Разработка технологического процесса упрочнения кулачка главного вала с использованием лазерного излучения (стр. 2 из 16)
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. Недостаток борирования – повышенная хрупкость боридов, которую снижают, вводя в реакционную смесь небольшое количество меди, алюминия и других металлов.
Сущность этой обработки состоит в том, что плазму, имеющую температуру 10 000 – 30 000 0С, направляют на обрабатываемую поверхность заготовки. Этим способом можно обрабатывать заготовки из любых материалов, выполняя прошивание отверстий, вырезку заготовок из листового материала, строгание, точение. При прошивании отверстий, резке и вырезке заготовок, головку ставят перпендикулярно к поверхности заготовки, при строгании и точении – под углом 40 – 60 0. Плазменные головки применяют также для сварки, пайки, наплавки и создания защитных покрытий на деталях.
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. Системы вертикальной и горизонтальной развёрток обеспечивают перемещение луча по всей площади экрана.
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 (аргон, азот и др.) или смесь газов. Обжимая дуговой разряд, газ при соединении с электронами ионизируется и выходит из сопла головки в виде ярко светящейся струи 2, которая направляется на обрабатываемую заготовку 1.
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. Работа оптического квантового генератора основана на принципе стимулированного генерирования светового излучения. Для механической обработки используют твердотелые ОКГ, рабочим элементом которых является рубиновый стержень, состоящий из окиси алюминия, активированного 0,05% Cr.
Рубиновый ОКГ работает в импульсном режиме, генерируя импульсы когерентного монохроматического красного света. Энергия светового импульса ОКГ обычно невелика и составляет 20 -100 Дж.
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.
Рис. 1 Схема плазменной головки
К недостаткам светолучевого метода обработки можно отнести отсутствие надежных способов управления движением луча и необходимость перемещения заготовок, недостаточную мощность излучения при значительной мощности импульсной лампы, низкий КПД рубиновых ОКГ, перегрев рубинового стержня и трудности его охлаждения, сравнительно не высокая точность обработки.
Сегментное собирающее зеркало состоит из нескольких плоских зеркало. Угол между отдельными зеркалами меньше 180о, поэтому совокупность их образует вогнутую поверхность. При этом они направляют излучение в общую точку. Обычно такие зеркала изготавливаются из полированной меди или молибдена, и при «суммировании» излучения мощных лазеров они охлаждаются водой.
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. Кроме того, излучение малой мощности на границе лазерного луча, которого недостаточно, чтобы вызвать процесс термоупрочнения, не теряется, а, напротив, с помощью сегментного зеркала добавляется в пятно фокусировки. Таким образом, распространение интенсивности в пятне фокусировки выравнивается, а прямоугольная форма пятна, в которое фокусируется лазерное излучение, оптимальна для получения однородной зоны закалки.
Рис. 2.1. Лазерная установка
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 «пятнистого» поверхностного упрочнения значительных площадей, при котором не образуется сплошного хрупкого слоя, склонного к растрескиванию, деформированию, отслаиванию и т.п.; получением заданных свойств (механических, химических и других) обрабатываемых поверхностей деталей путем их легирования различными элементами с помощью излучения лазера; отсутствием деформаций обрабатываемых деталей, обусловленных локальностью термообработки, что позволяет практически полностью исключить финишную обработку; отсутствием механического воздействия на обрабатываемый материал, что вместе с бесконтактностью лазерного нагрева обуславливает простоту автоматизации процесса термообработки по контуру, в том числе деталей сложной формы и др.
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.