-
Universitatea POLITEHNICA din BucurestiFacultatea de Ingineria
si Managementul Sistemelor Tehnologice
Catedra Tehnologia Constructiilor de Masini
Ing.Dumitru NEAGU
CONTRIBUTII LA STUDIULPROCESELOR DE PRELUCRARE CU
FASCICUL DE ELECTRONI
PREZENTARE TEZA DE DOCTORAT
Conducator stiintific Prof.dr.ing.Voicu TACHE
1999 0
-
TEMA TEZEI DE DOCTORATCONTRIBUTII LA STUDIUL PROCESELOR DE
PRELUCRARE CU FASCICUL DE
ELECTRONI“Modelarea si optimizarea procesului de durificare
asuprafetelor metalice cu fascicul de electroni”Cuprins:
Introducere……………………………………………………………………………………..6 PARTEA INTAI.
STADIUL ACTUAL AL CERCETARILOR TEORETICE SI
EXPERIMENTALE PRIVIND PROCESELE DE PRELUCRARE CU FASCICUL DE
ELECTRONI……………………………………………….9
CAP.1 CERCETARI TEORETICE SI EXPERIMENTALE PRIVIND PROCESELE DE
PRELUCRARE CU FASCICUL DE ELECTRONI……………………………………….…91.1.Locul si
importanta prelucrarii cu fascicul de
electroni………………….…….……………………...91.2.Cercetari privind bazele
teoretice ale prelucrarii cu fascicul de
electroni……………………………111.3.Cercetari privind procesele de prelucrare
cu fascicul de electroni…………………………………...20
CAP.2 CONCLUZII PRIVIND STADIUL ACTUAL AL CERCETARILOR TEORETICE
SI EXPERIMENTALE, DIRECTII SI OBIECTIVE DE CERCETARE ALE
LUCRARII….….34PARTEA A DOUA. CONTRIBUTII LA STUDIUL PROCESELOR DE
PRELUCRARE CU FASCICUL DE ELECTRONI PRIN MODELAREA SI
OPTIMIZAREA
PROCESULUI DE DURIFICARE A SUPRAFETELOR METALICE…….38
CAP.3 CONTRIBUTII PRIVIND STUDIUL SISTEMIC AL PARAMETRILOR SI
CARACTERISTICILOR TEHNOLOGICE CARE DETERMIANA PROCESUL DE
DURIFICARE A SUPRAFETELOR METALICE CU FASCICUL DE
ELECTRONI………..38
3.1. Aspecte privind prinipiul durificarii cu fascicul de
electroni………………………………………..383.2. Categorii generale de marimi care
caracterizeaza procesul de durificare cu fascicul de
electroni………………………………………………………………………………………….…...393.3.
Principalii parametri de intrare care determina procesul de
durificare cu fascicul de electroni……..403.4. Principalii parametri
de proces care determina durificarea cu fascicul de
electroni………………....523.5. Principalii parametri de iesire (finali)
care determina procesul de durificare cu fascicul de
electroni………………………………………………………………………………………………56
CAP.4 CONTRIBUTII LA STABILIREA UNOR METODE PENTRU DETERMINAREA
PRINCIPALILOR PARAMETRI DE PROCES AI DURIFICARII SUPRAFETELOR
METALICE CU FASCICUL DE ELECTRONI…………………………………………………59
4.1. Metoda pentru determinarea distantei de
lucru……………………………………………………....594.2. Determinarea diametrului
fasciculului de electroni………………………………………………….664.3. Masurarea
principalilor parametri electrotehnologici ai instalatiilor cu
fascicul de electroni……….70
CAP.5 CONTRIBUTII LA STABILIREA METODOLOGIEI DE MODELARE
MATEMATICO-EXPERIMENTALA A PROCESULUI DE DURIFICARE A
SUPRAFETELOR
METALICE CU FASCICUL DE ELECTRONI…………………………………………………735.1.
Definirea functiilor de proces pentru caracterizarea durificarii
suprafetelor cu fascicul de
electroni………………………………………………………………………………………………735.2. Metodica si
mijloacele de cercetare pentru determinarea unor functii de proces
pentru caracterizarea durificarii suprafetelor cu fascicul de
electroni……………………………………….735.3. Metodologia determinarii functiilor
de proces pentru caracterizarea durificarii suprafetelor cu
fascicul de electroni…………………………………………………………………………………..825.4.
Programul de lucru…………………………………………………………….……………………. 91
1
-
CAP.6 CONTRIBUTII LA STABILIREA PRINCIPALELOR FUNCTII DE PROCES
ALE DURIFICARII SUPRAFETELOR METALICE CU FASCICUL DE
ELECTRONI………….92
6.1. Stabilirea functiei de proces duritatea stratului
influentat, HV………………………………….…926.2. Stabilirea functiei de proces
adancimea stratului durificat, Hs…….……………………………..1046.3. Stabilirea
functiei de proces latimea benzii durificate,
LHV………………………………………111
CAP.7 CONTRIBUTII LA STUDIUL DISTRIBUTIEI SPATIALE A DURITATII
LA DURIFICAREA SUPRAFETELOR CU FASCICUL DE ELECTRONI……………………
1187.1. Formularea matematica a
problemei……………………………………………………………...1187.2. Cercetari privind
stabilirea distributiei spatiale a duritatii la durificarea cu
fascicul de electroni a otelului OLC
45…………………………………………………………………………………1197.3. Cercetari pentru
stabilirea distributiei spatiale a duritatii la durificarea cu
fascicul de electroni a otelului
42MoCr11……………………………………………………………………………...1237.4. Analiza comparativa
a distributiei spatiale a duritatii la durificareacu fascicul de
electroni a
otelurilor OLC 45 si 42MoCr11…………………………………………………………………..127
CAP.8 CONTRIBUTII LA STABILIREA SI REZOLVAREA NUMERICA A
MODELULUI TERMICPENTRU DETERMINAREA IZOTERMELOR SUPERFICIALE LA
DURIFICAREA CU FASCICUL DE ELECTRONI …………………………………………129
8.1. Cercetari privind stabilirea modelului termic si a
legaturii dintre parametrii electrotehnologici si caracteristicile
incalzirii………………………………………………………………………...1298.2. Rezolvarea numerica
a modelului termic…………………………………………………………1348.3. Cercetari privind
stabilirea izotermelor superficiale la durificarea cu fascicul de
electroni a otelurilor OLC 45 si 42
MoCr11………………………………………………………………….136
CAP.9 CONTRIBUTII PRIVIND CARACTERIZAREA SUPRAFETEI BENZII SI A
PETEI DURIFICATE IN URMA PROCESULUI DE DURIFICARE CU FASCICUL DE
ELECTRONI…………………………………………………………………………………..145
9.1. Stabilirea codurilor de stare pentru caracterizarea
suprafetei benzii durificate…………………..1459.2. Caracterizarea
microstructurii petei durificate……………………………………………………1469.3.
Determinarea latimii de suprapunere a benzilor
durificate……………………………………….154
CAP.10 CONTRIBUTII LA OPTIMIZAREA PROCESULUI DE DURIFICARE A
SUPRAFETELOR METALICE CU FASCICUL DE ELECTRONI………………………..15810.1.
Contributii la stabilirea modelului matematic pentru optimizarea
parametrilor prelucrarii prin
durificarea cu fascicul de electroni
……………………………………………………………..15810.2 Contributii la elaborarea unor
normative tehnice unitare pentru stabilirea parametrilor
electrotehnologici la durificarea suprafetelor matematice cu
fascicul de electroni……………..163
PARTEA A TREIA. CAP.11.CONCLUZII FINALE SI CONTRIBUTII ORIGINALE
ALE
LUCRARII………………..170BIBLIOGRAFIE…………………………………………………………….…………………………175ANEXE
Program REGS pentru determinarea functiilor de proces DFE6.1….6.12.
Functii de proces – polinomiale…………………………………………………….181,..,1927.1
Program SCILAB pentru determinarea distributiei spatiale a
duritatii la DFE……………………1938.1 Program IZOTERME SUPERFICIALE la
DFE…………………………………………………..198
2
-
CAP. 1 # 1.1; 1.2
PARTEA INTAISTADIUL ACTUAL AL CERCETARILOR TEORETICE SI
EXPERIMENTALE PRIVIND PROCESELE DE PRELUCRARE CU FASCICUL DE
ELECTRONICAP. 1 CERCETARI TEORETICE SI EXPERIMENTALE PRIVIND
PROCESELE
DE PRELUCRARE CU FASCICUL DE ELECTRONI
Locul si importanta prelucrarii cu fascicul de electroni in
cadrul tehnologiilor moderneEvaluarile facute de Böhme [7], se
refera la limitele termice si la performantele proceselor.
prezentate
in tabelul 1.3. Tabelul 1.3. [7]
Procesul Laser Fascicul deelectroni
Taiere Sudare Gaurire Durificare Retopire la suprafata Aliere la
suprafata
ExcelentLimitataLimitata
BunaLimitataLimitata
NeeconomicExcelentaExcelenta
BunaBunaBuna
Principiul prelucrarii cu fascicul de electroniLa impactul FE cu
componentele de prelucrat, energia se transforma in caldura avand
loc trei faze
succesive:
O incalzire locala rapida a materialului (fig.1.4.a,b), topirea
(fig.1.4.c,d) la puteri specifice pana lavalori de 106 W/cm2,
vaporizarea (fig.1.4.e) se produce prin eliminarea exploziva a
invelisului topit,la puteri specifice de 108W/cm2.
Prelucrarea cu fascicul de electroni si in impulsuri, avand
durata impulsului 10-6…10-7s, iar pauzadintre pulsuri de
10-4…10-5s.
Fenomenul de accelerare a electronilor cu ajutorul campului
electric
Fig.1.4.[6]
3
-
Electronii liberi se pot obtine prin incalzirea suprafetei unui
metal, avand loc asa numita emisietermo-electronica. Fenomenul de
accelerare se realizeaza aplicandu-se un camp electric uniform de
intensitate E(figura 1.5.), forta cu care acesta actioneaza asupra
electronului este de sens invers celui al vectoruluiE si este data
de relatia:
F = -eE [50] (1.2.) Fenomenul de bombardare cu fascicul de
electroni (fig. 1.9.) Dupa Boarna [6], randamentul efectiv al
sudarii are valori de cca. 60-95%.
CAP. 1
#1.2.3; 1.3
INSTALATII CU FASCICUL DE ELECTRONICERCETARI PRIVIND PROCESELE
DE PRELUCRARE CU FASCICUL DE
ELECTRONI Tunul electronic
Fig.1.5.[51] Fig.1.9.[6]
Fig.1.11. [50]
4
-
Tunul electronic asigura principalele functiuni: producerea
electronilor liberi,formarea fasciculului de electroni, focalizarea
si directionarea acestuia, figura 1.11.[50], in care: 1 - catodul
termorezistiv; 2 - catod - cilindru Wehnelt; 3 - anodul
deaccelerare; 4 - lentila electromagnetica; 5 - sistemul de
deflexie (deflectorul); 6 -piesa de prelucrat; 7 - sursa de
tensiune inalta, iar in fig.1.12. se prezinta tunul tipSteigerwald,
care echipeaza instalatia T15 .
