Frontier Materials & Technologies. 2021; : 98-106
Оптимальная схема лазерного упрочнения вершины режущего клина инструмента
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2021-4-98-106Аннотация
Лазерная термообработка является одним из эффективных методов повышения эксплуатационных характеристик металлорежущего инструмента. В практике лазерного упрочнения существует несколько методов выбора режима обработки: экспериментальный, расчетный, по справочным данным. Перспективным для оценки параметров зоны обработки является применение метода конечных элементов, использование которого наиболее востребовано для расчета температурного поля сложнопрофильного инструмента. При организации процесса упрочнения наиболее сложными являются выбор и назначение режимов обработки вершины режущего клина. В связи с этим решение многофакторной задачи оптимизации схемы упрочнения области около вершины инструмента актуально при проектировании и автоматизации процесса лазерного упрочнения лезвийного инструмента. В работе методом конечных элементов в программе ANSYS Workbench на примере инструмента с углом заострения 60° проведены численные эксперименты по оптимизации схемы упрочняющей лазерной обработки вершины режущего клина инструмента. Рассмотрено три варианта схемы упрочнения. Первый из них заключается в реализации многократной обработки области, примыкающей к вершине инструмента. Второй состоит в попеременном перемещении пятна лазерной обработки вдоль режущих кромок в области вершины инструмента. Согласно третьему варианту пятна обработки последовательно располагались вдоль биссектрисы угла при вершине инструмента. Показано, что по критерию максимальной глубины оптимальной является схема упрочнения, заключающаяся в попеременном перемещении пятна лазерной обработки вдоль режущих кромок в области вершины инструмента. В этом случае обеспечиваются характеристики зоны упрочнения, превосходящие аналогичные величины, описывающие зону упрочнения для остальных вариантов лазерной обработки вершины режущего клина инструмента.
Список литературы
1. Handbook of Laser Materials Processing / eds. J.F. Ready, D.F. Farson, T. Feeley. Berlin: Springer, 2001. 715 p.
2. Advances in laser materials processing: technology, research and applications / ed. J.R. Lawrence. USA: Elsevier Science, 2017. 802 p.
3. Handbook of Laser Technology and Applications. Vol. 3: Applications / eds. C. Webb, J.D.C. Jones. USA: CRC Press, 2020. 1167 p.
4. Zohuri B. Thermal Effects of High Power Laser Energy on Materials. USA: Springer, 2021. 420 p.
5. Dobrzański L., Dobrzańska-Danikiewicz A. Applications of Laser Processing of Materials in Surface Engineering in the Industry 4.0 Stage of the Industrial Revolution // Materials Performance and Characterization. 2019. Vol. 8. № 6. P. 1091–1129. DOI: 10.1520/MPC20190203.
6. Гладуш Г.Г., Смуров И.Ю. Физические основы лазерной обработки материалов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017. 592 c.
7. Klocke F., Beck T., Hoppe S., Krieg T., Muller N., Nothe T., Raedt H.W., Sweeney K. Examples of FEM application in manufacturing technology // Journal of Materials Processing Technology. 2002. Vol. 120. № 1-3. P. 450–457. DOI: 10.1016/S0924-0136(01)01210-9.
8. Криворучко Д.В., Залога В.А. Моделирование процессов резания методом конечных элементов: методологические основы. Сумы: Университетская книга, 2012. 496 с.
9. Roy S., Zhao J.N., Shrotriya P., Sundararajan S. Effect of laser treatment parameters on surface modification and tribological behavior of AISI 8620 steel // Tribology International. 2017. Vol. 112. P. 94–102. DOI: 10.1016/j.triboint.2017.03.036.
10. Dunaj P., Marchelek K., Chodźko M. Application of the finite element method in the milling process stability diagnosis // Journal of Theoretical and Applied Mechanics. 2019. Vol. 57. № 2. P. 353–367. DOI: 10.15632/jtam-pl/104589.
11. Peng Z.X., Li J., Yan P., Gao S.F., Zhang C.H., Wang X.B. Experimental and simulation research on micro-milling temperature and cutting deformation of heat-resistance stainless steel // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. Vol. 95. № 5-8. P. 2495–2508. DOI: 10.1007/s00170-017-1091-6.
12. Byun J.B., Lee H.J., Park J.B., Seo I.D., Joun M.S. Fully coupled finite element analysis of an automatic multi-stage cold forging process // Solid State Phenomena. 2020. Vol. 311 SSP. P. 88–93. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.311.88.
13. Muhsin N.M.B., Dhaher N.H. Finite Elements Analysis of Laser Cutting Process // NeuroQuantology. 2020. Vol. 18. № 5. P. 50–55. DOI: 10.14704/nq.2020.18.5.NQ20167.
