способ поверхностной термообработки изделий

Формула изобретения

Способ поверхностной термообработки изделий, включающий формирование пятна нагрева высокоэнергетическим источником и перемещение относительно него поверхности изделия, отличающийся тем, что, с целью повышения качества поверхностного слоя за счет регламентации его глубины и структуры, максимальную относительную скорость перемещения изменяют в пределах 15 20%

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии поверхностной термической обработки посредством высокоэнергетических источников тепла, в частности может быть использовано при обработке замкнутых траекторий и изделий с ограниченной поверхностью, а также для обработки изделий с переменным сечением.

Известен способ термической обработки изделий, при котором осуществляют формирование пятна нагрева и его перемещение относительно поверхности.

Недостатком способа является сложность, а иногда невозможность использования способа. Например, при обработке замкнутых траекторий небольших размеров, когда начальный участок не успевает остыть и подвергается повторному нагреву при завершении процесса.

Наиболее близким по технической сущности является способ лучевой обработки, заключающийся в обработке изделий электронным лучом, в котором перемещение луча осуществляется посредством его поточечного отклонения и нагрев регулируется посредством ЭВМ за счет изменения мощности электронного луча.

Недостатками известного способа являются сложность технологического оборудования и система управления, а также низкое быстродействие системы, не обеспечивающее равномерный нагрев в промежутках между точками.

Целью изобретения является повышение качества поверхностного слоя за счет выравнивания глубины обработки и структуры слоя.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем обработку поверхностей высокоэнергетическим источником тепла при относительном перемещении пятна нагрева с технологической скоростью, при обработке поверхностей с изменяющимися условиями теплоотвода относительную скорость перемещения источника тепла изменяют в пределах 15-20%

Сущность способа заключается в следующем.

Известно, что в процесс термической обработки поверхности, например закалки или упрочнения, основная часть тепла в процессе остывания отводится в тело изделия. Однако существует множество случаев, когда равномерность теплоотвода нарушается. К таким случаям можно отнести обработку изделий с переменным сечением в случае соизмеримости глубины требуемого закаленного слоя и толщины стенки изделия, а также обработку ограниченных или замкнутых поверхностей, когда условия в начале и конце обработки отличаются от условий теплоотвода при обработке основной части поверхности.

Предположим, что при относительном перемещении луча необходимо обработать какую-либо поверхность. Очевидно, что установка режима на обрабатываемой поверхности невозможна, поскольку изменение тока луча от нуля до номинального значения требует определенного времени, а следовательно, оптимальный нагрев будет осуществляться на некотором расстоянии от края поверхности.

Если осуществлять предварительную установку режима с последующим подводом поверхности в зону действия луча, то начальный участок также окажется недогретым. Противоположный эффект наблюдается при завершении обработки на конечном участке при выходе луча с поверхности, т.е. при завершении процесса наблюдается перегрев края изделия. Изменить степень нагрева краевых участков поверхности можно за счет изменения мощности луча, что сопряжено со значительными трудностями в изготовлении устройств управления или с использованием ЭВМ, а также изменив время нагрева, т.е. скорость перемещения поверхности на перегреваемом или недогреваемом участке.

Осуществить последнее можно за счет изменения напряжения на двигателе, с помощью которого производится перемещение поверхности. В этом случае заготовке сначала сообщается определенная скорость (меньше технологической) перемещения, затем в момент захода луча на обрабатываемую поверхность эту скорость постепенно увеличивают до значения соответствующей технологической скорости обработки основной части поверхности. Аналогично поступают при выходе луча с обрабатываемой поверхности. Очевидно, такой способ может быть использован при обработке относительно небольших изделий и простых поверхностей. Изменения скорости относительно перемещения луча можно добиться за счет изменения напряжения на отклоняющей системе с помощью управляющей системы. В случае использования одновременного отклонения луча в двух координатах можно обрабатывать достаточно сложные поверхности, не прибегая к управлению от ЭВМ. При этом перемещение заготовки может осуществляться по одной координате.