Procesul de sudare cu fasicul de electroni este superior sudurii
normale (fig.1.32.) Sudarea constituie principala aplicatie
tehnologica a procedeelor de prelucrare cu fascicul de
electroni, cu largi aplicatii in industria cosmica, aeronautica,
nucleara, electronica, electrotehnica, aautovehiculelor etc.
Procesul de gaurire cufascicul de electroni se face deregula in
regim pulsatoriu.
Procesul de tratament termic al suprafetelor metalice cu
fascicul de electroni, se utilizeaza pentrua conferi proprietatile
dorite unei suprafete metalice, precum rezistenta si durtatea, se
cunosc trei tipuri detratamente: durificarea la suprafata prin
transformarea structurii superficiale in stare solida;durificarea
prin retopire, prin transformarea in stare solida si durificarea
prin aliere prin topirea lasuprafata atat a materialului de baza
cat si a celui de adaos. Procesul de depunere a straturilor subtiri
cu fascicul de electroni, in care vaporii de metal topit sedepun pe
piesa –suport care se afla de obicei la catod si materialul de
topit la anod. Procesul de litografie cu fascicul de electroni, se
intalneste in general, sub doua tehnologii:litografia sarcinii
directe, pentru care se foloseste un singur fascicul de electroni
deflectat si litografiaoptica, pentru care se foloseste proiectia
optica a FE pe suprafata de prelucrat prin lentile obisnuite
saulentile sensibile [9]. Procesul de dopare cu fascicul de
electroni, este un procedeu de implantare de ioni ce se
desfasoarain vid, prin topirea locala a celor doua materiale.
Procedeul de topire cu fascicul de electroni, se intalneste sub
doua forme: topire zonala (locala) sitopirea masei de material.
CAP. 2
Fig.1.12. [114]
Fig.1.32.[125]
5
-
CAP.2 CONCLUZII PRIVIND STADIUL ACTUAL AL CERCETARILOR TEORETICE
SI EXPERIMENTEALE ,DIRECTII SI OBIECTIVE DE CERCETAREPe baza
locului si importantei prelucrarii cu fascicul de electroni in
tehnologia moderna, precum si a
stadiului actual al cercetarilor teoretice si experimentale
privind procesele de prelucrare cu fascicul deelectroni, se
desprinde concluzia generala potrivit careia procesele de
prelucrare cu fascicul de electronireprezinta probleme de cercetare
actuale, iar unele din acestea, care nu au fost cercetate in
intregimea lor,se impun a fi abordate intr-o optica unitara in
vederea dezvoltarii tehnologiei cu fascicul de electroni,
ingeneral, si a unor procese de prelucrare cu fascicul de electroni
, in special. Aceasta constatare generala poate fi sustinuta
printr-o serie de concluzii sintetizate dupa cumurmeaza:
1.Referitor la locul si importanta prelucrarii cu fascicul de
electroni in cadrul tehnologiilormoderne cercetarile prezente
permit evidentierea unor concluzii dupa cum urmeaza: fata de
prelucrarea cu laser, procedeu cu care se aseamana in principal,
prelucrarea cu fascicul de elec-troni este superioara din punct de
vedere al performantelor obtinute. Din punct de vedere al costului,
incazul procesului de sudare, fasciculul laser este mai economic
decat fasciculul de electroni pentru puterimai mici de 2kW; pentru
puteri cuprinse intre 2-3 kW cele doua procedee au costuri
identice, iar pentruputeri mai mari de 5 kW fasciculul de electroni
este mai competitiv [82].
2.Pe baza cercetarilor prezentate referitoare la bazele
teoretice ale prelucrarii cu fascicul deelectroni se pot formula o
serie de concluzii dupa cum urmeaza: la prelucrari precum
durificarea si litografierea se utilizeaza deflexia fasciculului
dupa un programmatricial, controlat de calculator. In aceste
cazuri, rezultatele unor cercetari, publicate in literatura
despecialitate [82,94,116,118], nu permit o definire riguroasa a
datelor programelor si nici cunoastereamodalitatilor de programare
a sistemului de deflectie prin actionarea instalatiei.
3.Referitor la cecetarile teoretice si experimentale privind
procesele de prelucrare cu fascicul deelectroni, se desprind o
serie de concluzii, dupa cum urmeaza:
problema determinarii diametrului punctului de tratament este o
problema complexa. Cercetarileactuale, [37,116] nu stabilesc
dependenta diametrului punctului de tratament de adancimea de
patrunderea fasciculului, de densitatea stratului de material
tratat, de starea de focalizare a fasciculului si detemperatura
dezvoltata in punctul de tratament; referitor la determinarea
fasciculului de electroni corelat cu starea de focalizare, in
literatura, [113,37],se prezinta doar metode de aproximare. Se
considera ca in prezent un mare interes il prezinta si
metodelepractice care sa confirme calculele analitice de
determinare a diametrului fasciculului pe suprafata pieseide
prelucrat, functie de starea de focalizare; in literatura nu exista
o preocupare pentru definirea si tratarea unitara a influentei
parametrilorelectrotehnologici asupra caracteristicilor prelucrarii
cu fascicul de electroni; in cadrul procesului de sudare cu
fascicul de electroni in atmosfera libera, in literatura, [4], nu
esteelucidata influenta elementelor din atmosfera asupra
caracteristicilor din zona de lucru a topiturii; in legatura cu
procesul de gaurire cu fascicul de electroni, cercetarile actuale,
[98,122,121], nu clarificape deplin modul in care influenteaza
natura materialului de baza, cu temperaturi scazute,
caracteristicilegaurilor realizate in diferite materiale; in
procesul de depunere de straturi subtiri in vid, prin bombardarea
suprafetei unui metal cu fascicul deelectroni, cercetarile,
[31,124,77], nu rezolva problema depunerii controlate in straturi
subtiri, in timpulprocesului; in procesul de litografiere, pentru
care se foloseste proiectia optica a fasciculului de electroni
pesuprafata de prelucrat, cercetarile actuale, [9,119], nu
elucideaza problema dublei expuneri, care dacunoscutul efect de
inflorire a suprafetelor prelucrate.
6
-
CAP. 2
OBIECTIVE SI DIRECTII DE CERCETARE
Directiile de cercetare privind procesele de prelucrare cu
fascicul de electroni desprinse pe baza stadiului actual al
acestora, prezentate in lucrarile [8,82,51,94,118,116], sunt in
principal urmatoarele:
dezvoltarea unor cercetari pentru optimizarea constructiva a
utilajelor de prelucrare cu fasciculde electroni; aprofundarea in
continuare a cercetarilor teoretice si experimentale in vederea
modelarii
proceselor din spatiul de lucru, pentru fiecare dintre
aplicatiile de baza ale fasciculului de electroni;modelarea
proceselor caracteristice unor lucrari care sa permita stabilirea
celor mai importante
functii de proces si a dependentei principalelor caracteristici
tehnologice de parametriielectrotehnologici; optimizarea
caracteristicilor tehnologice ale unor prelucrari, urmarindu-se, in
mod deosebit,
cresterea preciziei si productivitatii proceselor; optimizarea
proceselor tehnologice de prelucrare cu fascicul de electroni si
elaborarea de
normative unitare, generale, in domeniu.
Avand in vedere directiile generale de cercetare, stadiul actual
al cercetarilor teoretice siexperimentale privind procesele de
prelucrare cu fascicul de electroni si concluziile desprinse din
analizaacestuia, pentru prezenta lucrare s-a stabilit “modelarea si
optimizarea procesului de durificare asuprafetelor metalice cu
fascicul de electroni”, cu urmatoarele obiective principale:
1. Definirea si tratarea unitara a caracteristicilor si
parametrilor electrotehnologici care determinaprelucrarea de
durificare a suprafetelor metalice cu fascicul de electroni.
2. Definirea si elaborarea unor metode practice pentru
determinarea fasciculului si a unghiului dedeflexie, in vederea
proiectarii optime a procesului de durificare, la suprafata.
3. Realizarea programului de cercetare experimental cu cinci
variabile, pentru determinareafunctiilor de proces (multivariabile)
si a dependentelor principalelor caracteristici tehnologice:
duritateastratului HV, latimea benzii durificate LHV, adancimea
stratului durificat HS, in functie de principaliiparametrii
tehnologici; viteza de lucru Vm, curentul fasciculului de electroni
IFE, tensiunea de accelerareUa , distanta de lucru Ll , unghiul de
deflexie transversal .
4. Prelucrarea matematica a datelor experimentale cu ajutorul
calculatorului petru determinareafunctiilor de proces
multivariabile si stabilirea finala a dependentelor
caracteristicilor tehnologice functiede principalii parametrii
tehnologici luati in analiza.
5. Optimizarea principalelor caracteristici tehnologice ale
durificarii suprafetelor metalice cufascicul de electroni.
6. Intocmirea unor normative unitare pentru proiectarea
operatilor de durificare a suprafetelormetalice cu fascicul de
electroni.
Se apreciaza ca realizarea acestor obiective va conduce la
indeplinirea dezideratului prezenteilucrari, respectiv, la
modelarea si optimizarea procesului de durificare a suprafetelor
metalice dincadrul proceselor de prelucrare cu fascicul de
electroni.
CAP. 3
7
-
# 3.1.
PARTEA A DOUACONTRIBUTII LA STUDIUL PROCESELOR DE PRELUCRARE CU
FASCICULDE ELECTRONI PRIN MODELAREA SI OPTIMIZAREA PROCESULUI
DEDURIFICARE A SUPRAFETELOR METALICE
CAP.3 CONTRIBUTII PRIVIND STUDIUL SISTEMIC AL PARAMETRILOR SI
CARACTERISTICILOR TEHNOLOGICE CARE DETERMINA PROCESUL DE DURIFICARE
A SUPRAFETELOR METALICE CU FASCICUL DE ELECTRONI
Aspecte privind principiul duruficarii cu fascicul de electroni
Durificarea cu fascicul de electroni (DFE), face parte din
categoria procedeelor de prelucrare
termice. Sursa termica o constituie un fascicul de electroni
concentrat, avand o viteza si caurmare o energie cinetica mare,
care bombardeaza suprafata durificata.
La impactul FE cu componentele deprelucrat, energia se
transforma incaldura avand loc fazele: incalzirelocala (fig.3.1a),
incalzire faratopirea materialului (fig.3.1.b) laputeri specifice
de 103..104W/cm2
Fasciculul de electroni este obtinut de tunul electronic
(fig.3.2.) care asigura principalele functii:producerea
electronilor liberi, formarea FE, focalizarea si directionarea
acestuia, in vid inaintat.
