Способ лазерного упрочнения рабочей поверхности зубьев шестерен


C21D1/09 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2699697:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) (RU)

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения качества и обеспечения твердости 60 HRC осуществляют закалку рабочей поверхности зуба шестерни при помощи лазерного излучателя, причем ведут поперечную подачу шестерни относительно лазерного луча и во время обработки луч лазера направлен по нормали к закаливаемой поверхности, а излучатель находится на одном расстоянии от нее. Шлифование после термообработки не требуется. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемый способ относится к области машиностроения в частности к лазерной термической обработке.

Шестерни зубчатых передач в отличие от зубчатых колес, работающих с ними в паре, испытывает в несколько раз большее количество нагружений, поэтому к ним предъявляются более высокие требования по твердости рабочих поверхностей зубьев. Технология их изготовления более трудоемка и требует больших затрат энергии на термическую обработку.

Например, шестерни тягового привода локомотива из конструкционной легированной стали 20ХН3А после зубофрезерования подвергают цементации и закалке твердостью HRC 59-62. Затем эти шестерни подвергают шлифовке, в результате которой удаляется часть цементированного слоя и происходит его частичное разупрочнение. Все эти операции требуют больших затрат энергии, труда, но не всегда достигают стабильное качество изделий.

Предлагается изготавливать шестерни тяговых приводов локомотивов (магистральных электровозов и тепловозов) из конструкционной легированной стали 30ХГСА по следующей технологии:

1. Токарная обработка поковок.

2. Черновое зубофрезерование.

3. Чистовое двухзаходное зубофрезерование на окончательный размер по 5…6 классу точности и шероховатости поверхности до 5 мкм.

4. Поверхностное лазерное закаливание в режиме, не допускающем термической деформации.

Экспериментальные исследования поверхностной закалки изделий из стали 30 ХГСА показали, что достигается твердость поверхности 60 HRC. При этом не возникает искажение формы и размеров шестерен, то есть не требуется последующее шлифование зубьев.

Технологические параметры лазерной закалки, обеспечивающие эти характеристики следующие:

- мощность лазерной установки 5 кВт;

- расстояние от излучателя до обрабатываемой поверхности 200…250 мм;

- скорость перемещения лазерного луча относительно обрабатываемой поверхности 1 м/мин;

- диаметр пятна лазера на обрабатываемой поверхности 10 мм;

- охлаждение детали воздушное;

- рекомендуется делать перерывы между проходами с целью охлаждения обрабатываемой детали.

Таким образом, может возникнуть необходимость лазерной закалки рабочей поверхности зубьев шестерен (например, для тягового привода локомотивов), изготовленных из стали 30 ХГСА.

Известен способ упрочнения поверхности деталей из железоуглеродистых сплавов, представленный в описании изобретения к патенту №2305136 от 19.06.2006 года, МПК G21/D 1/09, сущность которого заключается в том, что предварительно на поверхность детали наносят многокомпонентное светопоглощающее покрытие на основе оксида цинка, а затем воздействуют на нее лазерным излучателем, излучающие трубки которого размещены в виде пакета из нескольких рядов.

Излучающие трубки первого и второго рядов расположены в виде неравносторонних восьмигранников, а третьего и четвертого в виде равносторонних четырехугольников. Это обеспечивает многолучевое лазерное излучение с равномерной плотностью мощности в сечении, минимальную разницу в продолжительности воздействия излучения при различные участки поверхности от центра дорожки к краям при перемещении пятна луча по упрочняемой поверхности в любом направлении и любой траектории.

Недостатками этого существующего устройства являются следующие:

- невозможность обрабатывать криволинейные поверхности;

- невозможность ориентирования лазерного луча в более выгодное положение по нормали к обрабатываемой поверхности.

Предлагается следующий способ лазерного упрочнения рабочей поверхности зубьев шестерен:

- лазерный излучатель находится на одинаковом расстоянии от упрочняемой поверхности. Это позволяет получить наиболее эффективный режим упрочнения, то есть обеспечить равномерность распределения твердости;

- лазерный луч располагается по нормали к упрочняемой поверхности.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве, схема которого показана на рис. 1. На нем шестерня 1 находится в положении начала упрочнения рабочей поверхности зуба. В этом положении шестерни, вдоль образующей рабочей поверхности зуба перемещается лазерный луч. Излучатель S находится при этом на одинаковом расстоянии от упрочняемой поверхности. Излучатель S крепится к штоку поршня пневмоцилиндра ПЦ1, и, перемещается вместе с ним под действием сжатого воздуха; скорость перемещения при этом регулируется при помощи дросселей D1 и D2.