Для изменения относительной скорости перемещения луча можно использовать устройство, у которого выходное напряжение изменяется после получения определенного сигнала в течение некоторого регулируемого промежутка времени, т.е. если в исходном состоянии на выходе устройства имеется какое-то напряжение, то по получении управляющего сигнала это напряжение начинает изменяться, например, увеличиваться. С этого момента на отклоняющей катушке также увеличивается напряжение, что в свою очередь вызывает перемещение электронного луча со скоростью V₁ или V₂. Изменяя скорость нарастания напряжения, можно изменять скорость перемещения луча относительно какой-либо точки. По достижении определенного значения увеличение напряжения прекращается, т.е. положение луча стабилизируется относительно нового положения. Предположим, что для обработки поверхности технологическая скорость V₁ перемещения луча должна быть 10 мм/с. В случае, если в начальный или конечный момент эта скорость должна быть уменьшена (с целью компенсации времени для обеспечения установившегося режима) или увеличена (для устранения перегрева, образующегося за счет краевого эффекта), то напряжение на катушке отклонения должно либо изменяться таким образом, чтобы в первом направление перемещения луча (V₂) и обрабатываемой поверхности совпадали. В результате сложения скоростей относительная скорость перемещения луча и поверхности уменьшится.

Для увеличения относительной скорости перемещения необходимо, чтобы скорости перемещения поверхности (V₁) и луча (V₃) были направлены в противоположные стороны. В некоторый момент времени изменение напряжения на отклоняющей катушке прекращается и относительная скорость перемещения луча и поверхности оказывается равной требуемой скорости (в нашем случае 10 мм/с). Практически установлено, что изменение скорости в пределах 15-20% от технологической позволяет выравнивать глубину и структуру обработанного слоя при обработке различных изделий и материалов.

Таким образом, используя одновременное перемещение луча и поверхности и сложение или вычитание этих скоростей в течение требуемого промежутка времени, можно на определенных участках изменять относительную скорость перемещения луча. Используя возможность регулировки скорости нарастания напряжения на отклоняющей катушке, можно изменять время, в течение которого происходит установление режима, а также размер участка, на котором осуществляется регулирование степени нагрева. Использование различной формы управляющего сигнала на катушке отклонения позволит осуществлять различную интенсивность перехода от начального режима обработки для установившегося. Кроме того, использование нелинейного закона изменения скорости перемещения луча позволит обрабатывать изделия с переменным сечением.

Предлагаемый способ может быть использован также при замыкании траекторий обработки, когда луч попадает на ранее нагретый участок поверхности зону перекрытия. В этом случае увеличение скорости перемещения способствует уменьшению перегрева этого участка.

Это справедливо и для случая использования лазерного луча с той лишь разницей, что управляющий сигнал поступает на отклоняющие зеркала.

Пример выполнения способа.

Посредством электронного луча обрабатывались ограниченные поверхности корпуса тормоза из сплава ВТ9, направляющие из стали ЗОХГСА.

О равномерности нагрева судили по глубине обработанного слоя и наличию оплавления переплавления кромок в местах входа и выхода луча с обрабатываемой поверхности.

Перед осуществлением обработки поверхность подводилась в зону действия луча при условии его отклонения, при этом учитывались максимальная амплитуда отклонения луча и размер начального участка. Затем включалась управляющая система положением луча и перемещением поверхности. Скорость перемещения луча определялась по времени прохождения им участка поверхности заранее выбранной длины. Полученная скорость суммировалась со скоростью передвижения обрабатываемой поверхности.

При обработке титановых образцов при технологической скорости 10 мм/с удовлетворительные результаты получены при начальной скорости обработки, равной 9-9,5 мм/с. Дальнейшее уменьшение скорости вызывает подавление кромок. При выходе луча с обрабатываемой поверхности подплавления кромок исчезали в интервале скоростей 11,5-11,8 мм/с. Дальнейшее увеличение скорости приводит к уменьшению глубины и твердости слоя.

При обработке стальных образцов с технологической скоростью 10 мм/с при выходе луча на обрабатываемую поверхность удовлетворительные результаты были получены при скоростях относительного перемещения, лежащих в пределах 8,3-8,7 мм/с. При выходе луча с обрабатываемой поверхности скорость увеличивали до 11-11,5 мм/с. При меньшей скорости могут наблюдаться подплавления кромок, при большей также начинает снижаться твердость слоя.

При обработке замкнутых траекторий основную трудность обычно испытывают при замыкании линии обработки. Как правило такая обработка осуществляется с заходом на ранее обработанный участок и в большинстве случаев в этом месте происходит перегрев поверхности, поскольку повторный нагрев осуществляется по нагретой поверхности. Если в момент смыкания траекторий включить систему управления лучом и увеличить скорость перемещения на 15-20% то температура нагрева участка перекрытия практически не повышаетсяг