Разработка технологического процесса упрочнения кулачка главного вала с использованием лазерного излучения

p> В предварительно закалённых образцах из стали 45 образовался слой толщиной ~ 400 мкм, состоящий из обезуглероженной зоны на поверхности и вторично закалённой внутри, причём здесь мартенсит более мелкоигольчатый, чем в матрице. Далее располагается зона отпуска с продуктами распада мартенсита.

Структурные изменения в образцах из нормализованной и предварительно закалённой стали У8 во многом аналогичны изменениям структуры в образцах из стали 45 с тем лишь отличаем, что в предворительно закалённой стали У8 в зоне закалки, примыкающем к расплаву наблюдается значительное растравливание границ зёрен. Отметим, что в обезуглероженных зонах имеет место разупрочнение. Так в стали У8 твёрдость в этих зонах примерно в 2 раза меньше, чем в исходной структуре.

В образцах из стали ХВГ структурные изменения подобны изменениям в образцах из стали У8, с той лишь разницей, что в закалённом слое, как и в закалённой матрице, наблюдаются периоды округлой формы. Также четко видна столбчатая структура ранее расплавленного слоя.

Рассмотрим результаты исследований сплавов на основе железа после обработки движущимся лучом мощных лазеров на СО2. Исследовали образцы из сталей 20,
45, У8, У12 после обработки их лучом лазера на СО2 с мощностью излучения до
1 кВт. Скорость перемещения образцов изменялась в диапазоне 0,4 – 0,6 м/мин. Плотность потока в зоне обработки изменялась в пределах 5?103 -
2?105 Вт/см2. Области обработки состоят из четко выраженных слоев, отличающихся друг от друга степенью полноты фазовых превращений.

В первом слое температура стали превышает верхнюю критическую точку
Ас3 или Асm для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей, соответственно превышала температуру плавления стали. Микростуктура этого слоя – мартенсит.

Второй слой соответствует нагреву в межкритическом интервале температур, здесь имеет место неполная закалка. Для доэвтектоидных сталей она дает вследствие сохранения ферритных зерен пониженную твердость в сравнении с первым слоем. Для заэвтектоидных сталей твердость второго слоя выше, чем первого. Это объясняют присутствием цементита в высокодисперсном виде, который дополнительно упрочняет сталь. Твердость в зоне (Рис. 7) обработки стали 20 достигает 7500 мПа при перемещении образцов с v = 0,6 –
1,8 м/мин, чего нельзя достичь обычной закалкой. При этом глубина зоны упрочнения равна 500 мкм.

В образцах из стали У12 во второй зоне, зоне термического влияния, наблюдается неоднородность структуры, что подтверждается пониженной травимостью участков, расположенных на месте сетки вторичного цементита.
Указанные участки характеризуются увеличенным количеством аустенита. Анализ кривых распределения твёрдости в образцах из сткли У12 показывает, что минимальной скорости перемещения образца твёрдости первого и второго слоёв зоны близки, тогда как пи более высоких скоростях твёрдость второго слоя заметно выше. Это обстоятельство определяется более равномерным распределением углерода в аустените за более длительное время лазерного нагрева. Твёрдость мартенсита при содержании углерода до 0,6% линейно зависит от последнего и практически не зависит от него при большом количестве углерода в стали.

Исследовали образцы из стали 35 с исходной ферритно-перлитной структурой. После воздействия излучения лазера на СО2 обработка сопровождается оплавлением поверхности до скорости 2,4 м/мин, а при скоростях перемещения образцов ~ 2,6 м/мин и более оплавления не наблюдается. Зона лазерного воздействия при скоростях перемещения образцов
0,6- 1,8 м/мин состоит из четырёх слоёв. Первый, оплавленный слой характеризуется пониженной травимостью и микротвёрдостью Нм = 8 000 мПа, превышающей твёрдость стали в исходном состоянии в 4 раза. Микроструктура этого слоя представляет собой мартенсит и некоторое количество остаточного аустенита. Во втором слое микроструктура – мартенсит с иглами размером в 2
– 4 раза большим, чем в первом. Третий слой – зона не полной закалки со структурой из мартенсита, троостита, феррита. Четвёртый слой также является зоной неполной закалки, однако отличается от третьего полным отсутствием троостита, наличием ферритной сетки и более высокой твёрдостью.

Распределение твёрдости по глубине зоны, подвергнутой лазерной обработке при различных скоростях перемещения луча приведено на рис. 1.5.

