Дисертації (ЛТФТТ)
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Підвищення експлуатаційних властивостей сталевих виробів комбінованою лазерною термомеханічною поверхневою обробкою(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Данилейко, Олександр Олександрович; Лесик, Дмитро АнатолійовичДанилейко О. О. Підвищення експлуатаційних властивостей сталевих виробів комбінованою лазерною термомеханічною поверхневою обробкою. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальності 131 «Прикладна механіка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Міністерство освіти і науки України. – Київ, 2023. У дисертаційній роботі висвітлюються способи підвищення надійності та довговічності інструментів зі сталі 30ХГСА, які використовуються в дробарках ударного типу, а також корпусів коронок для колонкового буріння комбінованою лазерною термомеханічною поверхневою обробкою. При проведенні теоретичної розвідки опрацьовано новітні наукові доробки з механіки контактної взаємодії, інженерії поверхні, теорії теплопровідності при дії концентрованих джерел енергії. Для обробки результатів дослідження та оптимізації технологічного процесу зміцнення поверхні сталевих деталей лазерною обробкою використано методи багатофакторного планування експерименту та математичної статистики. Випробування на зносостійкість зразків зі сталі 30ХГСА, зміцнених комбінованими методами, проводились в умовах тертя жорстко закріплених абразивних часток з подальшим визначенням стійкості ударного інструмента до корозії. Завдяки отриманим результатам проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблено спосіб термомеханічної поверхневої обробки металевих виробів за роздільною схемою, відповідно до якої передбачається спочатку проведення пластичної деформації поверхневого шару виробу високошвидкісним потоком із сферичними дрібнорозмірними частками протягом визначеного часу (для утворення подрібненої активованої структури та шорсткості текстури на поверхні), а потім – термообробку з високошвидкісним нагріванням лазерним променем поверхні деталі до температури області стабільного аустеніту, та подальшим миттєвим охолодженням із швидкістю вище критичної швидкості гартування. Запропоновано алгоритм визначення технологічних режимів комбінованої термомеханічної поверхневої обробки інструментів зі сталі 30ХГСА з використанням дробоструминної (далі – ДСО) і лазернотермічної (далі – ЛТО) обробок, а також з урахуванням кута нахилу струменевого потоку при ДСО. Встановлено, що при ЛТО без оплавлення ефект поверхневого пластичного деформування в зміцненому поверхневому шарі зберігається. При ДСО з подальшою ЛТО глибина зміцненого шару в 1,4 рази більша, порівняно з окремою ЛТО, і в 14 раз більша, порівнюючи з окремою ДСО. Спільна деформаційна дія динамічних інструментів при ДСО, низькочастотній ударній обробці та подальшій термічній дії лазерного променя сприяють значній зміні структурного і напруженого станів та справляють суттєвий вплив на зміну глибини, мікротвердості та зношування деталей. Визначено, що при динамічній дії дробоструминної обробки розмір кристалітів менший у 1,5 рази, як порівняти з вихідним матеріалом без зміни фазового складу. При гартуванні лазерним променем розмір кристалітів заліза менший майже в 2 рази, порівнюючи з дією ДСО, і майже в 3 рази, порівнюючи з вихідним станом матеріалу. Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній уперше: 1. Розроблено комбінований спосіб лазерного термомеханічного зміцнення з попереднім нанесенням відповідної текстури на поверхні деформаційним інструментом і подальшим лазерним гартуванням високопотужним лазером, експериментально визначено оптимальні технологічні режими зміцнення виробів зі сталі 30ХГСА, що забезпечує не тільки підвищення глибини зміцнення та покращує фізикомеханічні властивості поверхневого шару, а й підвищує зносостійкість виробів у більш ніж 13 разів. 2. Запропоновано алгоритм визначення оптимальних технологічних режимів за критерієм глибини зміцненого шару для визначення ефективної схеми комбінованої лазерної термомеханічної обробки інструментів із середньолегованих сталей. 3. Запропоновано розрахунковоекспериментальну залежність для визначення зони деформаційного впливу під час охолодження при використанні комбінованого лазерного термомеханічного зміцнення за суміщеною схемою. 4. Експериментально підтверджено, що попередня деформаційна дія ДСО перед термічною дією ЛТО значно збільшує глибину поверхневого шару при використанні вихідного об’ємногартованого зразка (порівнюючи з вихідним зразком без гартування). 5. Визначено зміни глибини, мікротвердості, розміру і ступеня деформації кристалітів, величини внутрішніх залишкових напружень, а також зносо та корозійної стійкості зразків, зміцнених одиничними та комбінованими термомеханічними способами обробки з використанням динамічної деформаційної дії інструментів та термічної дії лазерним променем. Практичне значення отриманих результатів полягає в такому: - спроектовано і виготовлено експериментальну установку з числовим програмним керуванням та розроблено керуючі програми для оздоблювальнозміцнювальної обробки металевих виробів з використанням термічної дії лазерного променя та деформаційної (зокрема ударної) дії деформуючого інструмента, а також модернізовано установку та пристрої для досліджень; - удосконалена методика визначення глибини зміцненого шару після термодеформаційного процесу поверхневого зміцнення. Встановлено, що комбінована ДСО + ЛТО сприяє збільшенню глибини зміцнення на 50 %, порівнюючи з окремою ЛТО. - розроблено та випробувано у виробничих умовах технологічні процеси комбінованої лазерної обробки. Їх випробування в умовах ДП завод «Генератор», Державного концерну «Укроборонпром» та Приватному акціонерному товаристві «Хорольський механічний завод», засвідчило підвищення глибини зміцнення поверхневого шару оброблюваних деталей у 1,8 разів, порівнюючи з лазерною термічною обробкою; покращення фізикомеханічних властивостей поверхні деталі, зокрема збільшення мікротвердості в 2,6 рази, а також зростання зносостійкості у понад 13 разів. - результати дисертаційної роботи використовуються для підготовки фахівців зі спеціальності 131 «Прикладна механіка» в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», для проведення експериментальних досліджень за різноманітними науковими темами та проєктами. Результати дисертаційної роботи, зокрема, були використані у межах досліджень наукового проєкту № 0121U113829 «Підвищення зносо та корозійної стійкості сталевих виробів комбінованим методом поверхневої лазерномеханічної обробки». Використання комбінованого термомехнічного зміцнення в умовах виробництва засвідчило поліпшення якості поверхневого шару деталей, що в умовах подальшої експлуатації не схильний до розтріскування та відшарування, а також підвищення глибини зміцнення, покращення фізикомеханічних властивостей та зростання зносостійкості у понад 13 разів, порівняно з матеріалом, який не проходив додаткову комбіновану термодеформаційну обробку. Упровадження запропонованого комбінованого способу зміцнення сприятиме підвищенню ефективності виробництва за рахунок автоматизації процесів термомеханічної обробки по контуру деталей складної форми зі сталі 30ХГСА, а також із тугоплавких металів. Основні результати дисертаційного дослідження опубліковані в 25 наукових працях, серед яких: 3 розділи в іноземних колективних виданнях, проіндексованих у міжнародній наукометричній базі Scopus; 2 статті в періодичних наукових виданнях, проіндексованих у базі Scopus; 5 статей у наукових фахових виданнях України; 8 праць апробаційного характеру (тези доповідей). За матеріалами дисертаційної роботи розроблено та захищено деклараційними патентами України 7 способів комбінованої термомеханічної обробки.