Второй слой соответствует нагреву в межкритическом интервале температур, здесь имеет место неполная закалка. Для доэвтектоидных сталей она дает вследствие сохранения ферритных зерен пониженную твердость в сравнении с первым слоем. Для заэвтектоидных сталей твердость второго слоя выше, чем первого. Это объясняют присутствием цементита в высокодисперсном виде, который дополнительно упрочняет сталь. Твердость в зоне (Рис. 7) обработки стали 20 достигает 7500 мПа при перемещении образцов с v = 0,6 – 1,8 м/мин, чего нельзя достичь обычной закалкой. При этом глубина зоны упрочнения равна 500 мкм.

В образцах из стали У12 во второй зоне, зоне термического влияния, наблюдается неоднородность структуры, что подтверждается пониженной травимостью участков, расположенных на месте сетки вторичного цементита. Указанные участки характеризуются увеличенным количеством аустенита. Анализ кривых распределения твёрдости в образцах из сткли У12 показывает, что минимальной скорости перемещения образца твёрдости первого и второго слоёв зоны близки, тогда как пи более высоких скоростях твёрдость второго слоя заметно выше. Это обстоятельство определяется более равномерным распределением углерода в аустените за более длительное время лазерного нагрева. Твёрдость мартенсита при содержании углерода до 0,6% линейно зависит от последнего и практически не зависит от него при большом количестве углерода в стали.

Исследовали образцы из стали 35 с исходной ферритно-перлитной структурой. После воздействия излучения лазера на СО₂ обработка сопровождается оплавлением поверхности до скорости 2,4 м/мин, а при скоростях перемещения образцов ~ 2,6 м/мин и более оплавления не наблюдается. Зона лазерного воздействия при скоростях перемещения образцов 0,6- 1,8 м/мин состоит из четырёх слоёв. Первый, оплавленный слой характеризуется пониженной травимостью и микротвёрдостью Нм = 8 000 мПа, превышающей твёрдость стали в исходном состоянии в 4 раза. Микроструктура этого слоя представляет собой мартенсит и некоторое количество остаточного аустенита. Во втором слое микроструктура – мартенсит с иглами размером в 2 – 4 раза большим, чем в первом. Третий слой – зона не полной закалки со структурой из мартенсита, троостита, феррита. Четвёртый слой также является зоной неполной закалки, однако отличается от третьего полным отсутствием троостита, наличием ферритной сетки и более высокой твёрдостью.

Распределение твёрдости по глубине зоны, подвергнутой лазерной обработке при различных скоростях перемещения луча приведено на рис. 1.5.

Наблюдаемые различия в структуре и твёрдости слоёв зоны в стали 35, обрабатываемой непрерывным излучением лазера на СО₂, объясняют различными условиями их нагрева и охлаждения.

1.6. Упрочнение кулачка главного вала

В течение последних трёх – пяти лет появились мощные газовые лазеры, обеспечивающие в режиме непрерывной генерации мощность порядка нескольких киловатт. Благодаря этому стало возможным осуществлять новую технологическую операцию – термическую обработку металлических поверхностей. Это особенно важно для обработки таких поверхностей, где мощный лазерный луч имеет преимущества или где геометрия обрабатываемых изделий создаёт трудности для применения традиционного теплового метода. Лазерная обработка применяется для закалки стальных поверхностей, высокоскоростного отжига фольги, удаления плёнок и других поверхностных осаждений, а также вникания порошкового материала в металлическую поверхность.

Образование тонкого твёрдого поверхностного слоя у стали путём её подогрева и последующего быстрого охлаждения играет важную роль во многих технологических операциях. Обрабатываемыми деталями могут быть зубчатые колёса, шпоночные канавки, зубчатые муфты, распределительные валы, концы пальцев толкателя, ножи различных машин, а также данный на упрочнение кулачёк. Поскольку допустимый износ у стали является малой величиной, то увеличение срока службы кулачка достигается за счёт создания поверхностного слоя. Одной из важных особенностей поверхностного упрочнения является сохранение качества основной массы металла, которая также разогревается вместе с поверхностным слоем.