Наблюдаемые различия в структуре и твёрдости слоёв зоны в стали 35, обрабатываемой непрерывным излучением лазера на СО2, объясняют различными условиями их нагрева и охлаждения.

1.6. Упрочнение кулачка главного вала

В течение последних трёх – пяти лет появились мощные газовые лазеры, обеспечивающие в режиме непрерывной генерации мощность порядка нескольких киловатт. Благодаря этому стало возможным осуществлять новую технологическую операцию – термическую обработку металлических поверхностей. Это особенно важно для обработки таких поверхностей, где мощный лазерный луч имеет преимущества или где геометрия обрабатываемых изделий создаёт трудности для применения традиционного теплового метода.
Лазерная обработка применяется для закалки стальных поверхностей, высокоскоростного отжига фольги, удаления плёнок и других поверхностных осаждений, а также вникания порошкового материала в металлическую поверхность.

Образование тонкого твёрдого поверхностного слоя у стали путём её подогрева и последующего быстрого охлаждения играет важную роль во многих технологических операциях. Обрабатываемыми деталями могут быть зубчатые колёса, шпоночные канавки, зубчатые муфты, распределительные валы, концы пальцев толкателя, ножи различных машин, а также данный на упрочнение кулачёк. Поскольку допустимый износ у стали является малой величиной, то увеличение срока службы кулачка достигается за счёт создания поверхностного слоя. Одной из важных особенностей поверхностного упрочнения является сохранение качества основной массы металла, которая также разогревается вместе с поверхностным слоем.

Для кулачка главного вала основным процессом при закалке является нагревание поверхности до температуры, при которой исчезает аустенитная структура. При этом углерод начинает существовать как твёрдый раствор карбида железа в гамме железа. Затем происходит охлаждение до температуры, при которой ещё не успеет образоваться устойчивое состояние перлита с ферритом или цементитом, а образуется очень прочный, твёрдый раствор карбида в ? – железе, известный как мартенсит. Необходимая скорость охлаждения зависит от состава стали и имеет значение порядка 30 – 40 0С до тех пор, пока температура не достигнет порядка 250 0С. Для получения указанной скорости охлаждения применяют охлаждающие жидкости.

При лазерной закалке количество энергии, вложенные в металл, является достаточным для поверхностного нагрева, а масса металла кулачка остаётся холодной. В этом случае нагретая поверхность будет охлаждаться за счёт теплопроводности с достаточно высокой скоростью.

Для закалки кулачка из стали 18 ХГТ, применим закалку при температуре
780 – 800 0С с последующим охлаждением. Лазерный луч диаметром 5 мм, перемещаем по поверхности со скоростью 1,4 м/мин. Используем непрерывный
СО2 - лазер мощностью 2,8 кВт. При такой обработке поверхностный слой в результате двойного прохода луча СО2 - лазера стал в три раза выше.

Температурную обработку кулачка можно производить в различных средах
(вода, воздух, различные газы). Более высокое упрочнение стали имеет место при её обработке в жидких средах.

При воздействии импульса излучения на шлифовальную поверхность кулачка возникает узкая зона расплавленного металла, микротвёрдость которой отлична от микротвёрдости основного металла. На поверхности микротвёрдость составляет Н50 = 350, увеличивается в глубь обьёма материала, достигая Н50
= 450. В зоне термического влияния микротвёрдость увеличивается до Н50 = 45 ч 500 и уменьшается далее в глубь металла до Н50 = 158, а затем микротвёрдость возвращается к исходному значению.

Полный цикл термообработки требует 1 – 2 с. Максимальная глубина упрочнённой лазером зоны 1 – 2 мм. Такой глубины достаточно для повышения износостойкости, прочности и усталостной сопротивляемости.

Обычные методы закалки, такие как поверхностная закалка часто вызывают искажение формы металла, что необратимо портит изделие или требует больших затрат на доводку.

Цементация и азотирование поверхности занимают много времени, для них требуется высокая плотность поддержания газового состава. При этом нельзя обрабатывать большие площади. Искажение кулачка также минимальное в сравнении с другими методами.

По сравнению с другими источниками тепла геометрия лазерного луча легко изменяется оптическими системами. Лазерный луч передаётся на расстояние, фокусируется или расширяется специальными линзами. Таким образом, диаметром луча можно управлять дистанционно. Его даже можно разделять одновременно на различные участки кулачка.

Закалка не требует специального охлаждения. Поверхность обработанного кулачка остаётся чистой.