Energia cinetica a electronilor accelerati se transforma aproape
integral in caldura, iar prin conductietermica se atinge
temperatura de durificare pe o anumita adancime. Scopul DFE este de
a modifica proprietatile metalice sub aspectul duritatii
Transformarea structurii superficiale are loc in stare solida a
materialului, fara aparitia topiturilorpartiale (fig.3.1.b).
Temperatura maxima dezvoltata la suprafata materialului se poate
calcula cu formula lui Keitel [37]:
TU Id
a FE
FEmax (3.1)
In care: λ – coeficientul de conductivitate termica, in
W/cm•grad.
Fig.3.1.
Fig.3.2.
8
-
Cel mai important avantaj al DFE este acela ca piesele nu se
deformeaza, suprafata tratata poate fifacuta pe zone prelucrate de
pe piesa (numai in zona intens solicitata), de cele mai multe ori
nu necesitaprelucrari ulterioare. Pe baza cercetarilor prezentate
in stadiul actual – referatul 1- a concluzionat ca fata de
durificarealaser, procedeu cu care se aseamana principial, DFE este
superioara d.p.d.v. al performantelor, iar d.p.d.v.al investitiei
instalatiile cu laser sunt de patru ori mai scumpe decat tunurile
electronice [73]. Tot pe baza cercetarilor prezentate in referatul
1, a rezultat ca tipurile de piese care se preteaza pentruDFE sunt:
came,arbori,rotoare, colivii rulmenti, discuri ambreiaj, segmenti
de piston, capete de scule,imbinari sferice, camasi cilindrii,
palete de turbina, suprafete ale sculelor aschietoare, scaune de
supape . Toate aceste elemente prezentate succint referitor la
principiul si aplicatiile DFE, am dori sa seconstituie in elemente
de justificare a cercetarilor din cadrul tezei.
CAP. 3 # 3.2.
9
-
CAP. 3 # 3.3.
PIE - precizia instalatiei cu F.E. si a echipamentelor
1Parametrii de precizie POFP - precizia de orientare si fixare a
piesei 2
10
PP
-
ai sistemului tehnologic VIID - variatia inclinatiilor si
inaltimilor suprafetei de durificat 3
Ua - tensiunea de accelerare 1Parametrii IFE - curentul
fasciculului de electroni 2electrici If - curentul de focalizare
3
ti - forma si durata impulsului 4 - amplitudinea si frecventa
oscilatiei 5
Ll - distanta de lucru (tir) 1df - distanta focala 2
Parametrii - unghiul de deflexie longitudinal 3echipamentelor -
unghiul de deflexie transversal 4tehnologice Vm - viteza de
deplasare liniara a piesei 5
np - turatia rotirii piesei 6VFE - viteza de deviere (deflexie)
a FE 7
Pt - presiunea in incinta tunului 1Parametrii vidului Pl -
presiunea in camera de lucru 2
Cch - compozitia chimica 1Sm - structura metalografica 2
Parametrii Tt - temperatura de topire 3materialului PTF - c -
caldura specifica 4piesei proprietatile - conductivitatea termica
5
termofizice a - difuzivitatea termica 6 - densitatea 7
PM - HB - duritatea 8proprietatile Ro - rezistenta la oboseala
9mecanice Ru - rezistenta la uzare 10PT - proprietatile tehnologice
CB - calibilitatea 11
TPS - tratamentul de pregatire a suprafetelor 1Parametrii
tratamentului TDm - tratamentul de demagnetizare 2piesei inainte de
TT - tratamente termice 3durificare TTch - tratamente termochimice
4
DSa - dimensiunile suprafetei active 1OSa - orientarea
suprafetei active fata de directia de avans 2
Parametrii geometrici Lsup - latimea de suprapunere a benzilor
3ai suprafetei de durificat Nt - numarul de treceri 4
MDFE - metoda de durificare cu FE 5
SVr - sensibilitatea si viteza de reactie 1Parametrii comandati
de SDp - stabilitatea sistemului de deplasare a piesei 2sistemul
automat SDFE - stabilitatea sistemului de deviere (deflexie) a FE
3
CAP. 3 # 3.4;3.5.
Fig.3.5. - Parametrii de intrare care determina caracteristicile
tehnologice ale DFE
11
PE
PET
PV
PMP
PTP
PGSD
PCSA
-
3.4. Principalii parametri de proces care determina durificarea
cu fascicul de electroni Pe baza studiului sistemic al procesului
de DFE, se propun urmatoarele categorii de parametri de proces,
dupa cum
urmeaza:dFE - diametrul fasciculului de electroni 1
Parametrii procesului deformare a FE
Ve - viteza electronilor care lovesc piesa 2
EFE - energia fasciculului de electroni 1Parametrii electrici
PFE - puterea fasciculului de electroni 2ai FE qFE - puterea
specifica necesara a FE 3
D - randamentul durificarii cu FE 1Parametrii procesului
debombardare cu FE
ne - densitatea numarului de electroni in straturi 3
Tz - temperatura la adancimea “z” 1Parametrii procesului de To -
temperatura la suprafata piesei 2
incalzire - racire cu FE Vrac - viteza de racire in straturi
3
Fig.3.24. - Parametrii de proces care determina DFE
3.5. Principalii parametri de iesire (finali) care determina
procesul de durificare cufascicul de electroni
Pe baza studiului sistemic al procesului de DFE, se propun
urmatoarele categorii de parametri deiesire (finali) fig.3.27 si
apartenenta acestor factori de iesire, dupa cum urmeaza:
LHV - latimea benzii durificate 1
Caracteristici de preciziegeometrica
PLsup - precizia de suprapunere a benzilor 2
HV - microduritatea stratului influentat 1HS - adancimea
stratului durificat 2
Caracteristici de stare a SS - structura stratului influentat
3suprafetelor Ru - rezistenta la uzare a suprafetelor durificate
4
VAHV – viteza de durificare 1
Caracteristici de productivitate
QD – productivitatea durificarii 2
Fig.3.27. - Caracteristicile tehnologice care determina DFE
CAP. 4 # 4.1;4.2.
12
PFF
PEF
PBF
PÎR
CPG
CSS
CP
-
CAP. 4 CONTRIBUTII LA STABILIREA UNOR METODE PENTRU
DETERMINAREAPRINCIPALILOR PARAMETRII DE PROCES AI
DURIFICARIISUPRAFETELOR METALICE CU FASCICUL DE ELECTRONI
Metode pentru determinarea distantei de lucruEste necesara
determinarea pe cale experimentala a distantei de lucru Ll, pentru
ca starea de focalizare
datorita unui curent de focalizare IF, sa fie indomeniul petei
durificate intens, faratopitura, dar la granita aparitiei topiturii
lasuprafata piesei. Determinarea s-a facut pe o instalatie cu FE de
tipul IFIN-HH de 16 kW, pentru care s-au parcurs mai multe
etape.
In figura 4.1. se prezinta schema de lucru cu pozitionarile si
componentele in cadrul instalatiei cuFE, in care piesa-proba este
sub forma unei platbande din otel (OL 37) cu dimensiunile L x l x g
= ( 105 x25 x 2 ) mm.
Pata lasata de FE pe piesa – proba este prezentata in fig.4.2.,
in care: A – piesa proba; B – starile defocalizare; C – pata
razelor electronice pe piesa.
Calculul distantei de lucru Ll, se face pe baza schemei
prezentate in fig.4.3. Din triunghiulformat de piesa–proba,
supraînaltarea Sîa si de suprafata exterioara a piesei (paralela
lasuprafata mesei-suport) si tinand seama de teorema lui Thales
rezulta relatia:
mmLSLSd
iabib
(4.1.)
Fig.4.1.
Fig.4.2.
Fig.4.3.
13
-
in care: Sîb este segmentul ce reprezinta supraînaltarea in
pct.b, Lb – lungimea masurata intre pct. a si b, Sîa–
supraînaltarea piesei-suport in pct.a, Ld – lungimea totala a
piesei-proba.Rezulta ca distanta de lucru in pct.b, se poate
calcula cu relatia:
Llb = Lla – Sîb [mm] (4.2.) în care: L la este distanta de lucru
inpct.a. Determinarea diametrului fasciculului de electroni, se
facecu ajutorul unor metode practice. Dintre metodele practice
prezentate in lucrare metoda determinarii dFE≡LHV prin
masurareapunctelor extreme la transformarea structurii de baza in
pata durificata, figura 4.16., este cea mai precisa. CAP. 5 #
5.2.2; 5.2.6.
CAP. 5. CONTRIBUTII LA STABILIREA METODOLOGIEI DE
MODELAREMATEMATICO-EXPERIMENTALA A PROCESULUI DE DURIFICARE
ASUPRAFETELOR METALICE CU FASCICUL DE ELECTRONI
Variabilele de proces, functiile de proces Variabile
independente Variabile dependente Din multimea variabilelor
independete Din multimea variabilelor dependente se considera: se
vor determina: X1 - distanta de lucru, Ll; Y1 - duritatea stratului
influentat, HV X2 - intensitatea fasciculului de electroni, IF ; Y2
- adancimea stratului durificat, HS; X3 - tensiunea de accelerare,
Ua; Y3 - latimea benzii durificate, LHV. X4 - viteza de lucru, Vm;
X5 - unghiul de deflexie transversal, . Functiile de proces
Functiile de proces, duritatea stratului, adancimea
HV=HV(Ll,IFE,Ua,Vm,) (40gf/30) (5.4.)stratului influentat, latimea
benzii durificate, HS=HS(Ll,IFE,Ua,Vm, ) (m) (5.5.)se vor determina
dupa cum urmeaza: LHV=LHV(Ll,IFE,Ua,Vm, ) (μm) (5.6.)
Instalatia cu fascicul de electroni, Fig.5.9. Intervale de
variatie ale regimurilor de lucru- tabelul 5.6.
Tabelul 5.6.Nr. Parametrii de lucrucrt. Denumirea Valoarea
1. Diametrul FE (sau latimea benzii) 0,8. . .10 mm2. Distanta de
tir (de lucru, de la marginea tunului la piesa) 70. . .120 mm3.
Viteza liniara de deplasare a piesei pe axa Y 0,5. . .5,5 m/min4.
Frecventa de baleiere a FE pe piesa 50 Hz. . .2 KHz5. Tensiunea de
accelerare 40. . .50 kV6. Curentul fasciculului de electroni 1. .
.250 mA7. Unghiul de deflexie 0. . .12o
Fig.4.16.
14
-
8. Puterea maxima 16 kW9. Presiunea vidului 10-1. . .10-8
torr
10. Tensiunea de alimentare 380/220 VInstalatia pe care s-a
realizat programul de cercetare de DFE este o instalatie de sudura
in vid cu FE de 16kW produsa de IFIN Magurele. Este o instalatie la
care accelerarea electronilor se face cu ajutorulcampului electric,
prevazut cu un tun trioda, fig.5.8., cu reglare independenta a
parametrilor.