14. Дьяченко Ю.В., Маковецкий А.В., Хитрых Е.Е. Численное моделирование процессов лазерной резки листовых авиационных материалов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сборник научных трудов. Харьков: ХАИ, 2014. Вып. 63. С. 104–114.
15. Wu W., Liang N.G., Gan C.H., Yu G. Numerical investigation on laser transformation hardening with different temporal pulse shapes // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 200. № 8. P. 2686–2694. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.11.011.
16. Anusha E., Kumar A., Shariff S.M. Finite element analysis and experimental validation of high-speed laser surface hardening process // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. Vol. 115. № 7-8. P. 2403–2421. DOI: 10.1007/s00170-021-07303-z.
17. Lyutikov Y.A., Lyuchter A.B., Korobov M.A. The influence of laser hardening on the performance of steel 30KHGSA by the finite elements method // Journal of Physics: Conference Series: III international conference on laser and plasma researches and technologies. 2017. Vol. 941. Article number 012041. DOI: 10.1088/1742-6596/941/1/012041.
18. Fakir R., Barka N., Brousseau J., Caron-Guillemette G. Numerical Investigation by the Finite Difference Method of the Laser Hardening Process Applied to AISI-4340 // Journal of Applied Mathematics and Physics. 2018. Vol. 6. № 10. P. 2087–2106. DOI: 10.4236/jamp.2018.610176.
19. Lu X., Lin X., Chiumenti M., Cervera M., Li J., Ma I., Wei L., Hu Y., Huang W. Finite element analysis and experimental validation of the thermomechanical behavior in laser solid forming of Ti-6Al-4V // Additive Manufacturing. 2018. Vol. 21. P. 30–40. DOI: 10.1016/j.addma.2018.02.003.
20. Яресько С.И., Горяинов Д.С. Формирование температурного поля в режущем клине инструмента при импульсной упрочняющей лазерной обработке // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. № 7. С. 30–36.
21. Yaresko S.I. Finite-Element Modeling in the Technology of Hardening Laser Processing of a Metal-Cutting Tool // Journal of Engineering Physics and Thermo-physics. 2019. Vol. 92. № 2. P. 314–325. DOI: 10.1007/s10891-019-01935-5.
22. Яресько С.И., Михеев П.А., Каковкина Н.Г. Обеспечение равномерного распределения интенсивности лазерного излучения при импульсной термообработке с помощью неустойчивого резонатора // Физика и химия обработки материалов. 2000. № 6. С. 19–25.
Frontier Materials & Technologies. 2021; : 98-106
Optimal scheme of laser hardening of a tool wedge tip
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2021-4-98-106Abstract
Laser heat treatment is one of the effective methods to improve the operational characteristics of metal-cutting tools. In the practice of laser hardening, there are several methods to select treatment mode: experimental, calculated, and according to reference data. The finite element method is promising for estimating the treatment zone parameters, and its application is the most in-demand for calculating the temperature field of a geometrically complex tool. When organizing the hardening process, the selection and setting of processing modes for the cutting wedge tip are the most difficult. In this regard, the solution for the multifactorial problem of optimizing the hardening scheme of an area near the tool tip is relevant when designing and automating the process of blade tool laser hardening. Using the finite element method in the ANSYS Workbench software, the authors carried out the numerical experiments to optimize the laser hardening scheme of the tool cutting wedge tip on the example of an instrument with a wedge angle equal to 60°. The paper considers three variants of the hardening scheme. The first variant is the implementation of multiple processing of an area adjacent to the tool tip. The second one consists of alternate movement of laser treatment spots along the cutting edges within the tool tip area. According to the third variant, the treatment spots were sequentially located along the bisector of an angle at the tool tip. The study showed that, according to the maximum depth criterion, an optimal hardening scheme is a scheme, which consists of alternate movement of laser treatment spots along the cutting edges in the tool tip area. In this case, the hardening zone characteristics are ensured that exceed similar values describing the hardening zone for other laser treatment options for the tool cutting wedge tip.
References
1. Handbook of Laser Materials Processing / eds. J.F. Ready, D.F. Farson, T. Feeley. Berlin: Springer, 2001. 715 p.
2. Advances in laser materials processing: technology, research and applications / ed. J.R. Lawrence. USA: Elsevier Science, 2017. 802 p.
3. Handbook of Laser Technology and Applications. Vol. 3: Applications / eds. C. Webb, J.D.C. Jones. USA: CRC Press, 2020. 1167 p.
4. Zohuri B. Thermal Effects of High Power Laser Energy on Materials. USA: Springer, 2021. 420 p.
5. Dobrzański L., Dobrzańska-Danikiewicz A. Applications of Laser Processing of Materials in Surface Engineering in the Industry 4.0 Stage of the Industrial Revolution // Materials Performance and Characterization. 2019. Vol. 8. № 6. P. 1091–1129. DOI: 10.1520/MPC20190203.
