Разработка технологического процесса упрочнения кулачка главного вала с использованием лазерного излучения

p> Делительный размер червячного колеса: d2 = Z2 * m = 32 * 6,3 = 201,6 мм

Диаметр вершин зубьев червячного колеса: dв2 = d2 +2m = 201,6 + 2 * 6,3 = 214,2 мм

Диаметр впадин зубьев: d = d2 – 2,4 m = 201,6 – 2,4 * 6,3 = 186,5 мм

Наибольший диаметр червячного колеса: dам2 < dв2 +6m / Z1+2 = 214,2 + (6 * 6,3) / (32*2) = 215,3 мм

Ширина венца червячного колеса: в2 < 0,75 dв, = 0,75 * 75,6 = 56 мм

Окружная скорость червяка^

[pic]

Проверка прочности зубьев червячного колеса на изгиб:

Коофициент формы зуба по табл. 4.5 [1]

YF = 2,32

Направление изгиба:

[pic] что значительно меньше вычисленного выше

[COF] = 53,3

Перейдём к расчёту цилиндрической прямозубовой зубчатой передачи

Передаточное отношение и = 1

Частота вращения ведущей шестерни n= 0,746 об/мин

Вращающий момент на ведущем валу

Т3 = Т2 = 256,4 * 103 Н * м

Выбираем материал для зубьев колёс. Для шестерни сталь 45, термообработка – улучшение, твёрдость НВ = 230, для колеса сталь 45, термообработка – улучшение, МВ 200.

Допускаемые контактные напряжения:

[pic]

[pic] - предел контактной выносливости при базовом числе циклов. По табл. 3.2 для углеродистых сталей с твёрдостью поверхности зубьев менее НВ
350 и термообработкой (улучшением).

[pic] = 2НВ +70

Для шестерни:

[pic] = 2 * 230 + 70 = 530 МПа

Для колеса:

[pic] = 2 * 200 + 70 = 470 МПа

КHL = 1- коэффициент долговечности

[Sн] = 1,10 – коэф. безопасности

Для шестерни [pic]

Для колеса [pic]

Расчётное допустимое контактное напряжение

[Сн] = 0,45 (481,8 + 427,3) = 409 МПа

Исходя из компоновки редуктора принимаем межосевое расстояние dw = 200 мм из стандартного ряда чисел.

Нормальный модуль зацепления принимаем mn = 0,01 * dw = 0,01* 200 = 2 мм

Число зубьев шестерни и соответственно колеса будут:

[pic]

Уточним модуль

[pic]

Основные размеры шестерни и колеса:

Делительные диаметры: d1 = d2 = mn * Z1,2 = 2 * 100 = 200 мм

Диаметр вершин зубьев: dа1 = dа2 = d1 + 2mn = 100 + 2 * 2 = 104 мм

Ширина колеса: в2 = ? ва * dw = 0,4 * 200 = 80 мм

Ширина шестерни: в1 = в2 + 5 мм = 85 мм

Коэффициент ширины шестерни по диаметру:

? вd = в1 / d1 = 85 / 80 = 1,06

Окружная скорость колёс и степень точности передачи

[pic]

где [pic]

При такой скорости колёс следует принять 8- ю степень точности ГОСТ
1643-81.

Коэффициент нагрузки:

Кн = Кн? * Kн? * Kнv

Кн? = 1,10 при НВ < 350 [табл. 3.5 [1]]

Kн? = 1,16; Kнv = 1

Кн = 1,10 * 1,16 * 1 = 1,276

Проверка контактных напряжений

[pic]

Аналогично производиться расчёт второй цилиндрической зубчатой передачи приспособления для лазерного борирования.

Разработанная нами схема приспособления обеспечивает необходимую частоту вращения обрабатываемой детали, а так же перемещение луча по всей обрабатываемой поверхности.

Применение шагового двигателя в приспособлении позволяет значительно упростить его кинематическую схему.

Универсальность шагового двигателя состоит в том, что при работе его с дискретным разомкнутым приводом, возможно, регулировать скорость методом частичного регулирования скорости до нуля.

