2008. 251 с.

10. Бурлаченко О.В., Иванов М.В. Метод повышения надежности трансмиссии строительных машин // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2016. Вып. 43(62). С. 121-129.

11. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В.Я. Панченко. М.: физматлит, 2009. 664 с.

12. Bonek M., Dobrzanski L.A., Hajduczek E., Klim-pel A. Structure and properties of laser alloyed surface layers on the hot-work tool steel // Journal of Materials Processing Technology. 2006. № 175. Pp. 45-54.

13. Schulz W., Beckert D., Fanke J., et al. Heat conduction losses in laser cutting of metals // Journal of Physics D: Applied Physics. 1993. Vol. 26. Pp. 1357-1363.

14. Niziev V.G., Nesterov A.V. Influence of beam polarization on laser cutting efficiency // Journal of Physics D: Applied Physics. 1999. Vol. 32. Pp. 1455-1461.

Совершенствование технологии наплавки и газолазерной резки _ ___

С. оэ2-о9Ь

для повышения эффективности изготовления биметаллического инструмента

15. VicanekM. Simon G., UrbassekH.M., Decker I. Hy-drodynamical instability of meat flow in laser cutting // Journal of Physics D: Applied Physics 1987. Vol. 20. Pp. 140-145.

16. Sobih M., Crouse P.L., LiL. Elimination of striation in laser cutting of mind steel // Journal of Physics D: Applied Physics. 2007. Vol. 40 (22). Pp. 6908-6916.

17. Li L., Sobih M., Crouse P.L. Striation-free Laser Cutting of Mild Steel Sheets // CIRP Annals. Manufacturing Technology. 2007. Vol. 56 (1). Pp. 193-196.

18. Radziejewska J., Skrzypek S.J. Microstructure and residual stresses in surface finish layer of simultaneously la-

Поступила в редакцию в октябре 2016 г. Принята в доработанном виде в июне 2017 г. Одобрена для публикации в июле 2017 г.

ser alloyed burnished steel // Journal of Materials Processing Technology. 2009. Vol. 209. Pp. 2047-2056.

19. Барабонова И.А., Афанасьева Л.Е., Ботянов Е.В., Раткевич Г.В. Градиентное упрочнение наплавленной быстрорежущей стали газолазерной резкой // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 9. С. 13-16.

20. Афанасьева Л.Е., Барабонова И.А., Зубков Н.С., Разумов М.С. Технологическая прочность наплавленной быстрорежущей стали при газолазерной резке // Металловедение и термическая обработка металлов. 2009. № 7. С. 36-38.

Об авторах: Бурлаченко Олег Васильевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии строительного производства, заместитель директора по научной работе, Институт архитектуры и строительства Волгоградского государственного технического университета (ИАиС ВолгГТУ), 400074, Волгоград, ул. Академическая, д. 1; oburlachenko@yandex.ru;

Буров Анатолий Михайлович — кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазовых сооружений, Институт архитектуры и строительства Волгоградского государственного технического университета (ИАиС ВолгГТУ), 400074, Волгоград, ул. Академическая, д. 1; 20burov15@mail.ru;

Иванов Максим Витальевич — аспирант кафедры технологии строительного производства, Институт архитектуры и строительства Волгоградского государственного технического университета (ИАиС ВолгГТУ), 400074, Волгоград, ул. Академическая, д. 1; devermax18@mail.ru;

ляшенко Александр Александрович — аспирант кафедры технологии строительного производства, Институт архитектуры и строительства Волгоградского государственного технического университета (ИАиС ВолгГТУ), 400074, Волгоград, ул. Академическая, д. 1; lyashenko2626@mail.ru.

references

1. Vodop'yanova V.P., Zubkov N.S. Naplavka bystro-rezhuschey stali s polucheniem naplavlennogo metalla v za-kalennom sostoyanii tekst [Welding High-Speed Steel with the Receipt of the Deposited Metal in the Hardened State]. Izgotovlenie, vosstanovlenie i uprochnenie metallorezhus-chego instrumenta: sb. nauchnyh trudov /pod red. N.S. Zub-kova [Manufacturing, Restoration and Hardening of Cutting Tools: Collected Scientific Papers / N.S. Zubkov

2. Brover A.B., Pustovoyt V.N., Kreynin C.B. Vliyanie rezhimov lazernoy obrabotki na strukturu i svoystva instru-mentalnyh staley [Influence of the Modes of Laser Treatment on the Structure and Properties of the Tool Steel]. Metalloo-brabotka [Metalworking]. 2008, no. 2, pp. 28-32.

3. Shneyder E.A. Optimizatsiya tehnologicheskogo protsessa naplavlennogo bimetallicheskogo rezhuschego instrumenta [Optimization of the Technological Process of Weld Bimetal Cutting Tool]. STanki i INstrument [Tanks and Tool.]. 2009, no. 7, pp. 24-26.

4. Krashennikov V.V., Orishich A.M., Tokarev A.O., Demin B.C. Issledovanie tehnologicheskoy vozmozhnosti izgotovleniya rezhuschego instrumenta metodom lazernoy naplavki [Research of the Technological Possibilities of the Cutting Tools Production By Laser Welding]. Metallove-deniye i termicheskaya obrabotka metallov [Metallurgy and Metals Heat Treatment]. 1998, no. 6, pp. 5-8.

5. Dunin-Barkovskiy I.V., Kartashova A.N. Izmerenie i analiz sherohovatosti, volnistosti i nekruglosti poverhnosti [Measurement and Analysis of Roughness, Waviness And the Noncircularity of the Surface] Moscow, Mashinostroenie Publ., 1978. 232 p.

