МОДЕЛЮВАННЯ ТЕПЛОФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ І ВПЛИВУ ІМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА СИСТЕМУ «ЗНОСОСТІЙКЕ ПОКРИТТЯ – РІЗАЛЬНИЙ ІНСТРУМЕНТ»
DOI:
https://doi.org/10.18664/1994-7852.215.2026.358685Ключові слова:
імпульсна лазерна обробка, технологічні параметри лазера, фемтосекундний лазер, твердий сплав, різальний інструмент, наноструктурні шариАнотація
Стаття присвячена аналізу впливу імпульсної лазерної обробки (ІЛО) на поверхню покриттів різального інструменту з метою формування наноструктур і підвищення зносостійкості. Незважаючи на значну кількість досліджень наноструктур [4–10], недостатньо вивченими залишаються технологічні параметри фемтосекундних лазерів для отримання нанозерен, вплив способу задавання теплофізичних і термомеханічних характеристик на точність прогнозу властивостей отриманих покриттів, а також термомеханічні напруги в багатошарових композиціях.
Розроблена математична модель допомагає теоретично оцінити параметри імпульсної лазерної обробки, що забезпечують необхідні властивості різальних інструментів із твердого сплаву зі зносостійкими покриттями. Встановлено, що зміна теплофізичних властивостей шарів значно позначається на розподілі температур у композиції. Однак із
зростанням кількості шарів і їхньої товщини вплив теплофізичних властивостей кожного шару на розподіл температур у композиції стає незначним. Спрямовано підбираючи теплофізичні характеристики матеріалу шарів покриття, можна керувати формуванням ізотерм в обсязі всієї композиції. Водночас отримані дані показують, що критичні щільності потужності для покриттів різного складу і конструкцій відрізняються незначно через малу відмінність їхніх коефіцієнтів теплопровідності. Крім того, із визначенням критичної щільності потужності важливим є питання про напруги, що виникають з ІЛО на межі покриття з інструментальною основою. Величина цих напруг може істотно вплинути на величину критичної щільності потужності, визначену з урахуванням лише аналізу теплового стану композиції «покриття-інструментальна основа». Аналітичне рішення визначення напруг є досить складним завданням. З іншого боку, розв’язання цієї проблеми можливе через чисельне моделювання процесу впливу ІЛО на композицію «багатошарове покриття - інструментальна основа».
Методика включає розв’язання спільної задачі теплопровідності та термопружності зі стохастичними і квантово-механічно обчисленими характеристиками. Аналіз залежності кривих показав, що за відносно невисоких щільностей теплового потоку відмінність невелика, тоді як зі зростанням темпового потоку цих значень збільшується, щоправда незначно. А зі зменшенням часу дії теплового потоку ця відмінність зростає. Видно, що фемтосекундний лазер дуже чутливий до способу задавання теплофізичних і термомеханічних характеристик. Висновки підкреслюють практичне значення моделі для оптимізації ІЛО різального інструменту в машинобудуванні.
Посилання
Широкий Ю. В., Сисоєв Ю. О., Торосян О. В., Торосян-Жидєєва Г. Д. (2023). Вибір технологічних параметрів лазера для отримання наноструктур на інструментальній сталі У12А. Відкриті інформаційні та комп'ютерні інтегровані технології. Харків: Національний аерокосмічний університет «ХАІ», № 97. С. 111-125. DOI: 10.32620/oikit.2023.97.07
Guimarães B., Marques F., Fernandes C. et al. (2025). Enhancing the cutting performance of laser surface textured WC–Co cutting tools - a study on AISI 316L stainless steel turning. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, No. 135. Pp. 123–140.
Shyrokyi Yu. V., Sysoiev Yu. O., Torosian O. V., Zhydeev P. R. (2024) Determination of temperature conditions for the formation of submicro- and nanostructures under ion impact on magnesium alloys in a plasma environment. Open Information and Computer Integrated Technologies, No. 102. Рp. 75-91. DOI: https://doi.org/10.32620/oikit.2024.102.06
Garcia-Fernandez J., Salguero J., Batista M. et al. (2024). Laser Surface Texturing of Cutting Tools for Improving the Machining of Ti6Al4V: A Review. Metals, No. 14(12). P. 1422.
Shyrokyi Y., Kostyuk G. In: Nechyporuk M., Pavlikov V., Kritskiy D. (eds). (2021). Investigation of the Influence of Crystallization Energy on the Size of Nanostructures During Copper Ion-Plasma Treatment. Integrated Computer Technologies in Mechanical Engineering - 2021. ICTM 2021. Lecture Notes in Networks and Systems. Springer, Cham, No 367. Рp. 57-66.
Zhou L., Zou P., Yang Z. et al. (2025). Influence of laser texturing parameters on the surface characteristics and cutting performance of cemented carbide tools. Optics & Laser Technology, No. 185. P. 112524.