[pic]

Рис. 2.2. Схема приспособления для лазерного борирования

1. Зеркало

2. Линза

3. Кулачёк

4. Ползун

5. Плита

6. Стойка

7. Пружина

8. Редуктор

[pic]

Рис. 2.3. Схема разомкнутого привода с силовым ШД

ГИ – генератор импульсов;

РИ – распределитель импульсов;

УМ – усилитель мощности;

ПН – преобразователь напряжения;

ТС – отрицательная связь по току;

ШД - шаговый двигатель.

На рис 1.8. показана схема разомкнутого привода с силовым шаговым двигателем. Она состоит из задающего генератора импульсов, распределителя импульсов, преобразующего однополярные напряжения в трёх фазные системы, усилителей мощности, питающихся от широтно – импульсного преобразователя напряжения питания ПН с жёсткой отрицательной связью по току ТС.

Такие системы с разомкнутым шаговым приводом имеют самую простую структуру и в настоящие время получили наибольшее распространение. Они используются для управления металлорежущими станками, газорезательными и сварочными автоматами, координатографами, лентопротяжными и регистрирующими устройствами, дистанционными передачами и т.п. В этих системах дискретный входной сигнал поступает на шаговый привод и отрабатывается двигателем в виде углового перемещения.

Перейдём к рассмотрению лазерной установки «Кардамон», предназначенной для поверхностного упрочнения и наплавки металлов и сплавов. Максимальное значение плотности мощности, достигаемой при фокусировке излучения такого лазера составляет 104 – 105 Вт/см2.

Установка «Кардамон» (Рис. 1.9.) состоит из четырёх газоразрядных труб длинной 6,5 м, которые размещены в жёсткой стальной трубе диаметром 53 см, оптически соединяются шестью полностью отражающими зеркалами. Зеркала крепиться в специальных водоохлаждаемых гнёздах. Радиусы кривизны этих зеркал 24 метра. В центральной части труб размещены безразрядные промежутки. Установка работает на смеси газов (углекислого, азота и геля) с медленной прокачкой газовой смеси. Мощность непрерывного излучения 800 Вт.

Внешней оптической системой лазера излучение фокусируется в пятно диаметром от 2 до 4 мм. Высокая локальная плотность энергии потока позволяет производить следующие термические операции на поверхности детали:

1) Закалка поверхностного слоя новых деталей на глубину до 0,5 мм.
Режим закалки обеспечивается движением детали со скоростью 5-10 мм/с.
[pic]

Рис. 2.4. Принципиальная схема установки «Кардамон»

1 – рабочая камера; 2- зеркало; 3- линза; 4 – деталь; 5- газовая система; 6 – пульт управления; 7 - генератор напряжения; 8 – насосная система; 9 – приспособление; 10 – плита.

Устройство подачи детали под луч обеспечивает вращательное и поступательное движение в широком диапазоне скоростей.

2) Легирование поверхности детали бором. Режим легирования обеспечивается при скоростях 5-10 мм/с. Применяется для новых деталей.

3) Оплавление предварительно нанесённого на изменённую деталь порошкового слоя толщиной до 0,5 мм. Режим оплавления обеспечивается при скоростях 4-5 мм/с.

2.4. Технология упрочнения

Для разработки осуществления технологического процесса лазерного борирования необходимо решить следующий комплекс взаимосвязанных задач:

1) Выявить основные и вспомогательные режимы обработки;

2) Выявить взаимосвязь параметров с элементами упрочненной поверхности материалов;

3) Разработать оптимальную схему обработки поверхности;

4) Выбрать оснастку;

5) Разработать схему базирования детали под лучом;

6) Выбрать обмазочные материалы, увеличивающие поглощение лазерного излучения, и средства их нанесения;

7) Обеспечить максимальную производительность процесса путем его механизации и автоматизации.

