| |||||
МЕНЮ
| Разработка технологического процесса упрочнения кулачка главного вала с использованием лазерного излученияРазработка технологического процесса упрочнения кулачка главного вала с использованием лазерного излучения
Шорина Е. Д. Разработать технологический процесс упрочнения кулачка
главного вала с использованием лазерного излучения: Дипломный проект Лазер, закалка, карбюризатор, кулачок главного вала, износостойкость, упрочнение, борирование, поток, такт. В процессе выполнения дипломного проекта проведено описание методов упрочнения. Выбран способ и технология упрочнения кулачка. Проведено испытание на износ материала. Произведён выбор оборудования, режущего и мерительного инструмента, разработан технологический процесс. Рассчитана эффективность изготовления данной детали. Разработали ряд мероприятий по предотвращению несчастных случаев, даны рекомендации по правильному использованию и организации производства. Сделаны выводы и рекомендации по упрочнению кулачка с использованием лазерного излучения. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 6 ВВЕДЕНИЕ Обработка материала сфокусированным излучением лазера является научным и техническим направлением технологии машиностроения и других областей промышленности, появившимся после 1960 года, когда были созданы мощные импульсные генераторы монохроматического излучения. Лазерная обработка материалов не является ещё установившимся и законченным разделом теории и практики обработки материалов концентрированными потоками энергии. Однако в разработке теоретических основ процессов воздействия мощных световых потоков на материалы и в практических применениях указанных процессов достигнуты значительные успехи. Применение различных типов лазеров во многих областях машино – и приборостроения и правильная их эксплуатация не возможны без чёткого представления о принципах работы оптических квантовых генераторов и об основных физических явлениях, в них происходящих. Преимущества и перспективность использования лазеров в машиностроении определяются не только прогресса в области собственно лазерной техники, но и умелым, научно обоснованным выбором оптимальных для каждого конкретного применения режимов работы лазера и параметров его излучения. Промышленная обработка материалов стала одной из областей наиболее широкого использования лазеров, особенно после появления лазеров высокой мощности. Лазерный луч применяется для резания и сверления отверстий, сваривания материалов и термообработки, обработки тонких металлических и неметаллических плёнок, получения на них рисунков и микросхем. Доводка номиналов пассивных элементов микросхем и методы получения на них активных элементов с помощью лазерного луча получили дальнейшее развитие и применяются в производственных условиях. При чём лазерная обработка материалов позволяет повысить эффективность и конкурентоспособность по сравнению с другими обработками. 1. МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ 1.1. Термическая обработка Поверхностным упрочнением называется упрочнение поверхностного слоя детали за счёт изменения его химического состояния или структуры. Для получения стали с наибольшей прочностью и твёрдостью необходима термическая обработка – закалка. Термообработка – это совокупность операций технологии теплового воздействия на материал с целью изменения его структуры и потребительских свойств в нужном направлении. Упрочнение поверхности может быть достигнуто: химико-термической, плазменной, лазерной обработкой и др. 1.1.1. Химико-термическая обработка Одним из главных средств улучшения качества стальных деталей – повышения их прочности, твёрдости и износостойкости – является химико- термическая обработка, заключающаяся в насыщении поверхности углеродом, азотом, хромом, бромом и другими элементами. При введении в поверхностный слой хрома, кремния, алюминия и других элементов можно придать изделию устойчивость против коррозии, жаростойкость, кислотоупорность и другие свойства. В промышленности получили широкое распространение следующие виды химико-термической обработки: - цементация – насыщение углеродом; - азотирование – насыщение азотом; - цианирование – одновременное насыщение углеродом и азотом; - диффузионная металлизация – насыщение различными элементами (кроме углерода и азота), например, хромом, бромом, алюминием и другими. Каждый из этих способов имеет свои особенности, преимущества и недостатки. 1.1.2. Борирование Борирование – насыщение поверхностного слоя металлических изделий бором. К борированию прибегают, главным образом, с целью повышения поверхностной твердости изделий, их износостойкости, реже – коррозионной стойкости и теплостойкости. Борированию подвергают поверхности изделий из железа, сплавов на его основе, а также тугоплавких металлов, используя явление диффузии. Различают борирование твердое, жидкое, газовое. При твердом борировании очищенные изделия помещают в герметичный или
негерметичный контейнер, засыпая их реакционной смесью, состоящей из
порошкообразного боризатора (аморфного бора, карбида бора, ферробора и
