РРЕФЕРАТ

Шорина Е. Д. Разработать технологический процесс упрочнения кулачка главного вала с использованием лазерного излучения: Дипломный проект Димитровградский институт технологии управления и дизайна. № 1707.06.04. Димитровград, 2004 – 116с.: 14 ил. + 7 черт.

Лазер, закалка, карбюризатор, кулачок главного вала, износостойкость, упрочнение, борирование, поток, такт.

В процессе выполнения дипломного проекта проведено описание методов упрочнения. Выбран способ и технология упрочнения кулачка. Проведено испытание на износ материала. Произведён выбор оборудования, режущего и мерительного инструмента, разработан технологический процесс. Рассчитана эффективность изготовления данной детали. Разработали ряд мероприятий по предотвращению несчастных случаев, даны рекомендации по правильному использованию и организации производства.

Сделаны выводы и рекомендации по упрочнению кулачка с использованием лазерного излучения.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1. МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ 8

1.1. Термическая обработка 8

1.1.1. Химико-термическая обработка 8

1.1.2. Борирование 9

1.1.3. Плазменная обработка 11

1.1.4 Лазерная обработка 12

1.2 Лазерная установка 14

1.3. Термическая обработка материалов лазерным излучением 16

1.4. Физические основы упрочнения лазерным излучением 17

1.5. Воздействие непрерывного лазерного излучения на сплавы на основе железа 19

1.6. Упрочнение кулачка главного вала 24

2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ 28

2.1. Назначение узла «вал главный» автомата хладновысадочного 28

2.2. Выбор способа упрочнения кулачка главного вала 29

2.3. Приспособление для упрочнения 34

2.4. Технология упрочнения 45

3. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ 47

3.1. Лазерная обработка на CO₂ - лазере 47

3.2. Испытание материала на износ 47

3.3 Исследование износостойкости покрытия 49

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 51

Введение 51

4.1. Анализ технологичности конструкции детали «Кулачёк» 51

4.2. Выбор оборудования, режущего, вспомогательного и мерительного инструментов 58

4.3. Расчёт режимов резания 60

4.4. Нормирование технологического процесса 66

4.5. Расчёт специального калибра-пробки для контроля отверстия 60Н7 +0,030 68

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 72

Введение 72

5.1. Расчет параметров потока 72

5.2. Расчет себестоимости изготовления детали 80

5.3. Технико-экономические показатели потока 85

Вывод 87

6. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 88

Введение 88

6.1. Общие вопросы безопасности труда 89

6.2.Мероприятия по обеспечению нормальных санитарно-технических условий 95

6.3. Мероприятия по предотвращению несчастны случаев, обеспечению безопасности эксплуатируемого оборудования и транспортных средств 103

Вывод 109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 110

ЛИТЕРАТУРА 111

ПРИЛОЖЕНИЯ 115

ВВЕДЕНИЕ

Обработка материала сфокусированным излучением лазера является научным и техническим направлением технологии машиностроения и других областей промышленности, появившимся после 1960 года, когда были созданы мощные импульсные генераторы монохроматического излучения.

Лазерная обработка материалов не является ещё установившимся и законченным разделом теории и практики обработки материалов концентрированными потоками энергии. Однако в разработке теоретических основ процессов воздействия мощных световых потоков на материалы и в практических применениях указанных процессов достигнуты значительные успехи.

Применение различных типов лазеров во многих областях машино – и приборостроения и правильная их эксплуатация не возможны без чёткого представления о принципах работы оптических квантовых генераторов и об основных физических явлениях, в них происходящих.

Преимущества и перспективность использования лазеров в машиностроении определяются не только прогресса в области собственно лазерной техники, но и умелым, научно обоснованным выбором оптимальных для каждого конкретного применения режимов работы лазера и параметров его излучения.

Промышленная обработка материалов стала одной из областей наиболее широкого использования лазеров, особенно после появления лазеров высокой мощности. Лазерный луч применяется для резания и сверления отверстий, сваривания материалов и термообработки, обработки тонких металлических и неметаллических плёнок, получения на них рисунков и микросхем. Доводка номиналов пассивных элементов микросхем и методы получения на них активных элементов с помощью лазерного луча получили дальнейшее развитие и применяются в производственных условиях. При чём лазерная обработка материалов позволяет повысить эффективность и конкурентоспособность по сравнению с другими обработками.

1. МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Термическая обработка

Поверхностным упрочнением называется упрочнение поверхностного слоя детали за счёт изменения его химического состояния или структуры.

Для получения стали с наибольшей прочностью и твёрдостью необходима термическая обработка – закалка. Термообработка – это совокупность операций технологии теплового воздействия на материал с целью изменения его структуры и потребительских свойств в нужном направлении. Упрочнение поверхности может быть достигнуто: химико-термической, плазменной, лазерной обработкой и др.