CAP.5 # 5.3.
METODOLOGIA DETERMINARII FUNCTIILOR DE PROCES PENTRU
CARACTERIZAREA DFEPentru a se descrie o relatie de dependenta
functionala necunoscuta intre o variabila dependenta
de proces Y si variabila independenta Xj, unde
Y=F(X1,X2,…,Xj,…,Xn)se alege o functie de aproximare f,
Y=f(X1,X2,…,Xj,…,Xn)In care coeficientii variabilelor independente
Xj, j=1,2,…,n, se determina utilizand datele experimentale. Functia
f se numeste functie de regresie, iar coeficientii variabilelor
independente coeficienti de regresie. Determinarea functiei de
regresie se face prin metoda suprafetelor de raspuns.
Etapele ce trebuiesc parcurse la determinarea unei functii de
regresie sunt: stabilirea formei functiei (modelul matematic);
determinarea structurii programului experimental si stabilirea
conditiilor de experimentare; calculul coeficientilor de regresie
(modelului); analiza statistica a modelelor determinate, care
cuprinde:
determinarea erorilor statistice; * verificarea adegvantei
modelului; * verificarea semnificatiei coeficientilor; *
determinarea intervalelor de incredere pentru variabilele
dependente.
Tipurile de modele de functii-regresie de proces, care se vor
determina in cadrul etapei de doctorat sunt:
54321 AAm
Aa
AFE
Al0HVS VUILAL;H;HVY
m45a35
ma34FE25mFE24aFE23l15ml14
al13FEl125m4a3FE2l10HVS
VaUaVUaIaVIaUIaLaVLa
ULaILaaVaUaIaLaaL;H;HVY
Din literatura de specialitate [53] programul de cercetare
experimental pentru determinarea functiilor de regresie este de tip
P4- pentru functiile cu cinci variabile, tabelul 5.9.
Tabelul 5.9.
Fig.5.8. Fig.5.9.
15
-
PROGRAMUL EXPERIMENTALSTRUCTURA
Valori XiNr.exp.i X1 X2 X3 X4 X5
Nr. coef.regr.(m+1)
Cod. Cod. Cod. Cod. Cod.1. -1 -1 -1 -1 -12. +1 -1 -1 -1 +13. -1
+1 -1 -1 +14. +1 +1 -1 -1 -15. -1 -1 +1 -1 +16. +1 -1 +1 -1 -17. -1
+1 +1 -1 -18. +1 +1 +1 -1 +19. -1 -1 -1 +1 +110. +1 -1 -1 +1 -1
611. -1 +1 -1 +1 -112. +1 +1 -1 +1 +113. -1 -1 +1 +1 -114. +1 -1 +1
+1 +115. -1 +1 +1 +1 +116. +1 +1 +1 +1 -117. 0 0 0 0 018. 0 0 0 0
019. 0 0 0 0 020. 0 0 0 0 0
Programele de calcul utilizate, au fost programul REGS introdus
in sistemul de calcul al catedrei,dar si programul MATLAB rulat si
utilizat pentru experientele noastre cu aportul d-lui
profesorGheorghita Catalin, prilej cu care ii multumesc pentru
ajutorul nepretuit pe care mi l-a acordat.
CAP. 5 #5.2.3; 5.2.5; 5.2.8.
DISPOZITIVUL DE DFE, fig.5.6. Este un dispozitiv pentru asezarea
si fixarea probei, a fost
construit special si este prevazut cu posibilitatea de a
reglaparalelismul FE cu muchia probei pe axa Y.
MATERIALE: OLC 45 cs STAS 880-80, un otel de referinta din grupa
otelurilor nealiate si42MoCr11 STAS 791-88, un otel de referinta
din grupa otelurilor aliate cu o calibilitate ridicata.
PROBA (piesa) si METODA DE DFE, Fig.5.7. Metoda de DFE este o
metoda pentru durificareasuprafetelor cu impulsuri lungi continue,
numita si durificare in benzi succesiv departate B1,descrisa in
cadrul pct.3.3.7.5.
Fig.5.6.
16
-
METODA DE MASURARE SI APARATURA UTILIZATA Pregatirea probei, in
scopul eectuarii analizei metalografice (examinarii structurii),
s-a
efectuat conform STAS 4203-74 si este descrisa in cadrul
pct.5.2.8.1. Determinarea microstructurii, s-a efectuat
utilizandu-se microscopul metalografic
NEOPHOT 32, descris in cadrul pct.5.2.8.2.b. Determinarea
duritatii, s-a efectuat prin metoda Vickers cu microsarcini STAS
7057-78 este
descrisa in cadrul pct.5.2.8.2.b Stabilirea zonelor de masurare,
pe pata durificata s-a facut prin stabilirea directiilor de
investigare si a punctelor de caracterizare fig.5.10., descrisa
in cadrul pct.5.2.8.3.a, ale carorvalori si coordonate sunt trecue
in tabele de tipul tabelului 5.8.
Tabelul 5.8.VARIABILE INDEPENDENTE Nr.
exp.VARIABILE DEPENDENTE-CARACTERISTICI TEHNOLOGICE
Llmm
IFEmA
UakV
Vmm/min
grad
Denumireapunctului
demasurare
HS LHV HVzm
Dm
Valoare microduritatii Vickers HV40gf/30
Valori individuale Valorii medii
85 8 45 90 1 a0 0 0 518,518,518,493,518 513
Fig.5.7.
Fig.5.10.
17
1, 33
-
CAP. 6 # 6.1;6.1.1;6.1.3.
CAP. 6 CONTRIBUTII LA STABILIREA PRINCIPALELOR FUNCTII DE PROCES
ALEDURIFICARII SUPRAFETELOR METALICE CU FASCICUL DE ELECTRONI
Stabilirea functiei de proces duritatea stratului influentat, HV
Programul experimental, s-a inceput prin a se stabili limitele de
variatie a variabilelor pentru
care s-au efectuat cercetari in cadrul unui program preliminar
de experimentari si prezentat incadrul referatului 2.
Structura programului experimental este tip P4 pentru functia cu
cinci variabile si este prezentatin tabelul 6.3.
Parametrii variatii si cei mentinuti la valori constante, in
cadrul intregului programexperimental, sunt prezentati in cadrul
tabelului 6.5.
Tabelul6.5.Nr. Felul Denumirea parametrilor Notatii UM
Valoricrt. parametrilor min. med. max.1.
Parametri variati
tensiunea de accelerare Ua kV 44,5 45 45,52. curentul
fasciculului de electroni IFE mA 8 9 10,13. distanta de lucru Ll mm
80 85 90,34. unghiul de deflexie transversal grad 80 90 101,25.
viteza liniara a mesei (probei) Vm m/min 1,5 1,8 2,166.
Parametrimentinuticonstanti
curentul de focalizare IF mA 10827. latimea benzii durificate
pentru
valorile medii ale parametrilor variati
LHV mm 2,5
8. materialul probei ABOLC 45 CS
42 Mo Cr 11 CS9. numarul de treceri Nt buc 110. presiunea in
incinta tunului Pt torr 10-611. presiunea in camera de lucru Pl
torr 10-4
Rezultatele experimentale obtinute sunt specificate in tabelul
6.6. pentru materialul OLC45 CS si intabelul 6.7., pentru
materialul 42MoCr11 CS.
Stabilirea functiei de proces duritatea stratului influentat,
s-au obtinut in punctele de masurare; a0,b, c, aS2, cS, functiile:
functii politropice
pentru materialul OLC 45CS028,0343,0
m495,0
a322,0
FE351,0
lo VUIL881,11OLCHVa (6.3.)196,0357,0
m505,3
a191,0
FE084,0
l4 VUIL10481,5HVbOLC (6.4.)
203,0322,0m
412,4a
206,0FE
107,0l
6 VUIL10596,6HVcOLC (6.5.)046,0381,0
m553,1
a270,0
FE185,0
ls VUIL391,0OLCHVa 2 (6.6.)101,0356,0
m689,0
a207,0
FE084,0
ls VUIL264,16OLCHVc (6.7.) pentru materialul 42MoCr11 CS
027,0263,0m
230,0a
200,0FE
275,0lo VUIL221,67MOCHVa (6.8.)
037,0404,0m
391,3a
282,0FE
067,0l
4 VUIL10413,6HVbMOC (6.9.)118,0194,0
m005,2
a232,0
FE234,0
l VUIL055,0HVcMOC (6.10.)005,0303,0
m102,2
a051,0
FE040,0
ls VUIL197,0MOCHVa 2 (6.11.)
18
-
134,0213,0m111,0a004,0FE419,0ls VUIL002,166MOCHVc (6.12.) CAP. 6
# 6.1.3.
FUNCTII POLINOMIALE\
pentru materialul OLC 45 CSHVaoOLC = -31682,429 + 344,542Ll +
1108,78IFE + 649,192Ua – 787,962Vm –
– 34,96 - 0,855LlIFE – 6,941LlUa + 4,192LlVm – 0,306Ll -
20,476IFEUa –44,733IFEVm+0,033IFE+15,151UaVm+1,202Ua+ 3,823Vm
(6.13.)
HVbOLC = 34292,286 – 63,033Ll + 50,232IFE – 877,810Ua –
3810,877Vm –215,835 - 4,091LlIFE + 3,106LlUa – 5,586LlVm – 0,338Ll
+ 7,857IFEUa – - 45,815IFEVm + 0,550IFE + 92,424UaVm +5,047Ua +
8,290Vm (6.14.)
HVcOLC = -32045,904 + 138,622Ll + 1287,549IFE + 605,503Ua +
512,847Vm +104,844 - 1,745LlIFE – 2,014LlUa – 4,670LlVm – 0,250Ll -
20,833IFEUa –78,463IFEVm - 0,421IFE + 9,469UaVm - 1,875Ua + 3,734Vm
(6.15.)
HVas2OLC = 11851,466 - 247,774Ll – 152,200IFE – 324,656Ua –
7144,143Vm+1,034 + + 2,184LlIFE + 6,383LlUa – 5,700LlVm – 0,518Ll
-0,119IFEUa +50,685IFEVm -- 1,038IFE - 157,954UaVm + 1,096Ua +
1,983Vm (6.16.)
HVcsOLC = 1134,149 - 68,514Ll + 1816,732IFE – 107,187Ua –
149,587Vm-78,799 - - 2,276LlIFE + 2,305LlUa – 5,332LlVm – 0,044Ll
-31,309IFEUa -1,262IFEVm -- 2,094IFE + 9,469UaVm + 2,110Ua +
4,198Vm (6.17.)
pentru materialul 42MoCr11CSHVaoMOC = -17717,306 + 71,276Ll +
1009,691IFE + 275,954Ua – 5061,264Vm +
+ 200,826 - 1,317LlIFE + 0,000LlUa - 5,295LlVm – 0,51Ll -
17,38IFEUa – 29,942IFEVm - 0,404IFE + 119,696UaVm - 3,655Ua+ 6,11Vm
(6.18.)