Широкий Ю. В., Сисоєв Ю. О., Постельник Т. В. (2022). Моделювання умов отримання наноструктур в алюмінієвих сплавах при дії іонізуючого випромінювання. Авіаційно-космічно техніка та технологія: сб. науч. тр. Нац. аерокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Вип. 2. С. 55-63. DOI: https://doi.org/10.32620/aktt.2022.2.07
Rezayat M., Moradi M., Mateo A. (2024). Nanosecond multi-passes laser surface texturing on AISI 301LN TRIP steel. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, No. 132. Pp. 2457–2470.
Широкий Ю. В., Сисоєв Ю. О., Семененко О. Д. , Торосян О. В. (2025) Підвищення ефективності деталей машин та різального інструменту комбінованими методами обробки. Відкриті інформаційні та комп'ютерні інтегровані технології, № 106. С. 84-107. DOI: 10.32620/oikit.2025.106.06
Костюк Г. І., Григор О. Д., Матвєєв А. В. (2017). Вплив характеру завдання теплофізичних і термомеханічних характеристик магнієвих сплавів при обробці з метою отримання наноструктур іонами з використанням стохастичних значень і отриманих квантово-механічним методом. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Технології в машинобудуванні, Вип. 17(1239). С. 78-82.
Ahmed Y. S. (2024). Optimizing Femtosecond Texturing Process Parameters Through Advanced Machine Learning Models in Tribological Applications. Lubricants, No. 12(12). P. 454.
Kostyuk G. I., Grigor O. D. (2018). Comparison of temperature regimes in the zone of laser femtosecond processing of Volkar hard alloy using thermophysical and thermomechanical characteristics, stochastic values calculated by the quantum-mechanical method. Bulletin of the National Technical University «KhPI». Series: Technologies in Mechanical Engineering – Kharkiv, No. 6 (1282). Рp. 90-94.
Wu X., Zhan J., Mei S. (2022). Optimization of Micro-Texturing Process Parameters of TiAlN Coated Cutting Tools by Femtosecond Laser. Materials, No. 15(19). P. 6519.
Zawadzki P., Dobrotvorskiy S., Aleksenko B. et al. (2024). Effect of Nanosecond Laser Texturization on Tribological Behavior of AISI 321 Stainless Steel. Materials, No. 17(23). P. 5870.
Широкий Ю. В., Сисоєв А. Ю., Панченко Ю. С. (2022). Теоретичне дослідження температурних полів міді при формуванні наноструктурних шарів у плазмовому середовищі. Авіаційно-космічно техніка та технологія. № 5. С. 51-60. DOI: 10.32620/aktt.2022.5.04
Khanna N., Agrawal C., Gupta M. K. et al. (2023). Performance of cutting-tool patterns textured via ultrashort laser pulses. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, No. 237(10). Pp. 1501–1515.
Sysoiev Iurii, Shyrokyi Yurii, Fesenko Kseniia (2024). Pulsed vacuum-arc plasma source with laser arc excitation. Problems of Atomic Science and Technology (PAST), No. 1 (149). Рp. 110-115. DOI:10.46813/2024-149-110
Kostyuk G. I., Semenenko O. D. (2018). Influence of the method of setting the thermophysical and thermomechanical characteristics of the B3 hard alloy on the nature and efficiency of the formation of nanostructures. Bulletin of the National Technical University «KhPI». Series: Technologies in mechanical engineering, No. 34 (1310). Рp. 40-46.
Liu, H., Chen, Z., Zhang, L. (2024). Surface Texturing on Polycrystalline Diamond Compact Cutter by Nanosecond Laser. Advanced Engineering Materials, No. 26(12). P. 2402204.
Широкий Ю. В., Сисоєв Ю. О., Фесенко К. В., Постельник Т. О. (2024). Дослідження температурних полів на сталях з урахуванням кінцевої швидкості розповсюдження тепла при моделюванні умов отримання наноструктур у плазмовому середовищі. Відкриті інформаційні та комп'ютерні інтегровані технології. № 101. С. 98-111. DOI: 10.32620/oikit.2024.101.07
Nouri H. N., Sajjady S. A., Amini S. (2025). Ceramics Surface Design by Laser Texturing: A Review on Fundamentals, Advances, and Prospects. Advanced Materials Interfaces, No. 12(8). P. 2500302.
Kostyuk G., Melkoziorova O., Kostyuk E., Shyrokyi I. (2020). Prospects for producing nanostructures in the volume of parts under the action of plasma flows. Різання та інструменти в технологічних системах. Харків: НТУ «ХПІ». № 92. С. 107-121. DOI: 10.20998/2078-7405.2020.92.12
Jonaityte I., Punys J., Sokas G. (2025). Effect of Dimensions in Laser Surface Texturing on Cutting Tools. Mechanika, No. 31(4). Pp. 285–292.
Zhao Z., Li Y., Wang H. et al. (2025). Investigating the Influence of Laser-Etched Straight and Wavy Textures on the Surface Quality of Monocrystalline Diamond Tools. Micromachines, No. 16(1). P. 102.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