Технология непрерывного лазерного борирования имеет ряд преимуществ по сравнению с импульсной лазерной обработкой. Во-первых, нет ограничения по длительности лазерного воздействия. Это позволяет увеличить производительность и геометрические размеры упрочненных зон, а также в более широком интервале изменять структуру и свойства зоны обработки, так как возможно осуществление процесса, как с плавлением, так и без плавления поверхности. Во-вторых, по длине упроченных полос нет зон многократного нагрева, и, следовательно, имеется возможность увеличения равномерности свойств по поверхности.

В случае применения непрерывного лазерного воздействия необходимо принимать меры к увеличению поглощения излучения.

К основным параметрам непрерывной лазерной обработки относятся:

- мощность излучения (Вт);

- диаметр пятна нагрева (мм);

- скорость перемещения луча по детали (мм/с).

Высокая эффективность лазерной обработки достигается в случае применения специальных поглощающих покрытий, наносимых на поверхность детали в месте ее обработки.

Данная деталь обрабатывается непрерывно, то есть луч скользит по поверхности постоянно с определенным диаметром пятна. Это обеспечивается тем, что линза находится относительно детали всегда на одном расстоянии, т.к. фокус не меняется.

Заканчивают процесс лазерной обработки восстановлением. Восстановление включает в себя промывку деталей от грязи и масла; механическую обработку изношенной поверхности при помощи шлифовальных машин; напыление порошкового материала; установку детали в приспособление; установку режимов работы и скоростных режимов.

3. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

3.1. Лазерная обработка на CO2 - лазере

В качестве способа упрочнения, учитывая вышеизложенный материал и анализируя его предлагается лазерное легирование (борирование) с применением СО2 – лазера.

При лазерном борировании нормализованной стали марки 40Х непрерывным излучением СО2 – лазера в зоне оплавления образуется мелкодисперсный реечный мартенсит с микротвёрдостью 7000 – 8500 МПа.

Зона закалки без оплавления состоит из верхней области, с однородной структурой. В верхней области формируется мартенсит с микротвёрдостью, как в зоне оплавления. В нижней области по глубине не увеличивается неоднородность вследствие и последовательности:

- мартенсит – тростит;

- мартенсит и тростичня сетка;

- тростично – ферритная сетка;

- феррит.

При лазерном борировании используем СО2 – лазер с обрабатывающеё головкой (линзой). Поверхностная обработка осуществляется расфокусированным пучком – двойной переход с перекрывающимися краями. Обработку ведём с помощью сконструированного нами приспособления методом копирования.

3.2. Испытание материала на износ

Испытание материала – сталь 40Х (ГОСТ 1050-88) проводим на машине СМЦ
– 2. Машина предназначена для испытания материалов на износ и определения их антифрикционных свойств при трении скольжения и трении качения, при нормальных температурах с парами образцов диск - диск, диск – колодка и втулка – вал.

Машина модели СМЦ состоит из следующих узлов:

1) Каретка – предназначена для проведения испытаний без смазки и

СО-смазкой с образцами:

- диск по диску при трении качения с проскальзыванием;

- диск- колодка при трении скольжения.

2) Механизм нагружения предназначен для установки образца и приложения нагрузки.

3) Бабка нижнего образца предназначена для установки образца в каретку.

4) Датчик для измерения крутящего момента (момента трения) на машине. Бесконтактный индуктивный датчик состоит из двух частей вращения ротора и статора (неподвижного).

5) Привод электромеханический со ступенчатым регулированием скоростей.

6) Пульт управления – выполняется отдельным узлом, который можно устанавливать отдельно.

Машина СМЦ может работать по двум схемам:

1) С замкнутым кинематическим контуром при фиксированном значении коэффициента проскальзывания образцов в паре трения диск по диску.

2) С открытым кинематическим контуром, когда один из образцов неподвижен, в частности, по схеме вал – втулка.

Принцип работы в обоих случаях заключается в том, что образцы получают относительное движение при заданной нагрузке. При этом они изнашиваются, а момент трения на валу нижнего образца измеряется и записывается. Машина не обеспечивает непосредственное измерение износа в процессе испытания.

В нашем случае испытания будем проводить с круглыми образцами «диск по диску» без смазки.