HVbMOC = 51160,688 – 141,723Ll - 861,572IFE – 1228,211Ua –
10644,069Vm –114,817 - 1,109LlIFE + 3,883LlUa – 6,178LlVm – 0,119Ll
+ 26,428IFEUa + + 1,082IFEVm - 2,212IFE + 250,757UaVm +3,183Ua +
1,393Vm (6.19.)
HVcMOC = -17182,119 + 453,768Ll - 220,805IFE + 265,969Ua -
9237,655Vm +20,538 - -1,248LlIFE – 8,786LlUa – 6,031LlVm – 0,368Ll
+ 10,952IFEUa –34,992IFEVm - 0,831IFE + 219,696UaVm + 0,306Ua +
3,216Vm (6.20.)
)21.6(V750,0U485,1VU2124,46I359,0VI316,17UI285,14L332,0VL691,1UL504,1IL369,0
279,93V044,1839U374,162I865,669L594,43909,5759MOCHVa
mamaFE
mFEaFElmlalFEl
maFEl2s
HVcsMOC = 17962,695 + 38,624Ll - 1517,808IFE – 442,846Ua –
1561,605Vm-14,067 + 1,121LlIFE - 0,218LlUa – 3,787LlVm – 0,298Ll
+33,214IFEUa +0,180IFEVm -- 0,791IFE + 42,045UaVm + 0,955Ua +
1,197Vm (6.22.)
Analiza functiei de proces duritatea stratului influentatAstfel,
in ceea ce priveste adecvanta formei functiilor considerate, s-a
constatat ca functiile
politropice si polinomiale sunt adecvate (R* < 1) cu exceptia
functiilor HVbMOC avand o medie aabaterii relative de 4,225% si
HVcs MOC cu o medie a abaterii relative de 3,855%, sunt
inadecvate.Functiile de proces politropice (tabelul 6.9.) desi sunt
adecvate, aproximeaza cu o medie a abateriirelative de 4,639%, fata
de functiile polinomiale (tabelul 6.10) de 4,03% pentru OLC 45 si
cu o medie aabaterii relative de 5,226% fata de functiile
polinomiale de 3,629% pentru 42MoCr11 (Vezi Anexa 6.1.,6.2., 6.7.
si 6.8.)
Din cauza avantajului pe care il prezinta functiile politropice
(amintit mai sus) si a faptului cadiferentele dintre media
abaterilor relative nu sunt prea mari fata de functiile
polinomiale, se opteazapentru functiile de proces politropice
pentru studiul influentei parametrilor electrotehnologici, adica
avariabilelor independente asupra duritatii stratului
influentat.
19
-
CAP. 6 # 6.1.4.
STABILIREA INFLUENTEI PARAMETRILOR ELECTROTEHNOLOGICI A
VARIABILELOR INDEPENDENTE ASUPRA DURITATII STRATULUI INFLUENTAT
Se va face in pct. a0 si Z=0, urmand ca analiza completa a
functiei duritatea stratului sa se prezinte in capitolul 7, unde se
are in vedere stabilirea variatiei duritatii functie de punct (de
locul de material), pe
axa OX si respectiv OZ, in adancime.
Fig.6.1. Variatia HV in functie de X (IFE), pt. i=17 Fig.6.2.
Variatia HV in functie de Z, pt. i=17
Fig.6.3. Influenta Ll asupra HV in pct. ao Fig.6.4. Influenta
IFE asupra HV in pct. a0
20
-
Fig.6.5. Influenta Ua asupra HV in pct. a0 Fig.6.6. Influenta Vm
asupra HV in pct. a0
CAP. 6 # 6.2.
STABILIREA FUNCTIEI DE PROCES ADANCIMEA STRATULUI DURIFICAT, HS
Programul experimental, este cel prezentat in cadrul pct. 6.1.1.
pentru Rezultatele experimentale obtinute, sunt prezentate in
tabelul 6.11. pentru OLC45 CS si in tabelul
6.13. pentru 42MoCr11 CS. Stabilirea functiei de proces
adancimea stratului influentat s-au obtinut functiile de proces in
pct.c.
a) Functii politropice Pentru materialul OLC 45CS
483,0886,1m
279,46a
620,2FE
181,6l
64s VUIL10248,1OLCH
(6.23.)741,0094,2
m533,49
a910,2
FE709,7
l65
s VUIL10623,5MOCH (6.24.)
b) Functii polinomiale Pentru materialul OLC 45 CS
HsOLC = 18414,939 - 147,365Ll + 553,01IFE –528,813Ua
–1650,064Vm+95,295 - - 0,346LlIFE + 4,126LlUa + 0,367LlVm – 0,217Ll
-5,952IFEUa –95,598IFEVm -- 0,056IFE + 56,818UaVm – 1,533Ua
-3,752Vm (6.25.) Pentru materialul 42MoCr11
HsMOC = 15232,087 - 103,43Ll + 824,634IFE –433,431Ua
–3205,837Vm+ 69,825 - - 0, 693LlIFE + 2,912LlUa + 3,677LlVm –
0,114Ll -11,904IFEUa –86,580IFEVm ++ 0,000IFE + 83,333UaVm –1,179Ua
-3,573Vm (6.26.)
Analiza functiei de proces adancimea stratului durificatS-a
constatat ca functiile politropice nu sunt adecvate (R*=1,4971,
pentru OLC45 si R*1, pentru
42MoCr11), iar cele polinomiale sunt adecvate. Se opteaza pentru
functiile polinomiale, pentru studiul influentei parametrilor
electrotehnologici.
21
-
Stabilirea influentei parametrilor electrotehnologici asupra
adancimii stratului durificat
Fig.6.8. Influenta Ll asupra HSin pct. c Fig.6.9. Influenta IFE
asupra HS in pct. c CAP.6
# 6.3.STABILIREA FUNCTIEI DE PROCES LATIMEA BENZII DURIFICATE,
LHV
Programul experimental este cel prezentat in cadrul pct.6.1.1.
Rezultatele experimentale obtinute, sunt prezentate in tabelul
6.15. pentru OLC45 CS si in tabelul
6.13. pentru 42MoCr11 CS. Stabilirea functiei de proces latimea
benzii durificate s-au obtinut functiile de proces in punctele
aS2+ad2.A) Functii politropice pentru materialul OLC 45CS
131,0304,0m
756,1a
678,0FE
111,0lHV VUIL238,0OLCL
(6.27.) pentru materialul 42MoCr11
253,0464,0m
041,0a
695,0FE
372,0lHV VUIL114,30MOCL
(6.28.)b) Functii polinomialeLHVOLC = 393638,546 - 4121,22Ll –
10099,492IFE –8576,248Ua +34036,882Vm-261,387 -
-10,864LlIFE +89,805LlUa + 50,014LlVm + 0,938Ll +257,142IFEUa
+256,132IFEVm - 9,658IFE - 946,969UaVm + 5,188Ua +18,939Vm
(6.29.)
Pentru materialul 42MoCr11LHVMOC = 428499,801 - 4355,222Ll –
10978,98IFE –9335,253Ua +31668,35Vm-277,13 - - 11,673LlIFE +
94,902LlUa + 70,241LlVm + 0,698Ll +277,380IFEUa +261,544IFEVm -
9,49IFE - 935,606UaVm +6,014Ua +18,403Vm (6.30.) Analiza functiei
de proces latimea benzii durificate
S-a constatat ca functiile politropice nu sunt adecvate iar cele
polinomiale sunt adecvate. Se opteaza pentru functiile polinomiale,
pentru studiul parametrilor electrotehnologici.
Stabilirea influentei parametrilor electrotehnologici as upra
latimii benzii durificate
Fig.6.10. Influenta Ua asupra HS in pct. c Fig.6.11. Influenta
Vm asupra HS in pct. c
22
-
Fig.6.13. Influenta Ll asupra LHV in pct. aS2+ad2 Fig.6.14.
Influenta IFE asupra LHV in pct. aS2+ad2
Fig.6.15. Influenta Ua asupra LHV in pct. aS2+ad2 Fig.6.16.
Influenta Vm asupra LHV in pct. aS2+ad CAP.7 # 7.1
CAP. 7 CONTRIBUTII LA STUDIUL DISTRIBUTIEI SPATIALE A DURITATII
LA DURIFICAREA SUPRAFETELOR CU FASCICUL DE ELECTRONI
Pentru a utiliza practic rezultatele s-a impus stabilirea unei
noi functii de proces, denumita de doctorand “globala”, care
permite calculul duritatii in orice punct al domeniului durificat
(fig.7.1.), in functie de parametrii Ll, IFE, Ua, Vm, si β pentru
materialele OLC45 si 42MoCr11.
Formulare matematica a problemei
Rezolvarea problemei consta in determinarea unei functii, ca
functie de regresie, prin metodacelor mai mici patrate, a marimii Y
sub forma unui polinom de gradul 2, cu doua variabile, de
forma:
Fig.7.1.
23
-
Y(x,y) = a0 + a1x + a2 x2 + a3 z + a4 z2 + a5 x z (7.1.)Pentru
acest scop a fost elaborat un program, denumit Scilab, in limbajul
Matlab [135 ].
Deoarece valorile functiei, duritatea HV, determinate
experimental, prezinta o simetrie perfectain raport cu axa Oz,
respectiv Y(x, z) = Y(-x,z), studiul a fost realizat numai pentru
punctele x 0(fig.7.1).
Functia (7.1) s-a determinat cu “marimi raportate”. Astfel,
valorile curente ale coordonatei x aufost impartite la latimea
benzii de durificate, LHV, iar cele ale coordonatei z au fost
impartite la adancimeastratului durificat, Hs. Marimea de evaluat,
Y-duritatea, a fost raportata la valoarea pe care o ia aceasta
inpunctul ao(0,0) (fig.7.1).
Pe aceasta baza,functia (7.1) devine:
rr3rrrrr kk5
2k4k3
2k2k1okkr zxazazaxaxaaz,xY (7.2)
in care: ,
HVaz,xHVz,xY
0
kkkrkrr (7.3)
iar xkr si zkr sunt coordonate curente, raportate, care se
determina cu relatiile:
,Lxx
HV
kkr
s
kkr H
zz (7.4), (7.5)
In relatiile (7.2), (7.3), (7.4) si (7.5) marimile HVao, LHV si
Hs reprezinta valorile acestor functii de proces,prezentate in
capitolul 6 si exprima influenta parametrilor electrotehnologici
considerati, Ll, IFE, Ua, Vm si, asupra duritatii. Pe baza relatiei
(7.3), se deduce ecuatia generala a distributiei spatiale a
duritatii, subforma:
rkrkrokkk z,xYHVaz,xHV (7.6)Relatia (7.6) permite calculul
duritatii HV in orice punct, de coordonate xk si zk, din zona
durificata,
in functie de valorile celor 5 parametri electrotehnologici. Pe
aceasta baza, se deduce ca relatia generala, globala, de
distributie spatiala a duritatii (7.6) este o
functie de 7 variabile, respectiv: cinci variabile
electrotehnologice (Ll, IFE, Ua, Vm si ) si doua variabile spatiale
(x si z).