Для кулачка главного вала основным процессом при закалке является нагревание поверхности до температуры, при которой исчезает аустенитная структура. При этом углерод начинает существовать как твёрдый раствор карбида железа в гамме железа. Затем происходит охлаждение до температуры, при которой ещё не успеет образоваться устойчивое состояние перлита с ферритом или цементитом, а образуется очень прочный, твёрдый раствор карбида в α – железе, известный как мартенсит. Необходимая скорость охлаждения зависит от состава стали и имеет значение порядка 30 – 40 ⁰С до тех пор, пока температура не достигнет порядка 250 ⁰С. Для получения указанной скорости охлаждения применяют охлаждающие жидкости.

При лазерной закалке количество энергии, вложенные в металл, является достаточным для поверхностного нагрева, а масса металла кулачка остаётся холодной. В этом случае нагретая поверхность будет охлаждаться за счёт теплопроводности с достаточно высокой скоростью.

Для закалки кулачка из стали 18 ХГТ, применим закалку при температуре 780 – 800 ⁰С с последующим охлаждением. Лазерный луч диаметром 5 мм, перемещаем по поверхности со скоростью 1,4 м/мин. Используем непрерывный СО₂ - лазер мощностью 2,8 кВт. При такой обработке поверхностный слой в результате двойного прохода луча СО₂ - лазера стал в три раза выше.

Температурную обработку кулачка можно производить в различных средах (вода, воздух, различные газы). Более высокое упрочнение стали имеет место при её обработке в жидких средах.

При воздействии импульса излучения на шлифовальную поверхность кулачка возникает узкая зона расплавленного металла, микротвёрдость которой отлична от микротвёрдости основного металла. На поверхности микротвёрдость составляет Н₅₀ = 350, увеличивается в глубь обьёма материала, достигая Н₅₀ = 450. В зоне термического влияния микротвёрдость увеличивается до Н₅₀ = 45 ÷ 500 и уменьшается далее в глубь металла до Н₅₀ = 158, а затем микротвёрдость возвращается к исходному значению.

Полный цикл термообработки требует 1 – 2 с. Максимальная глубина упрочнённой лазером зоны 1 – 2 мм. Такой глубины достаточно для повышения износостойкости, прочности и усталостной сопротивляемости.

Обычные методы закалки, такие как поверхностная закалка часто вызывают искажение формы металла, что необратимо портит изделие или требует больших затрат на доводку.

Цементация и азотирование поверхности занимают много времени, для них требуется высокая плотность поддержания газового состава. При этом нельзя обрабатывать большие площади. Искажение кулачка также минимальное в сравнении с другими методами.

По сравнению с другими источниками тепла геометрия лазерного луча легко изменяется оптическими системами. Лазерный луч передаётся на расстояние, фокусируется или расширяется специальными линзами. Таким образом, диаметром луча можно управлять дистанционно. Его даже можно разделять одновременно на различные участки кулачка.

Закалка не требует специального охлаждения. Поверхность обработанного кулачка остаётся чистой.

2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Назначение узла «вал главный» автомата хладновысадочного

Автомат хладновысадочный предназначен для изготовления деталей из проволоки методом холодной высадки. Автомат хладновысадочный состоит из следующих основных узлов: главного вала, узла подачи проволоки, узла подачи ножа, узла высадки заклёпки, узла отрезки, привода, станины, электрооборудования, ограждения, разматывающего устройства, узла правки и пневмооборудования.

Главный вал автомата хладновысадочного устанавливается на подшипниках в корпус 1 (см. сбор. чертёж). С правой стороны вала крепится кулачёк 4 и шкив 3, а с другой стороны в пазу вала 2 крепится эксцентрик 5. На эксцентрике 5 устанавливается подшипник 65 с хомутом 9 (см. Г-Г) и державка 6 (см. А-А). В пазу держаки 6 крепится болт 10, на котором закреплён подшипник 64 с обоймой 15 (см. Д-Д).