Устанавливают верхний и нижний образцы. Нижний образец устанавливают на валу, верхний устанавливают и крепят на другом при оттянутой в рабочее положение каретке. Затяжка образцов должна быть достаточной, чтобы не было проскальзывания при работе.

После установки образцов каретку опускают до их соприкосновения .
Одевают нагрузочную скобу на кронштейн.

3.3 Исследование износостойкости покрытия

Образцы подвергались испытанию в течение часа при нагрузке 750 Н, совершая при этом 30 000 оборотов. Материалом для рабочего тела служила сталь ШХ-15, твёрдостью 62...64 НRcэ.

Для проверки процесса изнашивания при внешнем трении применяют величину, называемой интегральной массовой интенсивностью изнашивания.

[pic]

(m - уменьшение массы деталей вследствие изнашивания поверхности;

? – путь трения, на котором произошёл износ;

Аа – номинальная плоскость изнашивания, площадь контакта.

В свою очередь: ? = Пdn; Аа = 0,1 (м2); где d = 38 мм; n = 30 000 об;
S = 10-5 м2.

Проверим образцы из стали 40Х с разной термообработкой на износостойкость:

1) Сталь марки 40Х закалка + высокий отпуск

(m = 0,212 гр = 0,212 * 10-3 кг;

? = Пdn = 3,14 * 38 * 10-3 * 30 000 = 3579,6 м;

Аа = 0,1 * S = 0,1 * 10 * 10-3 * 10-3 = 10-6 м отсюда J1 = 0,212 * 10-3 / 3579,6 * 10-6 = 0,059 кг/м3

2) Закалка + низкий отпуск

(m = 0,102 * 10-3 кг;

J 2 = 0,0285 кг/м3

3) Закалка + высокий отпуск + лазерное борирование

(m = 0,057 * 10-3 кг;

J 3 = 0,016 кг/м3

4) Закалка + низкий отпуск + лазерное борирование

(m = 0,023 * 10-3 кг;

J 4 = 0,0064 кг/м3

Результаты исследований изобразим графически на схеме износостойкости покрытий и занесём в таблицу 3.1:

Таблица 3.1. Износостойкость покрытия

|№ п.п |Термообработка стали 40Х |Масса изношенной |Интенсивность |
| | |поверхности (m * |износа Jg, кг/м3 |
| | |10-3 кг | |
|1 |Закалка + высокий отпуск |0,212 |0,059 |
|2 |Закалка + низкий отпуск |0,102 |0,0285 |
|3 |Закалка + высокий отпуск +|0,057 |0,016 |
| |лазерное борирование | | |
|4 |Закалка + низкий отпуск + |0,023 |0,0064 |
| |лазерное борирование | | |

Вывод

После проверки образцов из стали 40Х с разной термообработкой на износостойкость, получили максимальный результат при закалке с низким отпуском и лазерном борировании, где интенсивность износа составляет

Jg = 0,0064 кг/м3.

.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Введение

Эффективность производства, его технический прогресс, качество выпускаемой продукции во многом зависят от опережающего развития производства нового оборудования, машин, станков, аппаратов, от всемирного внедрения методов технико-экономического развития и анализа, обеспечивающих решение технических вопросов и экономическую эффективность технологических разработок.

Ускорение НТП в машиностроении требует скорейшего внедрения новых методов упрочнения рабочих поверхностей инструмента, технологической оснастки, деталей и механизмов, работающих с большими нагрузками.

Необходим постоянный научный поиск новых и доработка и усовершенствование уже испытанных методов нанесения защитных и упрочняющих покрытий, которые при незначительно увеличивающейся стоимости инструмента, приспособления и т.д., дают немалый экономический эффект, вследствие многократного увеличения срока службы.

4.1. Анализ технологичности конструкции детали «Кулачёк»

Технологическиё анализ конструкции детали обеспечивает улучшение технико-экономических показателей разрабатываемого технологического процесса.

Основные задачи, решаемые при анализе технологичности конструкции обрабатываемой детали сводятся к возможному уменьшению трудоёмкости и металлоёмкости, возможности обработки высокопроизводительными методами, что позволяет снизить себестоимость её изготовления без ущерба для служебного назначения.