Поперечная подача происходит за счет вращения упрочняемой шестерни вокруг неподвижной оси О1, которая параллельна оси шестерни и находится на пересечении нормалей к крайним точкам рабочей части профиля зуба. Нормали NO1 и AO1 пересекаются в точке О1.

Ось O1 совпадает с осью ролика 2, находящегося конце штока 3, пневмоцилиндра ПЦ2, когда этот поршень находится в крайнем правом положении под действием сжатого воздуха.

Вращение шестерни 1 в режиме поперечной подачи осуществляется при помощи механизма поперечной подачи (МПП) который состоит из червячного редуктора с электродвигателем. Особенность этого редуктора состоит в том, что червячное колесо одновременно является гайкой навинченной на винт 4. Этот винт в свою очередь жестко связан с крышкой пневмоцилиндра ПЦ3.

При вращении червячного колеса - гайки, винт вместе с пневмоцилиндром перемещается вдоль своей оси и вращает упрочняемую шестерню относительно оси O1. Поршень пневмоцилиндра ПЦ3 находится в это время в верхнем крайнем положении. При достижении требуемой величины поперечной подачи контактор КТ останавливает его, поперечная подача прекращается. Контактор КТ состоит из двух частей: - одна жестко связана с корпусом МПП, другая с корпусом ПЦ3. При изменении расстояния между ними происходит переключение с одного режима на другой.

Далее упрочняемая шестерня опускается при помощи пневмоцилиндров ПЦ2 и ПЦ3 на подвижную опору 5 и далее она перемещается в положение обработки следующего зуба; это перемещение происходит вращением ее вместе с опорой 5 при помощи пневмоцилиндра ПЦ4.

Далее следует обработка следующего зуба в порядке описанном выше.

Перед началом работы, до установки на нее шестерни подлежащей упрочнению, поршни пневмоцилиндров ПЦ2, ПЦ3, ПЦ4 находятся в нижнем положении. Механизм поперечной подачи (МПП) в начальном положении, контактор КТ на первой позиции. Поршень пневмоцилиндра ПЦ1 находится в крайнем левом положении, излучатель выключен.

Работа по упрочнению рабочей поверхности зубьев шестерен производится в следующей последовательности:

1. Подлежащая упрочнению шестерня устанавливается на подвижной опоре 5.

2. Нажимается кнопка «Пуск», при этом запитываются электропневматические клапаны ЭПК1 и ЭПК6.

3. Поршни пневмоцилиндров ПЦ2 и ПЦ3 перемещаются в верхнее положение, они при этом приподнимают шестерню на высоту около 3-5 мм; это есть положение начала ее упрочнения;

4. Одновременно с этим при перемещении поршней ПЦ2 и ПЦ3 срабатывают концевые выключатели К3 и К4, запитывая электрическую сеть ЭПК1 и ЭПК6 через контактор КТ с последней позиции; ЭПК1 и ЭПК6 остаются включенными на все время упрочнения одного зуба. Через К3 запитывается ЭПК7 и излучатель S. Поршень ПЦ1 и излучатель S перемещаются влево параллельно оси шестерни - происходит закалка рабочей поверхности зуба шестерни.

Когда поршень ПЦ1 достигнет крайнего правого положения, срабатывает конечный выключатель К2, одновременно с этим ЭПК7 и излучатель S выключаются, срабатывает МПП, шестерня поворачивается вокруг оси O1 на один шаг поперечной подачи.

Во время работы установки происходит охлаждение воздухом упрочняемой шестерни, и, тем самым исключается опасность ее деформации от действия температуры.

При достижении требуемой величины поперечной подачи, контактор КТ выключает электродвигатель МПП и включает ЭПК8 и излучатель S; поршень ПЦ1 вместе с излучателем S движутся в обратном направлении - происходит процесс упрочнения.

Когда поршень ПЦ1 достигнет крайнего левого положения конечный выключатель К1 выключает ЭПК-8 и излучатель включается МПП и процесс повторяется пока не будет упрочнена вся рабочая поверхность одной стороны зуба.

По окончании последнего прохода, конечный выключатель К1 выключает ЭПК7 и излучатель S, а контактор КТ включает МПП на обратный ход, одновременно с этим выключается ЭПК1 и ЭПК6, включается ЭПК2 и ЭПК5, поршни ПЦ2 и ПЦ3 опускаются вниз, освобождая шестерню, которая ложится на опору 5. Далее через концевой выключатель К5 включается ЭПК3, поршень ПЦ4 перемещается вправо; опора 5 вместе с шестерней 1 перемещаются для установки шестерни для обработки следующего зуба. В конце хода поршня ПЦ4 включается К7, запитывается ЭПК1 и ЭПК6, поршни ПЦ2 и ПЦ3 приподнимают шестерню в положение начала упрочнения следующего зуба; ЭПК1 и ЭПК6 запитываются через К3 и К4 и остаются в этом положении на весь цикл упрочнения рабочей поверхности одной стороны зуба. Через К3 и К4 включается ЭПК7 и излучатель и описанный выше цикл упрочнения поверхности зуба повторяется. Далее через К7 отключается ЭПК3 и включается ЭПК4; опора возвращается в первоначальное положение. Далее процесс повторяется.