др.), инертной добавки (окиси алюминия, кварцевого песка,
тонкоизмельченного шамота), вводимой для предотвращения спекания или
налипания смеси на поверхность изделий, и активатора (галогенида, обычно Разновидностью твердого является вакуумное борирование, осуществляемое в вакуумно-плотных контейнерах при остаточном давлении 10-3 рт.ст. При высоких температурах испарения аморфного бора или карбида бора образуются пары этого элемента, которые конденсируются на обрабатываемой поверхности, и атомарный бор диффундирует в металл. Жидкостное борирование проводят при температуре 850 – 1000 оС в
расплавах различных солей с введением в них борсодержащих компонентов. Газовое борирование проводят при термическом разложении газообразных
соединений бора – диборана (В2Н2), трёххлористого бора (ВСl3) и др., чаще
всего в смеси с водородом в соотношении соответственно 1:25-100. При
температуре выше 500 0С диборан почти полностью ращлагается на активный бор
и водород, которые и омывают насыщаемое изделие. При газовом борировании
насыщение протекает интенсивнее, чем при твёрдом или жидком: за 2-5 ч. при
температуре 800-900 0С образуется слой боидов толщиной 0,1-0,2 мм. На
изделиях из железа и углеродистых сталей диффузионный слой отличается
иглообразным строением и состоит из 2 фаз- ромботического борида FeB Легирование стали обеспечивает получение более равномерного по толщине боридного слоя. Борирование вызывает появление в поверхностных слоях изделий
остаточных снимающих напряжений до 50 – 100 кгс/мм2, повышает их
износостойкость в 5 - 10 раз, увеличивает коррозионную стойкость
углеродистых и низколегированных сталей. Борирование повышает усталостную
прочность изделий. Коррозионная- усталостная прочность изделий из
углеродистых сталей после борирования увеличивается вдвое и более. 1.1.3. Плазменная обработка Сущность этой обработки состоит в том, что плазму, имеющую температуру Принципиально новым методом является метод получения деталей
непосредственно из плазмы. Он заключается в том, что в камеру головки
подаётся порошкообразный конструкционный материал с одновременной подачей
инертного газа при высоком давлении. Под действием другого разряда
конструкционный материал плавится и переходит в состояние плазмы. Струя
плазмы сжимается в плазмотроне плазмообразующим газом. Выходя из сопла
головки, луч фокусируется электромагнитной линзой и направляется на экран. Плазму получают в плазменных головках. Дуговой разряд 3 возбуждается между вольфрамовым электродом 4,
выполненным в виде трубы и охлаждённым проточной водой. В трубу подают газ 1.1.4 Лазерная обработка Термическое упрочнение материалов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. При этом время нагрева и время охлаждения незначительны, практически отсутствуют выдержка при температуре нагрева. Эти условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков. Метод основан на тепловом воздействии светового луча высокой энергии на поверхность обрабатываемой заготовки. Источником светового излучения является лазер - оптический квантовый генератор (ОКГ). Созданы конструкции твердотелых, газовых и полупроводниковых ОКГ. Рубиновый ОКГ работает в импульсном режиме, генерируя импульсы
когерентного монохроматического красного света. Энергия светового импульса Лазерную обработку применяют для прошивания сквозных и глухих отверстий, резания заготовок на части, вырезания заготовок из листового материала, прорезания пазов и т.д. Световым методом можно обрабатывать любые материалы. [pic] Рис. 1 Схема плазменной головки 1.2 Лазерная установка Сегментное собирающее зеркало состоит из нескольких плоских зеркало. Лазерное излучение попадает на зеркало, состоящее из множества отдельных зеркал, где происходит деление луча (рис. 1.2). Каждый вновь образованный луч имеет одинаковый диаметр на протяжении
расстояния от зеркала до плоскости линзы. В этом случае в пятне фокусировки
происходит наложение интенсивностей каждого отдельного луча, что приводит к
суммированию их. Распределение интенсивности излучения от каждого элемента
сегментного зеркала, которые обычно выполняются в форме прямоугольников. [pic]
1.3. Термическая обработка материалов лазерным излучением Поверхностное упрочнение металлических деталей – перспективный технологический процесс, открывающий целый ряд новых возможностей для повышения эксплуатационных характеристик деталей машин, инструмента. Поверхностное упрочнение деталей лучом лазера характеризуется рядом преимуществ, а именно: упрочнением локальных (по глубине и ширине) объемов деталей в местах, их износа с сохранением исходных свойств материала в остальном объеме, твердость при этом превышает 15 – 20% твердость посте термообработки существующими способами. Упрочнением поверхностей труднодоступных полостей, углублений, куда