Качественные оценки технологичности конструкции:

1) Форма, точность размеров и шероховатость поверхности, с точки зрения выбора метода получения заготовки и назначения поверхностей, подлежащих обработке резанием.

Используя штампованную заготовку, форма которой будет приближена к форме готовой детали, можно увеличить коэффициент использования металла.

2) Форма, точность размеров и шероховатость поверхности, подлежащих обработке резанием, с точки зрения возможности применения простых и производительных схем обработки.

Кулачок по наружному профилю имеет сложную конструкцию. Поэтому необходимо применение специальных станков: копировально – фрезерного или фрезерного станка с числовым программным управлением.

3) Целесообразность термической обработки для получения требуемых прочностных характеристик детали.

Деталь в процессе эксплуатации работает на истирание по профилю и внутреннему диаметру ( 60Н7, по этому рабочие поверхности можно подвергнуть цементации с последующей закалкой 57 .. 63 HRC ТВЧ.

Определение типа производства

Годовая производственная программа N = 1000 штук в год, масса детали составляет 2,7 кг. Согласно рекомендациям [11] устанавливаем серийный тип производства.

В таком производстве изготовление деталей осуществляется партиями, запускаемыми в производство одновременно. Это обеспечивает повторяемость операций и возможность широкого использования специализированного и специального оборудования, оснастки.

Величина партии деталей определяется

[pic], где t – число дней, на которые необходимо иметь запас деталей на складе при 5 – дневной 2-х сменной рабочей недели для обеспечения непрерывной сборки;

[pic] - число рабочих дней в году. t = 8 – 10 дней [11] [pic] = 253 дня [11]

[pic],

Выбор способа получения заготовки. Для условий серийного производства выбираем в качестве заготовки штамповку на горизонтально кованой машине II класса точности. [1]

Рассчитаем массу заготовки mз = ? * vз, где

? = 7,814 г/см3 – плотность металла [7] vз – Объём заготовки, см3 vз = 3,14 * 8,02 * 2,6 + 3,14 * 6,052 * 0,6 – 3,14 * 2,82 *3,2 = 512,7 см3 mз = ? * vз = 7,8 * 512,7 = 3998 гр = 3,998 кг

Коэффициент использования металла

Ким = mд / mз = 2,7 / 3,998 = 0,675

Себестоимость заготовки

Sзаг = (С / 1000 * mз * Кт * Кс * Кв * Км * Кп) – (mз - mд) * Sотк /
1000, руб [5]

Ci = 18900 руб/т стоимость 1 т заготовки [5]

Sотх = 1788 руб/т стоимость 1 т отходов

Кт, Кс, Кв, Км, Кп – коэффициенты, зависящие от класса точности, группы сложности, массы, марки материала и объёма производства заготовки.

Кт = 1; Кс = 0,87; Кв = 1,14; Км = 1,18; Кп = 1

[pic]

Рис. 4.1 Эскиз штамповки
Sзаг = (18900/1000 * 3,998 * 1 * 0,87 * 1,14 * 1,18 * 1,0) – (3,998 – 2,7)
* 1788/1000 = 86,2

Маршрутный технологический процесс

000 Заготовительная

Штамповка на ГКМ и зачистка от окалины

005 Карусельно – фрезерная

1 переход фрезеровать торец бобышки (130

010 Токарная

А Установить в 3-х кулачковый патрон

1 переход подрезать торец начерно

2 переход подрезать торец начисто

3 переход расточить начерно

4 переход расточить начисто

5 переход снять фаску 1 х 450

015 Сверлильная

А Установить в приспособление

1 переход снять фаску 1 х 450

017 Сверлильная

1 переход центровать 4 отверстия

2 переход сверлить и снять фаску

3 переход нарезать резьбу М8-6q в 4 отверстиях

020 Копировально – фрезерная

А Установить на жёсткую оправку (60Н7

1 переход фрезеровать наружный контур

025 Слесарная доводка профиля Ra = 0,8 мкм

Расчёт припуска +0,030

Поверхность (60Н7

Отверстие обрабатывается черновым растачиванием Н9 + 0,074

Отверстие обрабатывается чистовым растачиванием Н7 + 0,030

Точность заготовки +1,2 - 0,7 [10]