Таким образом, обрабатываемая шестерня в процессе лазерной закалки вращается вокруг неподвижной оси О1, которая находится на пересечении нормалей рабочей части профиля зуба. При этом излучатель находится на постоянном расстоянии от закаливаемой поверхности и луч лазера направлен по нормали к ней, что обеспечивает высокую эффективность процесса упрочнения.

1. Способ упрочнения рабочей поверхности зубьев шестерни, включающий закалку поверхности при помощи лазерного излучателя путем перемещения по образующей рабочей поверхности зуба лазерного луча, расположенного по нормали к рабочей поверхности, отличающийся тем, что осуществляют поперечную подачу шестерни относительно лазерного луча с помощью механизма поперечной подачи, связанного с лазерным излучателем и неподвижной осью, размещенной между зубьями шестерни параллельно оси шестерни и находящейся на пересечении нормалей к крайним точкам рабочей части профиля зуба, и придающего шестерне вращательное движение вокруг неподвижной оси.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерный излучатель расположен на постоянном расстоянии от рабочей поверхности зуба.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для индивидуальной закалки компонентов технического оборудования в виде шестерен, зубчатых колес или опорных колец. Устройство содержит вакуумную печь с закалочной камерой (1), которая имеет плотно закрывающиеся люки для загрузки и выгрузки обрабатываемого изделия (14).

Изобретение относится к многокамерной печи для вакуумной цементации и закалки отдельных обрабатываемых деталей, таких как зубчатые колеса, валы и кольца. Печь содержит три технологические камеры, выполненные в виде камеры нагрева, камеры цементации и диффузионной камеры, которые расположены одна поверх другой с образованием вертикальной компоновки.

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения деталей машин и механизмов с помощью лазерной обработки и может быть применено в машиностроении, в частности, для упрочнения резьбовых соединений труб и соединительных муфт.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения упрочненной поверхности контактных зон зубчатого колеса способ включает изготовление заготовки зубчатого колеса с зонами для упрочнения, затем последовательные этапы цементации с охлаждением без закалки, индукционного нагрева упомянутых зон до температуры аустенизации стали и закалки.

Изобретение относится к области технологии машиностроения и может быть использовано при упрочняющей термообработке зубчатых колес. Для обеспечения высокого качества термообработки и расширения технологических возможностей способ включает последовательный нагрев индуктором локального нагрева зубьев вращающегося зубчатого колеса до заданной температуры и их охлаждение жидкостью, при этом используют индуктор с магнитопроводом, ширину рабочей части индуктора выполняют не менее шага зацепления зубчатого колеса по его делительной окружности, а ее длину выполняют равной 1,2-1,5 длины зуба зубчатого колеса.

Изобретение относится к области металлургии. Способ термической обработки заготовок под холодную пластическую деформацию, преимущественно для сталей с машин непрерывного литья, предусматривает аустенитизацию при температуре Ас3+(100-150°С), выдержку, охлаждение со скоростью более 20°С/мин до температуры 680-700°С, диффузионное превращение переохлажденного аустенита при различных температурах по схеме 680-660-640-600°С с выдержкой при каждой температуре 60-80 минут с завершением охлаждения на воздухе.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к химико-термической обработке, в частности к цементации, азотированию, нитроцементации поверхностей зубчатых колес и колец из конструкционных, инструментальных и специальных марок сталей.

Изобретение относится к науглероженному стальному элементу, способу его получения и цементируемой стали для него. Науглероженный стальной элемент получают с помощью специальных стадий науглероживания, охлаждения и закаливания.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению шестерней для приводных поездных систем, используемых для передачи высокого крутящего момента.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к лазерной термической обработке деталей. .

