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.

• •