CAP. 7 #7.2
CERCETARI PRIVIND STABILIREA CONTRIBUTIEI SPATIALE A DURITATII
LA DURIFICAREA CU FASCICUL DE ELECTRONI A OTELULUI OLC45
Datele de intrare ale programului, sunt rezultatele
experimentale obtinute in cadrul cercetarilor prezentate in
capitolul 6.
Programul utilizat este SCILAB (in limbaj MATLAB), Anexa 7.1.
Rezultatele cercetarilor obtinute, sunt prezentate in tabelele
7.1…7.5.
Eroarea relativa data de functia de proces globala, se obtine o
eroare maxima de 13,87% si o eroare medie de 4,03%.
Stabilirea functiei de proces globale
rrr
rrkrr
kk2k
k2
kkrkr
zx0509709,0z1471027,0
z0782361,0x2988973,0x1121059,00024666,1z,xY
(7.7.)
Variatia duritatii, Y in lungul a doua axeIn fig. 7.2. se
prezinta variatia Y in raport cu X, pentru Z=0, iar in fig.7.3. se
prezinta variatia lui Y
in raport cu Z, pentru X=0, s-a trasat cu linie continua curba
de aproximare, iar prin puncte sunt reprezentate valorile
determinate experimental.
24
-
Distributia spatiala a densitatii la DFE pentru OLC45In fig.7.4.
si 7.5., s-a reprezentat variatia spatiala a duritatii in domeniul
de interes. Se poate
observa, cresterea brusca a duritatii la valori mari in domeniul
petei durificate fata de duritatea miezului.
CAP.7 #7.3; 7.4.
CERCETARI PRIVIND STABILIREA DISTRIBUTIEI SPATIALE A DURITATII
LA DURIFICAREA CU FASCICUL DE ELECTRONI A OTELULUI 42MoCr11
Procedura de obtinere a duritatii spatiale a densitatii pentru
otelul 42MoCr11 este aceasi ca si in cazul otelului OLC45,
prezentat in cadrul pct.7.2.
Fig.7.3. Fig.7.2.
Fig.7.4.
Fig.7.5.
25
-
*0 Eroarea relativa data de functia de proces globala, se obtine
o eroare maxima de 11,37% si o eroare medie de 3,99%. Stabilirea
functiei de proces globale
rr
rrr
kkr2k
rk2krkkkr
zx0724714,0z1046790,0
z0139020,0x0688621,0x2445985,00052277,1z,xY
(7.8)
Distributia spatiala a duritatii la DFE pentru 42MoCr11In
fig.7.8 si 7.9, s-a reprezentat variatia spatiala a duritatii in
domeniul de interes.
Analiza comparativa a distributiei spatiale a densitatii la
durificarea cu fascicul de electroni a otelurilor OLC45 si
42MoCr11In fig.7.10. este o reprezentare tridimensionala a
variatiei duritatii raportate in functie de
coordonatele spatiale X si Z.
Cu ajutorul ecuatiei generale a distributiei spatiale a
duritatii (rel.7.6.), folosind functiile globale de proces
(rel.7.7. si 7.8.) si functia de proces duritatea stratului
influentat (rel.6.3. si 6.8.), se poate determina duritatea
stratului influentat in urma procesului de durificare cu ajutorul
fasciculului deelectroni in orice punct spatial al petei tratate,
pentru cele doua materiale.
Fig.7.8 Fig.7.9
Fig.7.10.
26
-
CAP.8 # 8.1.
CAP.8 CONTRIBUTII LA STABILIREA SI REZOLVAREA NUMERICA A
MODELULUITERMIC PENTRU DETERMINAREA IZOTERMELOR SUPERFICIALE LA
DURIFICAREA CU FASCICUL DE ELECTRONI
Bilantul termicIn procesul de încălzire, topire sau teoretic de
evaporare a materialului, se poate admite faptul ca
fasciculul de electroni mobil (sau deviat) pierde completenergia
sa in canalul termic si prin urmare in multelucrari sursa se
aproximeaza cu o sursa liniara q2 saupunctiforma q1. In acest caz
repartitia campului se obtinedin solutia stationara de
conductibilitate termica intr-unmediu mobil dupa axa OX, neglijand
fenomeneletranzitorii la inceputul si la sfarsitul procesului,
astfel:
z,y,xqz,y,xqxTvcTgraddiv 21 (8.1.)
unde λ este coeficientul de conductibilitate termica; j/cm•s•K;
φ-densitatea materialului, g/cm3; c-calduraspecifica a
materialului, j/g•K; v -viteza relativa a FE, cm/s. Ecuaţia (8.1)
reprezintă bilanţul termic încare primul termen reprezintă căldura
evacuată iar cel de al doilea căldura cedată de către fasciculul
deelectroni, în cadrul unui proces dinamic în care piesa sau FE se
deplasează.
Pentru procesul de încălzire caracteristic durificării cu
fascicul de electroni, sursele q1 şi q2 nu seiau combinat. Se
consideră caracteristic sursa punctiformă q1 iar sursa q2 = 0.
Randamentul termic t, definit de raportul dintre pn –puterea
nominalizata, adica, cat ajungedin puterea incidenta Pώ ca
distributie liniara in adancimea zonei incalzite si continutul
deenergie in aceasta zona a benzii durificate, Pt; este dat de
relatia:
ru21ruexp
ru22ru21ru41ru4ut (8.19.)
Determinarea latimii maxime a izotermei LHVIn figura 8.3 este
prezentată izoterma de durificare sub forma unei elipsoide de pe
suprafaţa
piesei în care lăţimea LHV a benzii durificate se poate
determina ca lăţime maximă a elipsoidei, pastrandconditia u•r>1,
se poate aproxima sub forma:
Fig.8.2.
27
-
ru21ru41r2LHV
(8.20)
Legatura parametrilor electrotehnologici cu caracteristicile
incalzirii este data de relatia 8.25.
)]273T(c[H2L
VUIr2 ssHV
m
tiaFE0
(8.25)
Relatia (8.25) este semiempirica, in care erorile de estimare
ale caracteristicilor benzii durificate sunt maimici de 10%
[44].
Programul utilizat, este izoterme superficiale in mediu MATLAB,
care contine functiimatematice inglobate care permit utilizarea
unor functii transformate speciale precum Bessel, Fourier.
CAP. 8 # 8.3.
Fig. 8.20.
Fig. 8.21.
Fig.8.3.
28
-
Fig. 8.22.
Fig. 8.23.
CAP. 9 # 9.1; 9.2
CONTRIBUTII PRIVIND CARACTERIZAREA SUPRAFETEI BENZII SI A PETEI
DURIFICATE IN URMA PROCESULUI DE DURIFICARE CU FASCICUL DE
ELECTRONI
Stabilirea codurilor de stare pentru caracterizarea suprafetei
benzii durificatePentru caracterizarea suprafetei de impact cu
fascicul de electroni a pieselor (probelor) s-au stabilit
patru coduri de stare, definite de doctorand pentru procesul de
DFE, astfel:Codul 0 – procesul de durificare s-a desfasurat in
stare solida a materialului, banda de durificare se
prezinta sub forma unei pete de culoare inchisa, ceea ce indica
ca temperatura de durificate, TDFE, este maiaproape de valoarea
minima, suprafata materialului nu a suferit modficari, nu se
executa prelucrariulterioare.
Codul 1- stare solida a materialului, banda durificata de
culoare inchisa cu usoare urme de culoaremai deschise, suprafata
materialului nu a suferit modificari, nu se executa prelucrari
ulterioare.
Codul 2- stare solida a materialului cu tendinta spre starea
lichida in unele portiuni, banda durificatade culoare deschisa,
suprafata a suferit usoare modificari, nu se executa prelucrari
ulterioare.
Codul 3- stare lichida a materialului, banda durificata de
culoare deschisa, suprafata a suferitmodificari, se executa
prelucrari ulterioare, trebuie prevazut un adaos de prelucrare la
suprafete.
Din analiza rezultatelor experimentale (vezi tabelul 9.1.) se
poate observa ca in cadrul programuluide cercetare procesul de DFE
s-a desfasurat pentru marea majoritate a experientelor in
zonatransformarii structurii materialului in stare solida.
Caracterizarea microstructuriiIn fig.9.1.,…,9.20., se prezinta
forma petei durificate, in sectiune transversala a benzii, pentru
materialulOLC45, iar in fig.9.21.,…,9.40., pentru 42MoCr11. Din
analiza fig.9.1.,…,9.40., se observa ca pata durificata este de
forma unei curbe care este data deparametrii de proces variati in
cadrul programului experimental de cercetare cu cinci variabile, si
dematerialul piesei. In lungimea axei Y, duritatea benzii este
constanta (fig.9.41.). Transformari in microstructura stratului
durificat
29
-
Cercetarile din cadrul programului experimental s-au efectuat pe
otelurile OLC45 si 42MoCr11, instare recopt la perlita globulara la
valori ale duritatii de HV=343 40gf/30 pentru OLC45 si de
HV=40740gf/30 pentru 42MoCr11, in miez(fig.9.42 si 9.43.)
Pe probele durificate fig.9.1,…,9.40., s-a obtinut un strat alb
format din martensita si austenitareziduala, fara carburi cu
caracteristicile:
OLC45, HS=20,…,770μm; HV=994,…,1047 40gf/30
CAP. 9 # 9.2.
Fig.9.17. Fig.9.18.
Fig.9.41.
Fig.9.42 Fig.9.43.
30
-
Fig.9.19. Fig.9.20.
Fig.9.21. Fig.9.22.
Fig.9.23. Fig.9.24.
31
-
CAP. 9 # 9.3
DETERMINAREA LATIMII DE SUPRAPUNERE A BENZILOR DURIFICATE
Pe baza fig.3.28. si a relatiei (3.32.), se poate deduce ca
latimea de suprapunere a benzilor intimpul procesului de DFE este
data de relatia:Lsup = LHV – p [mm] (9.1.)in care: p este pasul
dintre benzile dedurificare, mm; LHV – latimea benziidurificate,
mm.