Припуск рассчитываем аналитическим методом [10]

[pic]

[pic] - высота микронеровностей, оставшихся после выполнения предыдущего перехода, мкм

[pic] - дефектный слой после предыдущего перехода, мкм

[pic] - суммарное значение пространственных отклонений после предыдущего перехода, мкм

[pic] - погрешность установки на выполняемом переходе, мкм

Черновое растачивание

[pic] = 150 мккм; [pic] = 200 мкм;

[pic] = [pic], [pic] = 300 мкм [10]

[pic] - погрешность смещения отверстия, мкм

[pic] - эксцентриситет отверстия, мкм

[pic] = 450 мкм; [pic] = 500 мкм; [10]

[pic] = [pic]=675 мкм

Lt, min = 21150 + 200 + [pic]=2 * 1090 мкм = 2180 = 2,2 мм

Чистовое растачивание

[pic] = 50 мккм; [pic] = 50 мкм; [10]

[pic] = 0,06 *[pic] = 0,06 * 675 = 40 мкм

[pic] = 300 мкм [10]

Lt, min = 2150 + 50 + [pic]=2 * 402 мкм = 804 мкм = 0,8 мм

Таблица 4.1. Межоперационные размеры
|Техноло|Элементы |Расчёт|Допус|Расчётн|Предельные|Прицельные |
|г. |припуска, мкм |ный |к, мм|ый |размеры, |рипуска, мм|
|переход| |припус| |размер,|мм | |
|ы | |к, мм | |мм | | |
|005карусельно-фрез|330000 |10 |3,16 |1,48 |2 |1 |1 |
|ерный 621 М | | | | | | | |
|010 |315000 |4,5 |3,0 |1,16 |2 |1 |1 |
|токарно-револьверн| | | | | | | |
|ый | | | | | | | |
|015 сверлильный |230000 |11 |1,42 |1,92 |2 |1 |1 |
|2Г175 | | | | | | | |
|020 |360000 |7,5 |2,7 |2,17 |2 |1 |1 |
|копировально-фрезе| | | | | | | |
|рный 6М13К | | | | | | | |

Оперативное время рассчитывается по формуле:

[pic], [pic] где [pic]- сумма основного времени m- переходов, минуты;

[pic]- сумма вспомогательного времени m- переходов, минуты.

Тогда, оперативное время на операциях потока:
005 карусельно-фрезерная [pic]мин;
010 токарная [pic]мин;
015 сверлильная [pic]мин;
020 копировально-фрезерная [pic]мин.
Штучное время определяется по формуле:

[pic] [pic] где а- процент перерывов на техническое и организационное обслуживание рабочего места, на отдых и личные надобности рабочего.

Тогда, штучное время на операциях потока:
005 карусельно-фрезерная [pic] мин;
010 токарная [pic]мин;
015 сверлильная [pic]мин;
005 копировально-фрезерная [pic]мин.
Штучно- калькуляционное время рассчитывается по формуле:

[pic] [pic] где [pic]- подготовительно- заключительное время, мин.;

П- размер партии деталей, который определяется по формуле:

[pic][pic]

где [pic]- число дней, на которое нужно иметь запас деталей на складе, для легких деталей [pic]=5 дней.

Тогда, штучно-калькуляционное время на операциях потока:

005 карусельно-фрезерная [pic]мин;
010 токарная [pic]мин;
015 сверлильная [pic]мин;
005 копировально-фрезерная [pic]мин.
Норма выработки за смену определяется по формуле:

[pic] [pic]

Тогда, норма выработки на операциях потока:
005 карусельно-фрезерная [pic]шт.
010 токарная [pic]шт.
015 сверлильная [pic]шт.
005 копировально-фрезерная [pic]шт.

Страницы: 1, 2, 3, 4