2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Назначение узла «вал главный» автомата хладновысадочного

Автомат хладновысадочный предназначен для изготовления деталей из проволоки методом холодной высадки. Автомат хладновысадочный состоит из следующих основных узлов: главного вала, узла подачи проволоки, узла подачи ножа, узла высадки заклёпки, узла отрезки, привода, станины, электрооборудования, ограждения, разматывающего устройства, узла правки и пневмооборудования.

Главный вал автомата хладновысадочного устанавливается на подшипниках в корпус 1 (см. сбор. чертёж). С правой стороны вала крепится кулачёк 4 и шкив 3, а с другой стороны в пазу вала 2 крепится эксцентрик 5. На эксцентрике 5 устанавливается подшипник 65 с хомутом 9 (см. Г-Г) и державка
6 (см. А-А). В пазу держаки 6 крепится болт 10, на котором закреплён подшипник 64 с обоймой 15 (см. Д-Д).

Главный вал получает вращение через клиноременную передачу от привода и приводит в движение другие узлы: посредством кулачка 4 перемещается шток узла отрезки проволоки; опора 7, закреплённая на хомуте 9 (см. Г-Г), перемещает ползун узла высадки заклёпки; обойма 15 через тягу поворачивает обгонную муфту узла подачи проволоки. Величину хода ползуна узла высадки заклёпки регулируют путём перемещения эксцентрика 5 в пазу вала 2, а угол поворота обгонной муфты – перемещением болта 10. Подачу проволоки осуществляют двумя роликами, которые устанавливаются на плите станины станка. При рабочем ходе заготовка из проволоки выдвигается в матрицу и опрессовывается; полученная заклёпка выталкивается пуансоном, на который воздействует упорная планка, далее заклёпка сбрасывается под воздействием кулачка на рычаг узла сбрасывания.

2.2. Выбор способа упрочнения кулачка главного вала

Для увеличения твёрдости и износостойкости деталей сложной конфигурации, а также для снижения себестоимости детали подвергают упрочнению методом лазерного воздействия, изменению свойств поверхностного слоя, что в итоге даёт возможность изготавливать детали из более дешёвого сырья.

Изменение свойств поверхностных слоёв материала с помощью лазерного излучения можно производить в результате насыщения поверхности легирующими элементами (Сr, A,B,C). Эти элементы, растворившись в основном металле, в сочетании с ним образуют новый слой с особыми свойствами.

По сравнению с ранее известными способами (азотирование, цементация, наплавление и др.) модификация поверхности легированием при локальном лазерном нагреве и высоких скоростях плавления и кристаллизации обладает целым рядом преимуществ:

- экономией легирующего материала;

- минимальный объём последующей механической обработки;

- отсутствием необходимости в последующей термообработке;

- достаточно хорошей контролируемостью процесса;

- высокой скоростью процесса и высоким качеством изделия;

- хорошей воспроиводимостью параметров упрочняемого слоя и др.

Процесс лигирования позволяет получать на поверхности деталей из углеродистых материалов микрообъёмы новых сплавов с заданными свойствами и повышать их теплостойкость до 300 – 400 0С. Рекомендуется для поверхностного легирования использовать такие дешёвые материалы, как например стали Ст. 3, 45, У8А, У10А, и на поверхности деталей, инструмента, изготовленных из них создавать микрообъёмы со свойствами, обусловленными свойствами детали, инструмента и т.п.

На поверхность материала легирующий элемент наносится различными способами:

- накатыванием (фольги из легирующего элемента);

- электролитическим осаждением;

- детонационным покрытием;

- плазменным напылением;

- нанесением обмазки и связующего вещества и т.д.

Лазерное термоупрочнение сталей заключается в формировании на этапе нагрева аустенитной структуры и её последующем превращением в мартенсит на этапе охлаждения.

При лазерной обработке без оплавления решающей стадией является нагрев, т.к. при последующем высокоскоростном охлаждении фиксируется превращение при нагреве. При нагреве сплавов железа в точке Ас1 диаграммы состояния железо – углерод начинается превращение перлита в аустенит.

Высокоскоростной нагрев, характерный для лазерной обработки, изменяет кинетику образования аустенита. Подводимая тепловая энергия превосходит по величине энергию, необходимую для перестройки кристаллической решётки, а сама перестройка происходит с некоторой конечной скоростью. Вследствие этого превращение осуществляется не изотермически, а в некотором интервале температур от Ас1нач до Ас1кон , то есть происходит смещение конца аустенитного превращения в область высоких температур (рис. 2.1 область 1).

