Способ поверхностной термической обработки изделий

 

. Изобретение относится к термической обработке материалов с помощью высокоэнергетических источников нагрева , в частности к лазерной и электронно-лучевой обработке поверхности, и может быть использовано для улучшения эксплуатационных свойств изделий. Цель изобретения - повышение качества обработки за счет равного времени воздействия излучения на точки поверхности зоны обработки, перемещающиеся с разными линейными скоростями . Способ предусматривает формирование пятна нагрева в виде кольцевого сектора зоны обработки, для чего лазерный луч направляют через неподвижную маску с изображением сектора, угол между образующими которого выбирают из условия максимального заполнения пятна нагрева, формируемого лазером , причем n/oC const, где п - частота вращения изделия вокруг своей оси;& - угол между образующими . Сформированный таким образом лазерный луч направляют на поверхность кольцевого вращающегося изделия и производят его обработку по всей поверхности при условии равного времени воздействия излучения на точки обрабатываемой поверхности, перемещающиеся с различными линейными скоростями. 2 ил. % IB

(51)5 С 21 11 1/09 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПРИ fHH7 СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 44951 75/02 (22) 22. 09.88 (46) 30.01.91. Бюл. 9 4 (71) Научно-производственное объединение подшипниковой промышленности (72) К.Д.Семкин, Л.В.Черневский и А.А.Сидоров (53) 621.9.048.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР.

В 1422667, кл. С 21 Р 1/09, 20.06,87.

Заявка Японии В 60-46892, кл. В 23 К 26/06, 1985. (54) СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОЙ ТЕРМИЧЕСКОИ

ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к термической обработке материалов с помощью высокоэнергетических источников нагрева, в частности к лазерной и электронно-лучевой обработке поверхности,и может быть использовано для улучшения эксплуатационных свойств изделий.

Цель изобретения — повышение качества обработки эа счет равного времени

Изобретение относится к термической обработке материалов с помощью высокоэнергетических источников нагрева, в частности к лазерной и электронно-лучевой обработке поверхности, и может быть использовано для улучшения эксплуатационных свойств изделий.

Цель изобретения — повышение качества обработки за счет равного времени воздействия излучения на точки поверхности зоны обработки, перемещаюг иеся с разными линейными скоростями.

„SU„„3624031 А 1

2 воздействия излучения на точки поверхности зоны обработки, перемещающиеся с разными линейными скоростями. Способ предусматривает формирование пятна нагрева в виде кольцевого сектора зоны обработки, для чего лазерный луч направляют через неподвижную маску с изображением сектора, угол межлу образующими которого выбирают иэ условия максимального заполнения пятна нагрева, формируемгго лазером, причем n/ô. const, где

n — частота вращения изделия вокруг своей оси; ф - угол между образующими. Сформированный таким образом лазерный луч направляют на поверхность кольцевого вращающегося иэдехщя и производят его обработку но всей поверхности при условии равного времени воздействия излучения на точки обрабатываемой поверхности, перемещающиеся с различными линейньачн скоростями. 2 ил.

Согласно способу, включающему обработку высокоэнергетическим источником нагрева, образующим на поверхности изделия пятно нагрева, перемещение пятна нагрева по поверхности изделия с разными по ширине зоны обработки радиусами вращения точек поверхности, формируют пятно нагрева в виде сектора кольца эоны обработки, угол между образующими которого выбирают из условия максимального заполнения пятна нагрева, формируемого высокоэнергетическим источником, при этом n/ф = const.

1624031

Формирование пятна нагрева в виде сектора зоны обработки позволяет устранить действие эффекта изменения линейных скоростей точек поверхности зоны обработки от радиуса вращения

5 при обработке по предлагаемому спо собу. Пятно нагрева в ниде сектора эоны обработки позволяет обеспечить условия равного времени воздействия излучения на точки поверхности зоны обработки вне зависимости линейного изменения скорости перемещения этих точек.

Формирование пятна нагрева н ви5 де сектора зоны обработки иэделий— единственная оптимальная форма пятна нагрева, обеспечивающая получение равномерного по толщине закаленного слоя, в случае изменения ли- 0 нейных скоростей перемещения точек поверхности по ширине зоны обработки.

Так, для точек поверхности зоны обработки с меньшим радиусом вращения и, соответственно, меньшей линей- 25 ной скоростью перемещения отношение ширины пятна нагрева н направлении перемещения к скорости перемещения равно аналогичному отношению для точек поверхности зоны обработки с большим радиусом вращения. Данное отношение определяет время воздействия излучения на поверхность иэделия и справедливо по всей ширине зоны обработки

$/Ч (2az, /К) /(211г /n)

n/Ot, = const, где S - ширина пятна нагрева н нап- 4р равлении перемещения, оп еделяемая длиной соответствующей дуги окружности с радиусом

Г1б

Ч - линейная скорость перемеще- 45 ния, r — радиус вращения i-й тачки по1 верхности эоны обработки; ф(, — угол между образующими сектора эоны обработки; 50 и — частота вращения изделия вокруг своей оси.

Любая другая форма пятна нагрева, например плоского, в частности в виде прямоугольника размерами S>h, где S — ширина эоны обработки; h— ширина пятна нагрева, не обеспечивает равное время воздействия иэлучеиия и, следовательно, равную глубину обработки по всей ширине зоны обработки для оговоренного случая перемещения изделия, Так как

h, /V; = Ь; /(211 r, /n) p const, где . - время воздействия нзлучеи

BU. ния на i-ю точку поверхности эоны обработки; — линейная скорость переме1 щения i-й точки;

h — ширина пятна нагрева н напр анле нии пе ре мешен и я, равная дуге окружности с радиусом г ;

Э г, — радиус вращения i-й точки поверхности;

n — частота вращения изделия вокруг своей оси, а h — величина постоянная, так же как частота вращения и, то очевидно, что с унеличением ралиуса г, вращения увеличивается линейная скорость перемещения i-й точки, уменьшается нреи мя воздействия излучения ь 1, 1 вследствие чего наблюдается получение неравномерного по толщине закаленного слоя, Иа фиг, 1 изображена схема поверхностной термообработки по предлагаемому способу; на фиг. 2 - схема поверхностной термообработки колец подшипника 1287 13 по предлагаемому способу.