6. Gladush G.G., Smurov I.Yu. Fizicheskie osnovy lazernoi obrabotki materialov. M.: FIZMATLIT, 2017. 592 c.
7. Klocke F., Beck T., Hoppe S., Krieg T., Muller N., Nothe T., Raedt H.W., Sweeney K. Examples of FEM application in manufacturing technology // Journal of Materials Processing Technology. 2002. Vol. 120. № 1-3. P. 450–457. DOI: 10.1016/S0924-0136(01)01210-9.
8. Krivoruchko D.V., Zaloga V.A. Modelirovanie protsessov rezaniya metodom konechnykh elementov: metodologicheskie osnovy. Sumy: Universitetskaya kniga, 2012. 496 s.
9. Roy S., Zhao J.N., Shrotriya P., Sundararajan S. Effect of laser treatment parameters on surface modification and tribological behavior of AISI 8620 steel // Tribology International. 2017. Vol. 112. P. 94–102. DOI: 10.1016/j.triboint.2017.03.036.
10. Dunaj P., Marchelek K., Chodźko M. Application of the finite element method in the milling process stability diagnosis // Journal of Theoretical and Applied Mechanics. 2019. Vol. 57. № 2. P. 353–367. DOI: 10.15632/jtam-pl/104589.
11. Peng Z.X., Li J., Yan P., Gao S.F., Zhang C.H., Wang X.B. Experimental and simulation research on micro-milling temperature and cutting deformation of heat-resistance stainless steel // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. Vol. 95. № 5-8. P. 2495–2508. DOI: 10.1007/s00170-017-1091-6.
12. Byun J.B., Lee H.J., Park J.B., Seo I.D., Joun M.S. Fully coupled finite element analysis of an automatic multi-stage cold forging process // Solid State Phenomena. 2020. Vol. 311 SSP. P. 88–93. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.311.88.
13. Muhsin N.M.B., Dhaher N.H. Finite Elements Analysis of Laser Cutting Process // NeuroQuantology. 2020. Vol. 18. № 5. P. 50–55. DOI: 10.14704/nq.2020.18.5.NQ20167.
14. D'yachenko Yu.V., Makovetskii A.V., Khitrykh E.E. Chislennoe modelirovanie protsessov lazernoi rezki listovykh aviatsionnykh materialov // Otkrytye informatsionnye i komp'yuternye integrirovannye tekhnologii: sbornik nauchnykh trudov. Khar'kov: KhAI, 2014. Vyp. 63. S. 104–114.
15. Wu W., Liang N.G., Gan C.H., Yu G. Numerical investigation on laser transformation hardening with different temporal pulse shapes // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 200. № 8. P. 2686–2694. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.11.011.
16. Anusha E., Kumar A., Shariff S.M. Finite element analysis and experimental validation of high-speed laser surface hardening process // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. Vol. 115. № 7-8. P. 2403–2421. DOI: 10.1007/s00170-021-07303-z.
17. Lyutikov Y.A., Lyuchter A.B., Korobov M.A. The influence of laser hardening on the performance of steel 30KHGSA by the finite elements method // Journal of Physics: Conference Series: III international conference on laser and plasma researches and technologies. 2017. Vol. 941. Article number 012041. DOI: 10.1088/1742-6596/941/1/012041.
18. Fakir R., Barka N., Brousseau J., Caron-Guillemette G. Numerical Investigation by the Finite Difference Method of the Laser Hardening Process Applied to AISI-4340 // Journal of Applied Mathematics and Physics. 2018. Vol. 6. № 10. P. 2087–2106. DOI: 10.4236/jamp.2018.610176.
19. Lu X., Lin X., Chiumenti M., Cervera M., Li J., Ma I., Wei L., Hu Y., Huang W. Finite element analysis and experimental validation of the thermomechanical behavior in laser solid forming of Ti-6Al-4V // Additive Manufacturing. 2018. Vol. 21. P. 30–40. DOI: 10.1016/j.addma.2018.02.003.
20. Yares'ko S.I., Goryainov D.S. Formirovanie temperaturnogo polya v rezhushchem kline instrumenta pri impul'snoi uprochnyayushchei lazernoi obrabotke // Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2012. № 7. S. 30–36.
21. Yaresko S.I. Finite-Element Modeling in the Technology of Hardening Laser Processing of a Metal-Cutting Tool // Journal of Engineering Physics and Thermo-physics. 2019. Vol. 92. № 2. P. 314–325. DOI: 10.1007/s10891-019-01935-5.
22. Yares'ko S.I., Mikheev P.A., Kakovkina N.G. Obespechenie ravnomernogo raspredeleniya intensivnosti lazernogo izlucheniya pri impul'snoi termoobrabotke s pomoshch'yu neustoichivogo rezonatora // Fizika i khimiya obrabotki materialov. 2000. № 6. S. 19–25.