[pic]

Рис. 2.1. Диаграмма состояния Fe – Fe3 S
Вследствие высокой скорости нагрева диффузионные процессы перестройки решётки объёмноцентрированного куба избыточного феррита в решётку гранецентрированного куба избыточного аустенита могут не закончиться на линии GS диаграммы Fe – Fe3 S и происходит сдвиг точки Ас3 в область более высоких температур (рис. 2.1. область 2). Так же происходит смещение точки
Асм и обусловленное этим микроплавление границы цементита с аустенитом
(рис. 1.4, область 3).

В рассмотренных случаях процесс диффузионного перераспределения углерода в аустените, то есть гоиогенизация аустенита, смещается в область ещё более высоких температур.

Лазерная обработка отличается малым временем воздействия, вследствие чего не успевает произойти укрупнение зерна. Однако процесс лазерного легирования стремятся осуществлять с нагревом до максимально возможной температуры, вплоть до температуры плавления с целью получить достаточную глубину упрочнённого слоя.

Обработка без оплавления поверхности приводит к образованию неоднородной аустенитной структуры с наличием в верхней части зоны воздействия мартенсита, обусловленного закритическими скоростями охлаждения. Микротвёрдость оплавленного слоя увеличивается на 4000 мПа.
Наряду с диффузией в жидкой фазе насыщение поверхности лигирующими элементами реализуется так же и путём диффузии в твёрдой фазе. После начала действия луча лазера на материал вблизи границы разрушения возникает тонкий слой жидкого металла, толщина которого тем меньше, чем выше интенсивность излучения.

Узкий слой расплавленного сплава на поверхности материала может быть в процессе воздействия луча лазера обогащён или обеднён лигирующими элементами по сравнению с исходным сплавом из-за разной упругости паров легирующего элемента и основного металла. Для большинства легирующих элементов энергия связи их в сплаве ниже соответствующей энергии связи основного метала, приходящейся на атом сплава. Поэтому при движении границы разрушения возможно испарение не только атомов, находящихся на поверхности границы разрушения, но и части примесных атомов из слоя некоторой толщины из которого обеспечивается переход примесей к границе разрушения. Толщина этого слоя близка к толщине слоя поглощения светового излучения в металлах, где эффективные температуры и давление весьма высоки, и вследствие этого коэффициент диффузии существенно увеличивается.

Скорость подвижности легирующих элементов определяется температурой в жидкой фазе, временем соприкосновения между твёрдой и жидкой фазами, физической природой примесных атомов и концентрацией примесей. Для значительного числа элементов, растворимость их в жидкой фазе выше, чем в твёрдой, поэтому перед границей жидкой фазы образуется слой с пониженным содержанием примесей. После окончания действия излучения прекращается движение границы раздела жидкая фаза – твёрдая фаза, и начинается кристаллизация тонкой плёнки.

В этот момент испарение с поверхности перестаёт иметь значение.
Поэтому по мере кристаллизации наблюдается обратный переход части примесных и легирующих атомов в зону, прилегающую к кратеру. Это должно приводить к выравниванию числа примесных атомов в зоне вблизи кратера, хотя полной компенсации недостачи легирующих примесей может и не быть вследствие того, что температура в зоне обработки не существенно превышает температуру плавления.

Таким образом, исходного распределения легирующих примесей в зоне, прилегающей к кратеру, должно быть отлично от конечного. Диффузионная глубина существенно зависит от температурного поля в зоне кратера. В связи с этим процесс изменения содержания элементов при действии излучения лазера на металлы может быть разбит на несколько стадий.

Первая стадия – нестационарный процесс, приводящий к установлению квазистационарного распределения температуры в зоне кратера. Следующая стадий – квазистационарный процесс разрушения, при котором температурное поле материала можно считать установившемся. На этой стадии происходит установление диффузионного процесса накопления примесей в жидкой плёнке, примыкающей к зоне обработки, или её примесями, в последней стадии процесса, соответствующей кристаллизации тонкой плёнки расплава после окончания действия излучения, происходит обратный перенос примесей из жидкой в твёрдую фазу, то есть обогащение поверхностного слоя легирующими элементами.

При легировании СО2 - лазером мощностью 1 кВт, диаметр пятна 0,59 –
1,8 мм и скорости сканирования 12,7 ч 1270 см/мин, время наплавления металла в данной точке не превышает 0,1 ч 1,5 с.

Примерно столько же составляет время кристаллизации металла. На процесс перемешивания оказывают влияние высокие градиенты температур, действие ударной волны и т.д. Глубину проплавления можно менять от 0,05 до
5 мм, а степень легирования в пределах от 0,1 ч 1 до 0,81 ч 1.