1.1.1. Химико-термическая обработка

Одним из главных средств улучшения качества стальных деталей – повышения их прочности, твёрдости и износостойкости – является химико-термическая обработка, заключающаяся в насыщении поверхности углеродом, азотом, хромом, бромом и другими элементами. При введении в поверхностный слой хрома, кремния, алюминия и других элементов можно придать изделию устойчивость против коррозии, жаростойкость, кислотоупорность и другие свойства.

В промышленности получили широкое распространение следующие виды химико-термической обработки:

- цементация – насыщение углеродом;

- азотирование – насыщение азотом;

- цианирование – одновременное насыщение углеродом и азотом;

- диффузионная металлизация – насыщение различными элементами (кроме углерода и азота), например, хромом, бромом, алюминием и другими. Каждый из этих способов имеет свои особенности, преимущества и недостатки.

1.1.2. Борирование

Борирование – насыщение поверхностного слоя металлических изделий бором. К борированию прибегают, главным образом, с целью повышения поверхностной твердости изделий, их износостойкости, реже – коррозионной стойкости и теплостойкости. Борированию подвергают поверхности изделий из железа, сплавов на его основе, а также тугоплавких металлов, используя явление диффузии. Различают борирование твердое, жидкое, газовое.

При твердом борировании очищенные изделия помещают в герметичный или негерметичный контейнер, засыпая их реакционной смесью, состоящей из порошкообразного боризатора (аморфного бора, карбида бора, ферробора и др.), инертной добавки (окиси алюминия, кварцевого песка, тонкоизмельченного шамота), вводимой для предотвращения спекания или налипания смеси на поверхность изделий, и активатора (галогенида, обычно NH4Cl) в соотношении примерно 60:35 – 39:1 – 5. Изделия укладывают так, чтобы вокруг них был слой реакционной смеси тощиной не менее 20 -30 мм. Хорошее качество диффузионного слоя достигается также при насыщении углеродистых и легированных сталей в смеси карбида бора и буры. Для получения слоя боридов толщиной 0,1 – 0,3 мм насыщение проводят при температуре 900 – 1000 ^оС в течение 5 - 6 часов.

Разновидностью твердого является вакуумное борирование, осуществляемое в вакуумно-плотных контейнерах при остаточном давлении 10^-3 рт.ст. При высоких температурах испарения аморфного бора или карбида бора образуются пары этого элемента, которые конденсируются на обрабатываемой поверхности, и атомарный бор диффундирует в металл.

Жидкостное борирование проводят при температуре 850 – 1000 ^оС в расплавах различных солей с введением в них борсодержащих компонентов. Жидкостное электролизное борирование обычно осуществляют в расплаве буры, иногда с добавкой карбида бора. Стальное изделие подключают в качестве катода в цепь постоянного тока, анодом служит предварительно борированный тигель из жаростойких и нержавеющих сталей. Удовлетворительной стойкостью обладают также пропитанные бурой графитовые и керамические тигли. При расплавлении бура диссоциирует термически, а также вследствие наложения постоянного электрического тока с выделением атомов активного бора, диффундирующего в обрабатываемое изделие. Насыщение проводят при плотности тока 0,15 – 0,25а/см². Жидкостное диэлектролизное борирование осуществляют в расплавах буры с добавлением карбида бора. Хорошие результаты получаются при соотношении этих компонентов 60 : 40. Диффузионный слой можно создать также в расплавах солей NaCl и BaCl с добавлением карбида бора.

Газовое борирование проводят при термическом разложении газообразных соединений бора – диборана (В₂Н₂), трёххлористого бора (ВСl₃) и др., чаще всего в смеси с водородом в соотношении соответственно 1:25-100. При температуре выше 500 ⁰С диборан почти полностью ращлагается на активный бор и водород, которые и омывают насыщаемое изделие. При газовом борировании насыщение протекает интенсивнее, чем при твёрдом или жидком: за 2-5 ч. при температуре 800-900 ⁰С образуется слой боидов толщиной 0,1-0,2 мм. На изделиях из железа и углеродистых сталей диффузионный слой отличается иглообразным строением и состоит из 2 фаз- ромботического борида FeB (16,25%B) на поверхности и находящегося под ним тетрагонального борида Fе₂В (8,48%), микротвёрдость составляет 1800 ÷ 2000 и 1600 ÷ 1800 кгс/мм². Под слоем боридов находится переходная зона, эта зона состоит из твёрдого раствора бора и других легирующих элементов.

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.

1.1.3. Плазменная обработка

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.

1.1.4 Лазерная обработка

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.