Способ поверхностей термической обработки кромок изделий

 

Использование: изобретение относится к способам поверхностного упрочнения кромок изделий: режущего инструмента, турбинных лопаток и др. Сущность изобретения: с помощью сканирующего луча на поверхности кромки формируют пятно нагрева, перекрывающее протяженность кромки и перемещают относительно него кромку изделия. При этом направление сканирования и обрабатываемую кромку устанавливают под разными углами к направлению перемещения кромки изделия.

Изобретение относится к технологии обработки материалов, а именно к термической обработке изделий с помощью высокоэнергетических источников тепла, в частности к электроннолучевой обработке поверхностей, и может быть использовано для улучшения эксплуатационных свойств изделий при обработке рабочих кромок инструментов, турбинных лопаток и т.п. Известен способ термической обработки, при котором выравнивание температур в точке нагрева осуществляется за счет сканирования электронным лучом. Наиболее близким по технической сущности является способ поверхностной термической обработки стальных изделий, при котором образуют на поверхности изделия пятно нагрева и перемещают его вдоль кромки. Недостатком известного способа является низкая производительность процесса и необходимость точного фиксирования пятна нагрева относительно каждой обрабатываемой кромки. Целью изобретения является повышение производительности и технологичности процесса термической обработки. Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем формирование на поверхность кромки пятна нагрева и перемещение относительно него кромки изделия, формирование пятна нагрева осуществляют сканирующим лучом с амплитудой сканирования, перекрывающей протяженность кромки при перемещении изделия, при этом направление сканирования и обрабатываемую кромку устанавливают под разными углами к направлению перемещения кромки изделия. Суть способа поверхностной термической обработки заключается в следующем. Для того, чтобы закалить или оплавить кромку изделия, электронный луч с определенной скоростью необходимо провести по этой кромке. Однако при наличии большого количества кромок этот процесс становится непроизводительным и требует точного ориентирования каждой кромки относительно электронного луча. В предлагаемом способе электронный луч разворачивается в линию или полосу, охватывающую всю кромку в направлении ее перемещения, при этом линию сканирования и линию кромки изделия располагают под некоторым углом к направлению перемещения кромки, причем необходимо, чтобы угол наклона линии сканирования α не совпадал с углом наклона кромки β. При перемещении детали под воздействие луча сначала попадает нижняя точка кромки, затем все остальные. Таким образом, пятно нагрева перемещается вдоль кромки, только скорость его перемещения будет определяться углом наклона кромки и линии сканирования. Если задаться скоростью перемещения пятна нагрева V', необходимой для обеспечения требуемых параметров обработанного слоя, то скорость перемещения изделия V можно оценить из геометрических соотношений V V'(cos β cos α), где угол α угол между направлением сканирования электронного луча, β угол, образованный обрабатываемой кромкой и направлением перемещения изделия, при этом α≠β. В случае использования вращательного движения за направление перемещения кромки следует выбирать направление линейной скорости. Изменение угла наклона линии сканирования позволяет не только изменить скорость перемещения пятна нагрева вдоль кромки, но и регулировать размеры этого пятна, т.е. регулировать скорость нагрева и охлаждения, а также глубину обработки. Необходимо отметить, что в процессе обработки по предлагаемому способу помимо кромок часто происходит нагрев тела изделия, однако этот нагрев не вызывает ухудшения свойств металла, поскольку, во-первых, режим обработки выбирают по разогреву кромки, которая нагревается интенсивнее за счет краевого эффекта, а во-вторых, энергия, идущая на нагрев тела изделия, поглощается всем объемом, за счет чего температура нагрева участков тела изделия оказывается значительно ниже температуры нагрева кромки. В случае равенства углов α и β оказывается одновременно нагрет большой объем металла, что снижает скорость охлаждения при закалке, а в случае оплавления кромки затрудняет удержание расплава, например, на плоскости зуба, при этом увеличивается радиус закругления кромки и увеличивается припуск на обработку. Эффект повышения производительности при обработке по предлагаемому способу обусловлен, во-первых, тем, что в способе устраняется операция наведения луча на обрабатываемую кромку. Производительность может быть увеличена при увеличении угла между направлением сканирования и направлением перемещения кромки. Увеличение этого угла способствует увеличению времени воздействий на данную точку, что в свою очередь должно сопровождаться увеличением скорости перемещения, в противном случае неизбежен перегрев кромки. Увеличение же скорости перемещения вызывает повышение производительности. Очевидно, что нагрев кромки до заданных температур может быть осуществлен при определенной мощности в пятне нагрева и скорости его перемещения. Конкретный пример осуществления способа. На установке ЭЛУ-9Б производилась обработка режущей кромки зубьев протяжки с косым зубом из стали Р18. Сканирование луча осуществляли под углом 90^о к направлению перемещения, причем амплитуда сканирования определялась из условия гарантированного перекрытия длины зуба. Режим обработки Частота сканирования, Гц 300 Ширина сканирования, нм 20 Ускоряющее напряжение, кВ 50 Ток луча, мА 30 Скорость перемещения протяжки, мм/с 8 Характеристика протяжки Число зубьев n 10 Длина зуба L, мм 22
Расстояние между зубь-
ями l, мм 15
Для обработки протяжки по прототипу без учета времени настройки на зуб потребуется время, определяемое из выражения
T=L 22-18 c где v₁ скорость перемещения пятна нагрева вдоль кромки зуба, равная 10-12 мм/с. По предлагаемому способу
T=L 15-18 c где v₂ скорость перемещения протяжки, равная 8-9 мм/с. В результате проведенных испытаний получили положительные результаты по долговечности испытуемого инструмента, которая возросла по сравнению с традиционной термической обработкой в 1,5-1,7 раза. Предлагаемый способ термической обработки кромок может быть использован при обработке не только многолезвийного инструмента. Например, с помощью предлагаемого способа были обработаны лопатки турбин из сплава ВТ8. Длина передней кромки лопаток составляла 50 мм. Лопатки собирались на приспособлении одна за другой, образуя подобие многолезвийного инструмента. В процессе перемещения лопаток под воздействием электронного луча осуществляется нагрев передней кромки лопатки и части ее поверхности. За счет этого обеспечивается требуемый нагрев кромки и плавный переход от зоны нагрева к остальной части лопатки. Аналогичным образом могут обрабатываться и другие изделия. Необходимо отметить, что такие лопатки можно обрабатывать, используя вращательное движение. Например, если расположить их на диаметре 500-800 мм, то оказывается, что с достаточной степенью точности можно считать перемещение кромки поступательным, поскольку линейные скорости перемещения крайних точек кромки отличаются примерно на 10% что практически не сказывается на степени нагрева обрабатываемой кромки, а при необходимости степень нагрева может быть достаточно легко вырaвнена. Предлагаемым способом обрабатывались передние кромки лопаток, которые располагались на диаметре 800 мм. При этом линейная скорость перемещения ближнего к центру края кромки составляла 8 мм/с. Угол наклона направления сканирования к направлению перемещения, т.е. к направлению вектора линейной скорости, составлял 60^о. Мощность луча 2 кВт. Кромки лопаток располагались по радиусу. По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет увеличить производительность процесса, а также значительно упростить способ перемещения и конструкцию используемых манипуляторов.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРОМОК ИЗДЕЛИЙ, включающий формирование на поверхности кромки пятна и перемещение относительно него кромки изделия, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и упрощения процесса, формирование пятна нагрева осуществляют сканирующим лучом с амплитудой сканирования, перекрывающей протяженность кромки при ее перемещении, при этом направление сканирования и обрабатываемую кромку устанавливают под разными углами к направлению перемещения кромки изделия.