2.3. Приспособление для упрочнения

Поверхность детали представляет собой сложную геометрическую форму.
Это связано с конструктивной особенностью станка. От главного вала вращательное движение кулачка передаётся в возвратно-поступательное движение штока привода узла отрезки детали автомата холодновысадочного.
Вследствие этой работы износу подвергается профиль кулачка.

Для увеличения срока службы детали мы разработали приспособление для лазерного легирование (борирование) сложного профиля кулачка на установке
«Кардамон».

Приспособление представляет собой систему копирования профиля кулачка.
На устройстве копирования закреплена линза, предназначенная для фокусирования лазерного луча, с помощью которой при вращении кулачка и, соответственно, копира выдерживается однаковое фокусное расстояние до детали и диаметр пятна остаётся неизменным. В нашем случае диаметр сфокусированного луча составляет dл = 2 мм; скорость луча vл = 5 мм/с.

Произведём расчёт длинны окружности кулачка, учитывая все плавные переходы его профиля:

С = ПD = 2ПR

Итого Собщ = 402,1 мм

Переведем скорость луча в единицы СИ:

V = 5 мм/с = 5 ? 60/1000 = 0,3 м/мин

Тогда частота вращения обрабатываемой детали составит:

[pic]

Исходя их найденной частоты вращения обрабатываемой детали лазером, спроектируем редуктор приспособления для лазерной обработки. От электродвигателя посредством червячной передачи движение передается напрямую обрабатываемой детали, а посредством цилиндрической прямозубой передачи движение передается на копир, поднимающий планку с линзой, и на ходовой винт для перемещения детали относительно лазерного луча.

Проведем расчет редуктора:

Он состоит из червячной передачи и двух цилиндрических прямозубых передач. Движение червячной передаче передается от бесконтактного
(шагового) моментного электродвигателя серии ДБМ-185-10-0,04-2, развивающего пусковой момент не менее 7,8 Н?м, с количеством пар полюсов –
8. Применение силового шагового привода для двигателя упрощает схему управления и позволяет обеспечить регулирование частоты от 0,6 до 1 кГц, соответственно, и частоты вращения ротора шагового двигателя.

Рассмотрим червячную передачу.

КПД червячной передачи с учетом потерь в опорах: [pic]. Передаточное число равное передаточному отношению [pic], причём И = 15

Число витков червяка Z1 принимаем в зависимости от передаточного числа при И = 15, принимаем Z1 = 2 [c. 55. (1)]

Число зубьев червячного колеса:

Z2 = Z1 * И = 2 * 15 = 30

Примем стандартное значение [т. 4.1 (1)]

Z2 = 32 при этом И = Z2 / Z1 = 32 / 2 = 16

Выбираем материал червяка и венца червячного колеса. Принимаем для червяка сталь 45 с закалкой до твёрдости не менее НRCэ 45 и последующем шлифованием.

Так как к передаче не предъявляются специальные требования, то в целях экономии принимаем для венца червячного колеса бронзу БрА9ИСЗЛ (отливка в песчаную форму). При длительной работе контактное напряжение [Cн] = 155
МПа. (т. 4.9)

Допускаемое напряжение изгиба при реверсивной работе:

[СOF] = КFL [СOF]’.

В этой формуле КFL = 0,543 *98 = 53,3 МПа

Вращающий момент на валу червячного колеса:

[pic]

Принимаем предварительно коэффициент диаметра червяка q = 10

Определяем межосевое расстояние из условий контактной выносливости:

[pic], где к= 1,2 – коэффициент нагрузки

Модуль [pic]

Принимаем по ГОСТ 2144-76 (табл. 4.2) стандартные значения m и q
[pic]

Основные размеры червяка:

Делительный диаметр червяка: d1 = q * m = 10 * 6,3 = 63

Диаметр вершин витков червяка: dв1 = d1 + 2m = 63 + (2 *6,3) = 75,6 мм

Диаметр впадин витков червяка: d=d1 – 2,4 m = 63 – (2,4 * 6,3) = 47,88 мм

Длина нарезанной части шлифованного червяка: в1 > (11 + 0,06 Z2) * m + 25 = (11 + 0,06 * 32) * 6,3 + 25 =106,4 мм

Принимаем в1 = 106 мм

Делительный угол подъема витка ? при Z1 =2 и q = 10,

? = 110 19’

Основные размеры венца червячного колеса:

Страницы: 1, 2, 3, 4