In cadrul cercetarilor experimentale s-au utilizat parametri
electrotehnologici de la i = 18 dincadrul programului P4 cu cinci
variabile, pentru doua materiale OLC 45 si 42MoCr11. In care
s-auconsiderat trei cazuri prezentate in fig.9.49., iar rezultatele
experimentale sunt prezentate in tabelul 9.2. si9.3. Cele trei
cazuri sunt:Cazul I Lsup=0 pentru LHV=2,5mm. Acest caz nu se
recomanda a fi folosit.Cazul II Lsup=1,25 pentru LHV=2,5mm. Acest
caz se recomanda a fi folosit.
Fig.9.49.
Fig.9.46.
32
-
Cazul III Lsup=2,5 pentru LHV=2,5mm. Acest caz nu se foloseste.
Pentru cazul general se poate utiliza relatia:
Pentru cazul general se poate utiliza relatia:Lsup = k LHV [mm]
(9.3.)in care k este coeficientul de suprapunere a benzilor si care
a fost determinat de doctorand pe caleexperimentala avand valori de
0,32,. . ., 0,5.In fig.9.46.,. . ., 9.48. se prezinta forma petei
durificat pentru cele trei cazuri de suprapunere prezentate.
CAP. 10 # 10.1.
CONTRIBUTII LA OPTIMIZAREA PROCESULUI DE DURIFICARE
ASUPRAFETELOR METALICE CU FASCICUL DE ELECTRONI
Stabilirea variabilelor de optimizat
Cea mai importanta influenta asupra principalelor caracteristici
de proces o au parametrii: IFE,Ua, Vm si pasul p. Modelul matematic
al functiei obiectiv In procesul de DFE, caracteristica tehnologica
de baza care trebuie maximizata este productivitatea.
fL L g
tN p L g
tV p gl
x y f
d
t y f
dm f
[mm3/min] (10.1)
Zona durificata este marginita de o curba, care se poate
aproxima cu o elipsa [cap.6 si 7], de ecuatie(fig.10.2.):
Fig.9.48.
Fig.9.47.
Fig.10.1.
33
-
1zz
xx
2
f
2
f
(10.2), în care
2Lx HVff si zf = Hsf reprezinta cele doua semiaxe, LHVf si
HSP sunt functii de regresie determinate in cap.6. O alta
caracteristica care trebuie minimizata este
consumul energetic specific, f2, exprimat în J/mm3, care,
înconcordanta cu expresia (10.1), se determina cu relatia:
1
FEa
fyt
dFEa
fyx2 f
IUgLpN
tIUgLL
Ef
, (10.5)
în care E reprezinta energia de prelucrare.În final, pentru
simplificarea calculelor, functia obiectiv care trebuie maximizata,
se stabileste de
forma F2, respectiv:
max
P/IU1Cx2/p1zpVF 2maxFEa
2
2f
2f
22m2
(10.10) in care C=costul specific
exprimat in lei/mi 10.1.3. Modelul matematic al restrictiilor
functiei obiectiv
a. Restrictia impusa de latimea benzii durificate, LHVf
.adm2L
2Lx HVfHVfP (10.11)
321 AmAa
AFE0HVf VUIAL , (10.12)
unde A0, A1, A2 si A3 sunt coeficientii de regresie
corespunzatori latimii benzii durificate,LHVf,determinasi prin
modelare statistico-experimentala în cadrul capitolului 6.
b. Restrictia impusa de adâncimea finala a stratului durificat,
Hsf
Sadm2
2ffsff Hx2
p1RezgHz
, (10.13)
în care adâncimea finala a stratului durificat, HSf, s-a
determinat, în raport de principalele variabile deoptimizat, IFE,
Ua si Vm, ca functie de regresie [cap.6 si 7], sub forma: 321
Bm
Ba
BFE0sf VUIBH , (10.14)
unde sunt coeficientii de regresie corespunzatori adâncimii
stratului durificat, HSf, determinatiprin modelare
statistico-experimentala în cadrul capitolului 6. c. Restrictia
impusa intensittaii curentului, IFE IFEmin IFE IFemax (10.15)
d. Restritia impusa tensiunii de accelerare, Ua Uamin Ua Uamax
(10.16)e. Restrictia impusa vitezei de lucru, Vm Vmmin Vm Vmmax
(10.17)f. Restrictia impusa pasului, p 0 p pmax = Xfmax =LHV/2
(10.18)
CAP. 10 # 10.1, 10.2
REZULTATELE OBTINUTE SI CONCLUZII
Datele de intrare ale programului Domeniul procesului il
constituie figurile 10.1; 10.2 si descrierea folosita in cadrul
punctelor 10.1.1 si
10.1.2. Datele de intrare ale programului sunt rezultatele
experimentale obtinute in cadrul cercetarilorprezentate in
capitolul 6. Programul utilizat. Structura programului utilizat
este Scilab (in limbaj Matlab) Rezultatele obtinute si
concluzii
Fig.10.2.
34
-
Constatarea robustetii procesului de DFE în sensul ca diferitele
valori impuse ale duritatii, adâncimiistratului durificat, si
latimea benzii durificate, se obtin cu valori apropiate ale
parametrilorelectrotehnologici si care tind catre limita superioara
a acestora.
Evidentierea unei importante deosebite a noii variabile de
optimizat si anume pasul, care variaza înfunctie de
caracteristicile tehnologice dorite HS, LHV si care determina la
rândul sau o puternica variatie aprincipalei caracteristici
tehnologice urmarite, grosimea stratului durificat g asa cum
rezulta si dingraficul prezentat în fig.10.3.Se observa (fig.10.3)
ca la valori mai mari ale pasului se obtine o grosime astratului
durificat relativ mica.
Rularea programului a evidentiat o influenta importanta a
caracteristicii tehnologice grosimeastratului durificat gf, asupra
celor doua functii de optimizat f1 (rel. 10.1) şi f2 (rel. 10.5).
Astfel, asa cumrezulta din figura 10.4, productivitatea f1 variaza
direct proportional cu grosimea stratului durificat gf.
Din analiza parametrului adimensional = C1Pmax/C rezulta ca « 1,
ceea ce înseamna ca functiaobiectiv productivitatea este
preponderenta.
Contributii la elaborarea unor normative tehnice unitare pentru
stabilirea parametrilorelectrotehnologici la durificarea
suprafetelor materiale cu fascicul de electroni
In lucrare sunt cuprinse, in sinteza, rezultatele cercetarilor
obtinute de autor in cadrul Tezei deDoctorat prin prezentarea unor
normative de regimuri de lucru si caracteristici tehnologice
obtinute pentrudoua materiale de referinta, OLC 45 de imbunatatire
(Anexa 10.1.) si 42MoCr11) de îmbogatire (Anexa10.2). Baza de
calcul a normativelor tehnice , o constituie functiile de proces
HV, HS si LHV din cadrul cap.
6 pentru materialele OLC45 si 42MoCr11. Posibilitati de calcul
al duritatii in orice punct
In situatia cand dorim sa stim valoarea duritatii in alte puncte
decat cele prezentate mai sus, functie deaceiasi parametri
electrotehnologici aflati, se foloseste functia de proces (7.6).
Programul de calcul pentru elaborarea de normative tehnice unitare,
este scos in limbaj
TURBO-PASCAL V7.0.
CAP. 10
# Anexa 10.1.
Nr.crt.
Ll [mm]
IFE[mA]
Ua[kV]
Vm[m/min]
[grad]
80 82,5 85 87,5 90,3HV[40 gf/30]
Hs[m]LHV[m]
918,8753 928,8537 938,6378 948,2368 958,77871 371,458 413,1193
454,7805 496,4418 543,1024 8 44,5 1,5 80
2370,852 2216,481 2062,11 1907,739 1734,843936,989 947,1642
957,1411 966,9294 977,6791
2 427,7525 468,9813 510,21 551,4388 597,615 8,5 44,5 1,5 80
Fig.10.3. Fig.10.4.
35
-
2413,735 2245,784 2077,832 1909,881 1721,776954,394 964,7581
974,9204 984,8905 995,8399
3 484,047 524,8433 565,6395 606,4358 652,1276 9 44,5 1,5
802456,617 2275,086 2093,555 1912,024 1708,709972,7981 983,3621
993,7203 1003,883 1015,043
4 545,971 586,2914 626,612 666,9324 712,0914 9,55 44,5 1,5
802503,788 2307,319 2110,85 1914,38 1694,335990,4968 1001,253
1011,8 1022,147 1033,511
5 607,8949 647,7397 687,5844 727,4292 772,0553 10,1 44,5 1,5
802550,959 2339,552 2128,144 1916,737 1379,961921,427 931,4331
941,2444 950,8701 961,4412
6 300,5175 344,7575 388,9975 433,2375 482,7863 8 44,75 1,5
802285,821 2187,578 2089,335 1991,092 1881,059939,591 949,7944
959,799 969,6145 980,394
7 356,068 399,8755 443,683 487,4905 536,5549 8,5 44,75 1,5
802360,846 2249,023 2137,2 2025,377 1900,135957,0443 967,4372
977,6277 987,6255 998,6053
8 411,6185 454,9935 498,3685 541,7435 590,3235 9 44,75 1,5
802435,871 2310,468 2185,065 2059,662 1919,211975,4995 986,0928
996,4798 1006,67 1017,862
9 472,7241 515,6233 558,5225 601,4218 649,469 9,55 44,75 1,5
802518,399 2378,058 2237,717 2097,376 1940,194993,2474 1004,033
1014,609 1024,985 1036,381
10 533,8296 576,2531 618,6766 661,1001 708,6144 10,1 4475 1,5
802600,927 2445,648 2290,369 2135,09 1961,177923,9715 934,0053
943,8436 953,4959 964,0962
11 229,577 276,3958 323,2145 370,0333 422,4703 8 45 1,5
802200,79 2158,675 2116,56 2074,445 2027,276
942,1857 952,4172 962,4495 972,292 983,101412 284,3835 330,7698
377,156 423,5423 475,4949 8,5 45 1,5 80
2307,958 2252,263 2196,568 2140,873 2078,494959,6872 970,1088
980,3274 990,3528 1001,363
13 339,19 385,1438 431,0975 477,0512 528,5195 9 45 1,5
802415,126 2345,851 2276,576 2207,301 2129,713978,1933 988,8159
999,2316 1009,45 1020,673
14 399,4772 444,9552 490,4332 535,9112 586,8465 9,55 45 1,5
802533,01 2448,797 2364,584 2280,371 2186,053
995,9902 1006,806 1017,411 1027,816 1039,24215 459,7643 504,7666
549,7688 594,7711 645,1736 10,1 45 1,5 80
2650,895 2551,744 2452,593 2353,442 2242,393
CAP. 11
PARTEA A TREIACAP. 11 CONCLUZII FINALE SI CONTRIBUTII ORIGINALE
ALE LUCRARII
Studiul privind stadiul actuala al cercetarilor referitoare la
procesele de prelucrare cu fascicul deelectroni si cercetarile
dezvoltate in cadrul lucrarii de doctorat privind modelarea si
optimizareaprocesului de durificare cu fascicul de electroni
permite formularea unor concluzii finale, dupa cumurmeaza:
In domeniul cercetarii fundamentale1. Realizarea unei
caracterizari a sistemului tehnologic de durificare cu ajutorul
fasciculului de
electroni prin metoda benzilor succesiv departate si suprapuse
in care se constata ca cele patrusubsisteme legate de producerea
electronilor liberi, formarea fasciculului de electroni,
focalizarea si
36
-
directionarea acestuia si piesa se interactioneaza reciproc,
fapt care impune ca in analiza procesului sa fienecesara luarea in
consideratie a tuturor subsistemelor.