Схема на фиг. 1 содержит обрабатываемое кольцо 1, пятно 2 нагрева н ниде сектора зоны обработки, лазерный луч 3, маску 4, изображение сектора 5 на маске, пятно нагрена, которое формируется лазером 6.

Схема на фиг, 2 содержит основное внутреннее кольцо 1 п/ш 128713, основное наружное кольцо 2 и/m

128713, луч 3 лазера, пятно 4 нагрена и виде сектора зоны обработки, Пример. Для осуществления лазерной поверхностной термообработки кольца 1 по предлагаемому способу на поверхности эоны обработки кольца формируют пятно 2 нагрева н виде сектора эоны обработки, для чего лазерный луч 3 направляют через неподвижную маску 4 с изображением сектора S, угол между образующими которого выбирают иа углбаия максималаиога яа162403

25 полнения пятна нагрева, формируемо го лазером 6. Ошибка в эксперименI тальком определении угла между образующими сектора при нанесении иэображения на маску не снижает положительный эффект предлагаемого . изобретения, а влияет лишь на глубину обработки. Видоизмененное пятно нагрева фокусируется линзой 7. Эксперименты по поверхностной термообработке проводили на лазерной установке мод.973 "Spectra Physics", Обработке одновременно подвергали основное внутреннее 1 и основное наружное 2 кольца подшипника 128713, материал 55СМ5ФА (фиг. 2).

Изменение линейной скорости перемещения по ширине зоны обработки прн частоте вращения 30 с для подшипника 128713 состанляет: минимальному радиусу г< вращения эоны обработки. равному 37,5 мм, соответствует минимальная линейная скорость перемещения

1 6

O

Ось вращения обрабатываемых колец подшипника 128713 располагают параллельно оси луча на расстоянии

r (r<+ г )/2 = (37,5+56,7)/2

47,1 мм.

Степень расфокусиронки - смещение обрабатываемой поверхности относительно фокуса линзы (расстояние fO )

1 определяют из условия

f0< = О, А < ctpg/2 = О, А ctgs(/2, о гдето(/2 = 5 — полонина угла сходимости луча. (Расстояние О, А, О, A выбирают иэ соотношения

ОА 06-0 75

rt r<

1 2

Ч * (2иг<)/n = (6,28 37,5)/30 =

7,8 мм/с, максимальному радиусу r вращения 30 зоны обработки, равному 56,7 мм, соответстнует максимальная скорость перемещения

Чк (2«rg)/n = (6,28 56,7)30

11,8 мм/с

Пятно нагрева н виде сектора зоны обработки поэноляет обеспечить одинаковое время воздействия ла- 4п эе рного излучения по ширине зоны обработки вне зависимости изменения линейных скоростей перемещения точек поверхности зоны обработки.

Пятно нагрева н виде сектора зоны обработки формируется с помощью маски с иэображением сектора. Для построения требуемого изображения на маску наносят пятно нагрена, формируемое высокоэнергетическим ис- щ точником. Установка генерирует эллипсообразиое пятно нагрева с размерами осей 44 и 38 мм.

Из центра пятна нагрева (точка 0) восстанавливают перпендикуляр к поверхности, на котором откладывают фокусное расстояние линзы - 0

В данном случае применяют фокусирующую линзу с фокусным расстоянием с целью обеспечения полного перекрытия зоны обработки по ширине (56 7-37 5) о

f0 1 = О 7 --- - — - -- ctg5 = 79 мм

Э 2 >

Пересечение линни, пронеденной через фокус f и центр вращения обрабатываемой поверхности (точку С< ), с линией большей оси эллипса определяет точку С, Н3 которой пронодят образующие сектора с углом о(= 20, выбранным иэ условия более полного заполнения пятна нагрева, формируемого высокоэнергетическим источником.

Для построения изображения на маске оснований сектора проводят линии

f13< и ЕВ,, точки пересечения этих линий с большей осью эллипса определяют радиусы оснований сектора.

Каску с изображением сектора устанавливают перед фокусирующей линзой, обеспечивающей необходимую фокусировку пятна нагрева на поверхности колец подшипника 128713.

Обработку ведут лучом мощностью

P 3,4 кВт при частоте п вращения

30 с

В качестве поглощающего покрытия используют фосфат марганца.

I формула иэобре тения

Способ поверхностной термической обработки иэделий, преимущественно

1 624031 колец, включающий обработку высокоэнергетическим источником нагрева, образукицим на поверхности изделия пятно нагрева с перемещением пятна нагрева по поверхности изделия с разными по ширине эоны обработки радиусами вращения точек поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения качества обработки за счет равного времени воздействия излучения нв точки поверхности зоны

1 обработки, перемещающиеся с разными линейнымн скоростями, пятно нагрева формируют в виде сектора кольца зоны обработки, угол между образующими которого выбирают из условия максимального заполнения пятна нагрева, формируемого высокоэнергетическим источником, при этом n/06 const, где Ы, - угол между образующими сектора зоны обработки, n - частота вращения изделия вокруг своей оси.

1Ь24031

Составитель Е. Кашкарова

Техред М.Дидик Корректор Н.РевскаЯ

Редактор М.Петрова

Заказ 170 Тира к Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, 3-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101