Главный вал получает вращение через клиноременную передачу от привода и приводит в движение другие узлы: посредством кулачка 4 перемещается шток узла отрезки проволоки; опора 7, закреплённая на хомуте 9 (см. Г-Г), перемещает ползун узла высадки заклёпки; обойма 15 через тягу поворачивает обгонную муфту узла подачи проволоки. Величину хода ползуна узла высадки заклёпки регулируют путём перемещения эксцентрика 5 в пазу вала 2, а угол поворота обгонной муфты – перемещением болта 10. Подачу проволоки осуществляют двумя роликами, которые устанавливаются на плите станины станка. При рабочем ходе заготовка из проволоки выдвигается в матрицу и опрессовывается; полученная заклёпка выталкивается пуансоном, на который воздействует упорная планка, далее заклёпка сбрасывается под воздействием кулачка на рычаг узла сбрасывания.

2.2. Выбор способа упрочнения кулачка главного вала

Для увеличения твёрдости и износостойкости деталей сложной конфигурации, а также для снижения себестоимости детали подвергают упрочнению методом лазерного воздействия, изменению свойств поверхностного слоя, что в итоге даёт возможность изготавливать детали из более дешёвого сырья.

Изменение свойств поверхностных слоёв материала с помощью лазерного излучения можно производить в результате насыщения поверхности легирующими элементами (Сr, A,B,C). Эти элементы, растворившись в основном металле, в сочетании с ним образуют новый слой с особыми свойствами.

По сравнению с ранее известными способами (азотирование, цементация, наплавление и др.) модификация поверхности легированием при локальном лазерном нагреве и высоких скоростях плавления и кристаллизации обладает целым рядом преимуществ:

- экономией легирующего материала;

- минимальный объём последующей механической обработки;

- отсутствием необходимости в последующей термообработке;

- достаточно хорошей контролируемостью процесса;

- высокой скоростью процесса и высоким качеством изделия;

- хорошей воспроиводимостью параметров упрочняемого слоя и др.

Процесс лигирования позволяет получать на поверхности деталей из углеродистых материалов микрообъёмы новых сплавов с заданными свойствами и повышать их теплостойкость до 300 – 400 ⁰С. Рекомендуется для поверхностного легирования использовать такие дешёвые материалы, как например стали Ст. 3, 45, У8А, У10А, и на поверхности деталей, инструмента, изготовленных из них создавать микрообъёмы со свойствами, обусловленными свойствами детали, инструмента и т.п.

На поверхность материала легирующий элемент наносится различными способами:

- накатыванием (фольги из легирующего элемента);

- электролитическим осаждением;

- детонационным покрытием;

- плазменным напылением;

- нанесением обмазки и связующего вещества и т.д.

Лазерное термоупрочнение сталей заключается в формировании на этапе нагрева аустенитной структуры и её последующем превращением в мартенсит на этапе охлаждения.

При лазерной обработке без оплавления решающей стадией является нагрев, т.к. при последующем высокоскоростном охлаждении фиксируется превращение при нагреве. При нагреве сплавов железа в точке Ас₁ диаграммы состояния железо – углерод начинается превращение перлита в аустенит.

Высокоскоростной нагрев, характерный для лазерной обработки, изменяет кинетику образования аустенита. Подводимая тепловая энергия превосходит по величине энергию, необходимую для перестройки кристаллической решётки, а сама перестройка происходит с некоторой конечной скоростью. Вследствие этого превращение осуществляется не изотермически, а в некотором интервале температур от Ас₁^нач до Ас₁^кон , то есть происходит смещение конца аустенитного превращения в область высоких температур (рис. 2.1 область 1).

Рис. 2.1. Диаграмма состояния Fe – Fe₃ S

Вследствие высокой скорости нагрева диффузионные процессы перестройки решётки объёмноцентрированного куба избыточного феррита в решётку гранецентрированного куба избыточного аустенита могут не закончиться на линии GS диаграммы Fe – Fe₃ S и происходит сдвиг точки Ас₃ в область более высоких температур (рис. 2.1. область 2). Так же происходит смещение точки Ас_м и обусловленное этим микроплавление границы цементита с аустенитом (рис. 1.4, область 3).

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.