Разработка технологического процесса упрочнения кулачка главного вала с использованием лазерного излучения (стр. 6 из 16)
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:
- предел контактной выносливости при базовом числе циклов. По табл. 3.2 для углеродистых сталей с твёрдостью поверхности зубьев менее НВ 350 и термообработкой (улучшением). = 2НВ +70Для шестерни:
= 2 * 230 + 70 = 530 МПаДля колеса:
= 2 * 200 + 70 = 470 МПаКHL = 1- коэффициент долговечности
[Sн] = 1,10 – коэф. безопасности
Для шестерни
Для колеса
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:
Уточним модуль
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 = ψ ва * dw = 0,4 * 200 = 80 мм
Ширина шестерни:
в1 = в2 + 5 мм = 85 мм
Коэффициент ширины шестерни по диаметру:
ψ вd = в1 / d1 = 85 / 80 = 1,06
Окружная скорость колёс и степень точности передачи
где
При такой скорости колёс следует принять 8- ю степень точности ГОСТ 1643-81.
Коэффициент нагрузки:
Кн = Кнβ * Kнα * Kнv
Кнβ = 1,10 при НВ < 350 [табл. 3.5 [1]]
Kнα = 1,16; Kнv = 1
Кн = 1,10 * 1,16 * 1 = 1,276
Проверка контактных напряжений
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.
 |
Рис. 2.2. Схема приспособления для лазерного борирования
1. Зеркало
2. Линза
3. Кулачёк
4. Ползун
5. Плита
6. Стойка
7. Пружина
8. Редуктор
 |
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.
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.
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: