Способ лазерной обработки деталей вращения

 

Использование: изобретение относится к области термической обработки стали с помощью концентрированных источников энергии, лазерным лучом и может быть использовано в машиностроении при изготовлении деталей типа тел вращения, работающих в условиях трения со смазкой. Задача изобретения направлена на повышение износостойкости деталей из конструкционных сталей за счет формирования маслоподающего рельефа в зоне нагрева, при этом технический результат заключается в возможности снижения температуры в очаге трения и выноса продуктов трения из зоны эксплуатации. Сущность: в процессе обработки деталь вращают и смещают в осевом направлении, нагревают поверхность лучом лазера непрерывного действия с плотностью мощности 130 - 150 Вт/мм², диаметром расфокусировки 0,8 - 1,0 мм, со степенью перекрытия зон нагрева 10 - 15%, при линейной скорости обработки 45 - 55 мм/с. 1 табл.

Изобретение относится к термической обработке стали с помощью концентрированных источников энергии, а конкретнее лазерным лучом, и может быть использовано в машиностроении при изготовлении деталей типа тел вращения, работающих в условиях трения со смазкой.

Уровень техники заключается в следующем.

Известны способы лазерной поверхностной обработки, при которых на поверхность вращающейся детали воздействуют лазерным лучом, при этом лазерный луч моделируют по его поперечному сечению перпендикулярно оси луча по его интенсивности в зависимости от геометрии поверхности, обрабатываемой лучом, и требуемой глубины проникновения лазерного луча [1] или перед лазерной обработкой осуществляют деформацию поверхности деформирующим элементом [2] Недостатком способа является невысокая износостойкость деталей, так как в зоне трения в результате высокой температуры происходит отпуск металла, теряется твердость, начинается интенсивный износ поверхности.

Наиболее близким к изобретению является способ термической обработки деталей, включающий вращение и осевое смещение детали, нагрев поверхности лучом лазера с формированием локальной зоны, движущейся вдоль витка вращения детали, поддержание температуры на поверхности одного витка в заданном интервале значений и охлаждение [3] Недостатком известного способа является невысокая износостойкость, так как режимы обработки детали не обеспечивают формирование оптимального рельефа в процессе эксплуатации детали, подающего масло в очаг трения.

Изобретение направлено на решение задачи повышения износостойкости деталей из конструкционных сталей за счет формирования маслоподающего рельефа в зоне нагрева (непрерывного обновления масла). При этом технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в возможности снижения температуры в очаге трения и выноса продуктов трения из зоны эксплуатации.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в указанном способе лазерной обработки деталей, эксплуатируемых в условиях трения со смазкой, включающем вращение и осевое смещение деталей, нагрев поверхности, последний осуществляют лучом лазера непрерывного действия с плотностью мощности 130-150 Вт/мм², диаметром расфокусировки 0,8-1,0 мм, со степенью перекрытия зон нагрева 10-15% при линейной скорости обработки 45-55 мм/с. При этом формируется локальная зона, движущаяся вдоль витка вращения детали.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и указанным техническим результатом заключается в том, что в процессе непрерывной лазерной обработки формируется маслоподающий рельеф, движущийся вдоль витка вращения детали, что обусловливает непрерывное обновление масла, обеспечивающее снижение температуры в очаге трения и вынос продуктов трения. Кроме того, в результате лазерного воздействия при указанных режимах на поверхности изделия формируется закаленная зона глубиной порядка 150 мкм и микротвердостью 10000 МПа.

Способ осуществляется следующим образом. Деталь, имеющую форму тела вращения, закрепляют в манипуляторе и сообщают ей вращательно-поступательное перемещение, при этом на ее поверхность воздействуют лучом лазера непрерывного действия. В результате лазерной обработки на поверхности детали формируются дорожки лазерного оплавления, имеющие форму спирали (маслоподающий рельеф). В процессе эксплуатации изделия, на поверхности которого сформирован маслоподающий рельеф, смазочная жидкость попадает во впадины между дорожками, подается в очаг трения, двигаясь по спирали, снижает температуру в очаге трения и вымывает продукты трения из области контакта, постоянно обновляясь. Лазерная обработка лучом непрерывного действия по заявленным режимам обеспечивает получение рельефа с высотой пиков 5-10 мкм и шагом 100-120 мкм, что соответствует 4 классу чистоты поверхности. При образовании рельефа с высотой пиков менее 5 мкм не обеспечивается подача масла в очаг трения, так как оно не удерживается на поверхности детали. При образовании рельефа с высотой пиков более 10 мкм возможно выкрашивание пиков и создание предпосылок для абразивного износа поверхности. При образовании рельефа с шагом более 120 мкм масло не будет удерживаться на поверхности детали, а с шагом менее 100 мкм не будет попадать в маслоподающие канавки в результате действия сил поверхностного натяжения масла.

Триботехнические испытания проводились по схеме диск-колодка на машине трения типа МИ-1М в среде масла И-20 при комнатной температуре, скорость скольжения 1 м/с, продолжительность одного испытания 2 ч, осевая нагрузка 50 кг. Величину износа определяли по потере массы испытываемого образца. Результаты испытаний представлены в таблице.

В качестве контртела использовали образцы из стали 95Х18 с шероховатостью 0,08 мкм (11 класс чистоты) и твердостью 58 HRC. На образцы-диски из стали 40Х диаметром 40 мм воздействовали лучом лазера непрерывного действия с плотностью мощности 130-150 Вт/мм², диаметром расфокусировки 0,8-1,0 мм, со степенью перекрытия зон нагрева 10-15% при линейной скорости обработки 45-55 мм/с.

Результаты испытаний показали, что оптимальными триботехническими характеристиками обладают образцы, подвергнутые лазерной обработке по следующим режимам: плотность мощности луча лазера 130-150 Вт/мм², диаметр расфокусировки 0,8-1,0 мм, степень перекрытия зон нагрева 10-15% линейная скорость обработки 45-55 мм/с.

Формула изобретения

СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ВРАЩЕНИЯ преимущественно из конструкционных сталей, эксплуатируемых в условиях трения со смазкой, включающий вращение и осевое смешение детали, нагрев поверхности лучом лазера, отличающийся тем, что нагрев осуществляют лучом лазера непрерывного действия с плотностью мощности 130 150 Вт/мм², диаметром расфокусировки 0,8 1,0 мм со степенью перекрытия зон нагрева 10 15% при линейной скорости обработки 45 55 мм/с.

РИСУНКИ

Рисунок 1