2. Elaborarea unui concept nou pentru determinarea distributiei
spatiale a duritatii in oricepunct al domeniului durificat, la
durificarea suprafetelor metalice cu fascicul de electroni prin
modelareabazata pe marimi raportate. Acest concept nou permite:
stabilirea unei functii de proces globale in vederea
determinarii distributiei spatiale in oricepunct al
duritatii;definirea coeficientilor functiei globale de proces
pentru materialul studiat; stabilirea functiei generale de
determinare a duritatii pentru durificarea suprafetelor cu
fascicul de electroni, pentru doua materiale romanesti, OLC 45
CS si 42 MoCr11CS. 3. Elaborarea modelului matematic pentru
optimizarea procesului de durificare a suprafetelor
metalice cu fascicul de electroni, care a permis: stabilirea
matematica a restrictiilor luand in considerare influenta
variabilelor de optimizat
asupra caracteristicilor prelucrarii; caracterizarea fidela a
procesului si aplicarea optimizarii in industrie, in conditii
reale.
4. Elaborarea unui model termic bazat pe surse combinate pentru
determinarea izotermelorde suprafata la procesul de durificare cu
fascicul de electroni, care a permis:
realizarea izotermelor de suprafata pentru regimul de lucru
folosit, pentru otelurile OLC45si 42MoCr11;
determinarea formei si dimensiunilor petei durificate functie de
temperatura de durificare,care permite studiul adancimii si latimii
benzii pentru un regim de lucru stabilit, inainte sau
dupadesfasurarea procesului de durificare cu fascicul de
electroni;
determinarea formei si dimensiunilor petei durificate la anumite
temperaturi criticeprecum, temperatura de topire a materialului,
daca aceasta are sau a avut loc in timpul procesului.
5. Stabilirea metodei si a relatiilor de calcul pentru definirea
procesului in benzi succesivsuprapuse pentru durificarea cu
fascicul de electroni. Aceasta a permis:
determinarea principalelor caracteristici ale metodei precum:
latimea utila, pasul dintrebenzi, latimea piesei (a suprafetei)
pentru o umplere uniforma, numarul de benzi necesar,suprafata de
durificat explicita;determinarea latimii de suprapunere, Lsup, si a
coeficientului de suprapunere pentru o
umplere uniforma a suprafetei durificate. In domeniul cercetarii
aplicative
1. Realizarea, pentru prima data in literatura, a unui studiu
sistemic pentru desfasurareaprocesului de durificare a suprafetelor
metalice cu fascicul de electroni, care pune bazele
cunoasteriiacestora, dand posibilitatea ierarhizarii – desfasurarii
lor si care permite caracterizarea lor in mod unitar.
Cercetarile privind stabilirea, in cadrul abordarii sistemice a
celor trei categorii de factori caredetermina durificarea cu
fascicul de electroni respectiv, factorii primari sau de intrare,
factoriiintermediari sau de proces si factorii finali sau
caracteristicile tehnologice ale procesului care au permis:
CAP. 11
a) in cadrul stabilirii parametrilor de intrare precum:
parametrii de precizie ai sistemuluitehnologic, parametrii
electrici, parametrii echipamentelor tehnologice, parametrii
vidului, parametriimaterialului piesei, parametrii tratamentului
piesei inainte de durificare, parametrii geometrici aisuprafetei de
durificat, parametrii comandati de sistemul automat;
stabilirea preciziei de fixare si orientare a piesei pe o
instalatie in raport cu fasciculul deelectroni; stabilirea
influentei variatiei inclinatiilor, a inaltimii suprafetelor de
durificat si modul cum
trebuie variat curentul fasciculului de electroni pastrand
tensiunea de accelerare constanta,pentru uniformizarea temperaturii
la suprafata piesei;determinarea vitezei de deplasare liniara a
piesei si a rotirii piesei, functie de natura
mecanismelor de antrenare;
37
-
stabilirea tratamentului de pregatire a suprafetei care consta
in principal printr-o curatiremecanica sau printr-o
rectificare;determinarea suprafetei active, functie de metoda de
durificare adoptata si gradul de
unplere; stabilirea latimii de suprapunere a benzilor ca latime
comuna a doua benzi de durificare
alaturate; stabilirea metodei de durificare cu fasciculul de
electroni, prin realizarea unei clasificari ce
tine seama de posibilitatile echipamentelor cu fascicul de
electroni si de obtinerea unorcaracteristici tehnologice
superioare.
b) in cadrul stabilirii parametrilor de proces precum:
parametrii de formare a fasciculului,parametrii electrici ai
fasciculului, parametrii procesului de bombardare a fasciculului de
electroni,parametrii de incalzire-racire;
masurarea diametrului fasciculului de electroni de pe suprafata
piesei prin metodaobservarii prin ocular si a masurarii gaurii
produse de fascicul intr-o foita de staniol; reprezentarea
aproximativa a densitatii razelor electronice in pata de lumina
formata de
fasciculul de electroni in cele trei stari principale de
focalizare.c) in cadrul stabilirii caracteristicilor tehnologice
ale procesului precum: caracteristici de
precizie geometrica, caracteristici de stare a suprafetelor,
caracteristici de productivitate:determinarea numarului de benzi
necesare pentru o umplere uniforma a latimii piesei in
cazul folosirii metodei de durificare in benzi
succesive;determinarea preciziei de suprapunere a benzilor, in
cazul durificarii in benzi succesive
prin calculul pasului dintre acestea dupa stabilirea latimii de
suprapunere a acestora; stabilirea metodei de determinare (metoda
Vickers cu microsarcini) a duritatii stratului
influentat, a fortei de apasare precum si timpul cat se mentine
aceasta forta si citireaamprentei pe microscop; stabilirea petei de
durificare, identificarea granitei dintre zona tratata si miez
prin
determinarea microduritatii pentru aflarea adancimii stratului
durificat; identificarea transformarilor ce au loc in structura
stratului iinfluentat in procesul de
durificare cu fascicul de electroni prin evidentierea (vezi
foto) a acestora, precum si aconstituentilor inainte si dupa
tratament;clarificari privind modificarile rezistentei la uzura a
suprafetelor durificate, prin utilizarea
conditiilor de incercare la uzare prin abraziune; stabilirea
relatiei metodei si de calcul a suprafetei durificate, tinand cont
de latimea de
durificat in functie de umplerea uniforma pentru aflarea vitezei
de durificare.2. Conceperea unei metode originale pentru
determinarea pe cale experimentala a distantei de
lucru corespunzatoare principalelor stari de focalizare ale
fasciculului de electroni in functie de curentulde focalizare prin
masurarea lungimii dintre punctele de focalizare de pe pata lasata
de fasciculul deelectroni pe piesa-proba si calculul acestei
distante in zona de interes, in asa fel incat starea de
focalizaresa fie in domeniul petei de durificare intense fara
topitura (la granita aparitiei topiturii la suprafatapiesei).
CAP. 11
Cercetarile privind determinarea distantei de lucru in procesul
de durificare cu fascicul deelectroni au permis:
calculul distantei de lucru in punctele de focalizare dar si in
orice puncte dintre acestea depe pata lasata de fasciculul de
electroni pe piesa proba, folosind parametriielectrotehnologici
calculati-reglati si determinarea acestei distante in zona de
interesrespectiv, in zona de subfocalizare pentru o durificare
intensa fara topitura; stabilirea dependentei distantei de lucru de
latimea benzii durificate pentru diferite valori
ale curentului de focalizare si pentru diferite diametre ale
anodului tunului de electroni;
38
-
determinarea transformarilor si a formei petei durificate din
microstructura materialuluidurificat in cele trei stari principale
de focalizare (subfocalizare, focalizare puternica,suprafocalizare)
ale fasciculului de electroni.
3. Stabilirea unor metode practice si a metodei de determinare a
diametrului fasciculului deelectroni prin masurarea gaurii
perforate de catre fascicul, intr-o foita de staniol si a celei mai
precisemetode pentru determinarea latimii benzii durificate prin
determinarea punctelor extreme de transformarea structurii de baza
a materialului in pata durificata, in vederea realizarii unei
durificari uniforme si aunor caracteristici de productivitate, la
valori maxime.
4. Stabilirea directiilor de investigare si a mai multor puncte
de caracterizare a duritatii carereprezinta zonele de masurare de
pe pata durificata sub forma unei harti, pe axa 0x si 0z.
5. Caracterizarea suprafetei benzii si a petei durificate prin
definirea cu ajutorul unor coduri destare si punere in evidenta a
petei durificate cu ajutorul fotografiilor pe microscop, care a
permis:
stabilirea a patru coduri de stare care caracterizeaza suprafata
in functie de starea siaspectul materialului dupa durificare;
punerea in evidenta cu ajutorul fotografiilor pe microscop a
transformarilor dinmicrostructura materialului in sectiune
longitudinala si transversala a benzii durificate.
6. Intocmirea unor normative tehnice unitare, pentru proiectarea
operatiilor de durificare, curegimuri de lucru pe baza carora se
pot determina principalele caracteristici tehnologice obtinute in
cadrulprocesului de durificare cu fascicul de electroni.
7. Stabilirea unei metodologii unitare pentru determinarea
functiilor de proces, respectivduritatea stratului influentat, HV,
adancimea stratului durificat, Hs si latimea benzii durificate,
LHV, cafunctii de regresie.
8. Definirea unor indici criteriali de proces de duritate a
stratului influentat, de adancime astratului durificat si de latime
a benzii, care permite analiza datelor de duritate, adancime si de
latime abenzilor prin durificare cu ajutorul fasciculului de
electroni a materialelor.
9. Realizarea unui program experimental pe baza caruia s-au
determinat principalele functii siindici de duritate, adancime
precum si a latimii benzii la prelucrarea prin durificare cu
ajutorulfasciculului de electroni pentru doua materiale romanesti,
OLC 45 si 42MoCr11.
Functiile de duritate, de adancime si, respectiv, de latime a
benzii la prelucrarea prin durificarecu fascicul de electroni
determinate, definesc restrictiile care se impun la determinarea
regimurilor optimede durificare. Modul de utilizare a acestora la
stabilirea regimurilor optime este cel impus de metodaaplicata –
metoda clasica sau respectiv, metoda programarii matematice.
• •