6. Teregulov N.G., Sokolov B.K., Matveeva V.S. Kachestvo obrabatyvaemoy poverhnosti pri lazernoy rezke i ego kontrol [Surface Quality in the Laser Cutting and Its Control]. Defektoskopiya [Defectoscopy]. 2007, no. 2, pp. 62-72.

7. Makarov A.D. Iznos i stoykost' rezhuschih instrumen-tov tekst [Wear and Durability of the Cutting Tools]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1966. 264 p.

8. Lisovskiy A.L., Pletenev I.V. Lazernoe uprochnenie ^ shtampovogo instrumenta [Laser Hardening of the Tool Die (D Steels]. Vestnik Belorussko-Rossiyskogo universiteta [Bulle- T tin of the Belarusian-Russian University], 2008, no. 3 (20), X pp. 90-99. (In Russian) |

9. Astapchik S.A., Golubev V.S., Maklakov A.G. Laz- _ ernye tehnologii v mashinostroenii i metallobrabotke [La- ^ ser Technology in the Mechanical Engineering and Metals Industries]. Minsk, Belorusskaya nauka Publ., 2008. 251 p.

10. Burlachenko O. V., Ivanov M. V. Metod povysh- g eniya nadezhnosti transmissii stroitelnyh mashin [Method ^ of Increasing Reliability of the Construction Equipment K) Transmission]. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo gj arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitelstvo £ i arhitektura [Bulletin of the Volgograd State University y of Architecture and Civil Engineering. Series: Civil Engi- p neering and Architecture], 2016. iss. 43(62). pp. 121-129.

11. Lazernye tehnologii obrabotki materialov: sovre- 1 mennye problemy fundamentalnyh issledovaniy i prikladnyh O razrabotok /pod red V.Ya. Panchenko [Laser Technologies

of the Material Processing: Modern Problems of Fundamen-

О.В. Бурлаченко, A.M. Буров, М.В. Иванов, A.A. Ляшенко

tal Research and Applied Developments / V.Ya. Panchenko

12. Bonek M., Dobrzanski L.A., Hajduczek E., Klim-pel A. Structure and Properties of Laser Alloyed Surface Layers on the Hot-Work Tool Steel. Journal of Materials Processing Technology. 2006, no. 175, Pp. 45-54.

13. Schulz W., Beckert J., Fanke R., et al. Heat Conduction Losses in Laser Cutting of Metals. Journal of Physics D: Applied Physics. 1993, vol. 26, pp. 1357-1363.

14. Niziev V.G., Nesterov A.V. Influence of Beam Polarization on Laser Cutting Efficiency. Journal of Physics D: Applied Physics. 1999, vol. 32, pp. 1455-1461.

15. Vicanek M., Simon G., Urbassek H.M., Decker I. Hydrodynamical Instability of Meat Flow in Laser Cutting. Journal of Physics D: Applied Physics. 1987, vol. 20, pp. 140-145.

16. Sobih M., Crouse P.L., Li L. Elimination of Striation in Laser Cutting of Mind Steel. Journal of Physics D: Applied Physics. 2007, vol. 40 (22), pp. 6908-6916.

17. Li L., Sobih M., Crouse P.L. Striation-free Laser Cutting of Mild Steel Sheets. CIRP Annals. Manufacturing Technology. 2007, vol. 56 (1), pp. 193-196.

18. Radziejewska J., Skrzypek S.J. Microstructure and residual stresses in surface finish layer of simultaneously laser alloyed burnished steel. Journal of Materials Processing Technology. 2009, Vol. 209, pp. 2047-2056.

19. Barabonova I.A., Afanas'yeva L.Ye., Botya-nov Ye.V., Ratkevich G.V. Gradientnoe uprochnenie naplav-lennoy bystrorezhuschey stali gazolazernoy rezkoy [Gradient Hardening of Deposited High-Speed Steel Gasolineras Sharp]. Uprochnyayuschie tehnologii i pokrytiya [Hardening Technologies and Coatings]. 2013, no. 9, pp. 13-16.

20. Afanaseva L.E., Barabonova I.A., Zubkov N.S., Razumov M.S. Tehnologicheskaya prochnost' naplavlennoy bystrorezhuschey stali pri gazolazernoy rezke [Technological Strength of Deposited High-Speed Steel When Cutting Gasolineras]. Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metall-ov [Metallurgy and Metals Heat Treatment]. 2009, no. 7, pp. 36-38.

Received in October 2016.

Adopted in revised form in June 2017.

Approved for publication in July 2017.

About authors: Burlachenko Oleg Vasil'evich — Doctor of Technical Science, Professor, Chair of the Department of Construction Production Technology, Associate Director for Scientific work, Institute of Architecture and construction of Volgograd state Technical University (IoAac of VsTU), 1 Akademicheskaya str., 400074, Volgograd, Russian Federation; oburlachenko@yandex.ru;

Burov Anatoliy Mikhaylovich — Candidate of Technical Science, Associate Professor, Department of Oil and Gas Structures, Institute of Architecture and construction of Volgograd state Technical University, (IoAac of VsTU), 1 Akademicheskaya str., 400074, Volgograd, Russian Federation; 20burov15@mail.ru;

Ivanov Maxim Vital'evich — Postgraduate student, Department of Construction Production Technology, Institute of Architecture and construction of Volgograd state Technical University, (IoAac of VsTU), 1 Akademicheskaya str., 400074, Volgograd, Russian Federation; clevermax18@mail.ru;

Lyashenko Alexandr Alexandrovich — Postgraduate student, Department of Construction Production Technology, Institute of Architecture and construction of Volgograd state Technical University, (IoAac of VsTU), 1 Akademicheskaya str., 400074, Volgograd, Russian Federation; lyashenko2626@mail.ru.

N О

00 X

о >

с

10

<N

S о

H >

о

X

s

I h

О ф