Разработка технологического процесса упрочнения кулачка главного вала с использованием лазерного излучения (стр. 5 из 16)

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 ÷ 1270 см/мин, время наплавления металла в данной точке не превышает 0,1 ÷ 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 ÷ 1 до 0,81 ÷ 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 d_л = 2 мм; скорость луча v_л = 5 мм/с.

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

С = ПD = 2ПR

Итого С_общ = 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:

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:

. Передаточное число равное передаточному отношению , 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:

[С_OF] = К_FL [С_OF]’.

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

Вращающий момент на валу червячного колеса:

Принимаем предварительно коэффициент диаметра червяка q = 10

Определяем межосевое расстояние из условий контактной выносливости:

, где к= 1,2 – коэффициент нагрузки

Модуль

Принимаем по ГОСТ 2144-76 (табл. 4.2) стандартные значения mи q

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 γ при Z₁ =2 и q = 10,

γ = 11⁰ 19’

Основные размеры венца червячного колеса:

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:

d_ам2 < 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^

Проверка прочности зубьев червячного колеса на изгиб:

Коофициент формы зуба по табл. 4.5 [1]

Y_F = 2,32

Направление изгиба:

что значительно меньше вычисленного выше

[C_OF] = 53,3