луч лазера может быть введен с помощью оптических устройств; созданием Лазерные методы упрочнения целесообразны при обработке поверхностей сложной конфигурации, деформирование которых должно быть сведено к минимуму; при трудности подвода теплоты к обрабатываемой зоне детали обычными способами; при малых размерах поверхности обрабатываемых зон в сравнении с размерами деталей. Широкое внедрение методов лазерного упрочнения в различные отрасли промышленности обуславливается рядом благоприятных факторов: - наличием серийного лазерного высокопроизводительного оборудования как импульсного, так и непрерывного действия; - сравнительной простотой лазерного упрочнения, обуславливающей несложный подбор технологических режимов обработки деталей; - значительной номенклатурой обрабатываемых деталей, требующих локального упрочнения; - большой технико-экономической эффективностью, определяемой достоинствами лазерной термообработки и др. В ряде случаев формы и размеры различных деталей не позволяют использовать существующие способы поверхностного упрочнения для термообработки вследствие появления значительных напряжений в поверхностных слоях, приводящих их к деформированию и т.д. Поэтому прочность деталей, изготовленных, например, из конструкционных сталей в состоянии поставки, как правило, невелика. Методы лазерной обработки образуют группы, основанные, соответственно, на нагреве, плавлении и ударном нагружении материала в зависимости от плотности излучения лазера и времени его воздействия. Нагрев определяет такие процессы, как отжиг материалов, а также наиболее распространенный метод лазерного поверхностного упрочнения посредством фазовых превращений в твердом состоянии в поверхностных слоях металлов и сплавов при очень быстрых нагреве и последующем охлаждении. Лазерное упрочнение, основанное на фазовых превращениях в поверхностном слое, требует минимальной плотности потока излучения лазера при максимальном его воздействии. 1.4. Физические основы упрочнения лазерным излучением Большинство лазерных технологических процессов основывается на тепловом воздействии лазерного излучения на непрозрачные среды. Воздействие луча лазера на непрозрачные среды можно условно разделить на несколько характерных стадий: - поглощение светового потока и передача его энергии тепловым колебаниям решётки твёрдого тела; - нагревание вещества без его разрушения; - развитие испарения вещества в зоне воздействия луча лазера и разлёт продуктов разрушения; - остывание вещества после окончания действия лазерного излучения. Одновременно с указанными стадиями проходят диффузионные и химические процессы, а так же фазовые превращения, оказывающие существенное влияние на характер воздействия излучения лазера на материалы. Количество поглощённой энергии зависит от оптических и теплофизических свойств материалов, особенно для металлов и с увеличением длинны волны излучения уменьшается. Отражательная способность в оптическом диапазоне длин волн составляет для большинства металлов 70 – 95 %, а коэффициент поглощения также достаточно велик и составляет ~ 105-106см -1. Стадию нагрева материалов излучением лазера следует считать основной при анализе и исследовании ряда технологических процессов, выполняемых без разрушения материалов. Анализ этой стадии для других технологических процессов, основанных на удалении обрабатываемого материала, позволяет определить условия разрушения, например, температурную границу и соответствующий ей поток излучения лазера. После перехода энергии излучения лазера в теплоту начинается процесс нагрева материала. Поглощённая световая энергия передаётся от зоны воздействия «холодным» слоям с помощью различных механизмов теплопроводности, из которых для металлов в интервале температур от сотен до десятков тысяч градусов основным является электронная теплопроводность. 1.5. Воздействие непрерывного лазерного излучения на сплавы на основе железа Рассмотрим основные наиболее типичные структурные изменения в сплавах железа в зонах воздействия непрерывного излучения лазера на СО2 с мощностью излучения 700 Вт – 1 кВт. Обрабатывали неподвижные образцы со временем воздействия до 5 с и перемещающиеся со скоростью до 1 м/мин и более. В армко-железе в результате воздействия излучения лазера на СО2 на
неподвижный образец в слое толщиной до 0,55 мм наблюдается измельчание
зерна до размеров 10 – 15 мкм, проходящее наиболее в слое глубиной до 0,35 Микротвёрдость армко-железа Нm ? 4000 мПа. Следует отметить, что фронт расплавлений выражен не чётко. В зонах длительного воздействия излучения лазеров на СО2 все исследованные сплавы железа в верхней части, а иногда и за слоем пористого расплава наблюдается так называемый шлаковый слой, состоящий приемущественно из окислов железа и других продуктов химико-термического взаимодействия непрерывного излучения со сплавами в атмосфере воздуха и растворённых в металле газов. При облучении малоуглеродистой стали в зоне воздействия наблюдается крупнозернистая видманштетова структура с микротвёрдостью, существенно не отличающейся от исходной. В образцах из стали 45 с исходной структурой, состоящей из перлитных
зёрен с ферритными прослойками, вследствие длительного воздействия
непрерывного излучения с длинной волны ? = 10,5 мкм образовался наряду со
шлаковым, слой расплавленного и пористого металла толщиной до ~ 75 мкм. |
ИНТЕРЕСНОЕ | |||
|