Изобретение относится к упрочнению стали и может быть использовано в сельскохозяйственном машиностроении для повышения износостойкости лезвий почвообрабатывающих орудий.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения заданных структурных свойств малых по размеру локальных областей детали и управления ими способ (100) содержит шаги, на которых помещают (102) заготовку в печь (10) для нагревания (104) заготовки до температуры, равной или превышающей температуру аустенизации материала заготовки для перевода материала заготовки в аустенитную фазу, в установке инфракрасного (ИК) нагрева частично нагревают (106) посредством ИК излучения (24) по меньшей мере одну первую область (2а) заготовки, тем самым поддерживая материал указанной по меньшей мере одной первой области заготовки в аустенитной фазе, и помещают (108) заготовку в обрабатывающий блок (30) для формовки и закалки заготовки с целью получения горячештампованной детали.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству листового проката толщиной 12-48 мм для изготовления труб магистральных трубопроводов диаметром до 1420 мм с обеспечением доли вязкой, составляющей в изломе образцов при испытаниях падающим грузом не менее 85% при температуре испытания -20°C, ударной вязкости (KCV) при температуре испытания -40°C не менее 250 Дж/см2, высоких значений равномерного удлинения при достижении прочностных свойств в трубах из данного проката на уровне К60-К80 (Х70-Х100).

Изобретение относится к области металлургии. Для улучшения сцепления покрытия со стальным листом осуществляют непрерывный отжиг в печи с атмосферой инертного газа и Н2, включающий предварительный нагрев до 200-350°С в атмосфере А1 с точкой росы ниже -20°С при давлении Р1, имеющей Н2 менее 3,0% об., последующий нагрев до 600-1000°С в атмосфере А2 с точкой росы ниже -40°С при давлении Р2 выше Р1, имеющей Н2 менее 0,5% об., выдержку в атмосфере А3, имеющей Н2 менее 3,0% об., охлаждение до 400-800°С в атмосфере А4 с точкой росы ниже -30°С, имеющей Н2 менее 2,0% об., выравнивание температуры краев и центра листа в атмосфере А5 с точкой росы ниже -30°С, имеющей Н2 менее 2,0% об., и перемещение листа с помощью устройства с горячими натяжными роликами в ванну металлического расплава для нанесения покрытия в атмосфере А5 с точкой росы ниже -30°С, имеющей Н2 менее 2,0% об., при этом атмосферу А2 непрерывно удаляют в направлении секции печи предварительного нагрева и выдержки, а атмосферы А1, А3, А5 и А6 выпускают периодически или непрерывно через отверстия печи.

Изобретение относится к области мостостроения, в частности к стабилизации геометрических размеров сварных конструкций путем виброрезонансного нагружения, и может быть использовано для снятия остаточных напряжений в сварных главных и продольных балках проезжей части пролетных строений мостов.

Изобретение относится к области металлургии. Для снижения колебаний величины показателя потерь в железе материалов и стабильного получения хороших свойств потерь в железе способ получения листа электротехнической стали с ориентированной структурой, включает обработку по измельчению магнитной доменной структуры посредством облучения электронным пучком, выполняемую в вакуумной камере пониженного давления, поверхности листа, подвергшегося окончательному отжигу, при этом создают перед облучением электронным пучком листа электротехнической стали, смотанного в рулон, осуществляют его нагрев до 50°C или выше, а затем охлаждение листа таким образом, чтобы во время входа в вакуумную камеру пониженного давления лист имел температуру ниже 50°C.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения предела текучести > 550 МПа, предела прочности на растяжение TS > 980 МПа и повышенной пластичности и деформируемости лист получают из стали, содержащей, мас.%: 0,15 ≤ C ≤ 0,25, 1,2 ≤ Si ≤ 1,8, 2 ≤ Mn ≤ 2,4, 0,1 ≤ Cr ≤ 0,25, Al ≤ 0,5, остальное Fe и неизбежные примеси, нагревают до температуры между TA1 = Ac3 - 0,45*(Ms - QT) и TA2 = 830°C в течение по меньшей мере 30 с и охлаждают со скоростью выше 30°C/с до температуры закалки QT 180-300°C, затем лист нагревают до температуры PT перераспределения, равной 380-480°C, с выдержкой в течение времени Pt, составляющего 10-300 с, и охлаждают до комнатной температуры со скоростью охлаждения по меньшей мере 25°C/с.

Изобретение относится к области металлообработки и может быть использовано для восстановления и упрочнения деталей. Для повышения эксплуатационной стойкости изделий в индуктор устанавливают изделие, в котором образовались усталостные трещины, с помощью стяжных колец.

Изобретение относится к способу термической обработки неметаллического или металлического изделия. Способ содержит по меньшей мере один этап A) теплопереноса между указанным изделием и жидким теплоносителем A’, содержащим жидкую среду и наночастицы, и по меньшей мере один этап B) теплопереноса между изделием и жидким теплоносителем B’, содержащим жидкую среду и наночастицы.

Изобретение относится к способу термической обработки неметаллического или металлического изделия. Способ содержит по меньшей мере один этап A) теплопереноса между изделием и жидким теплоносителем A’, содержащим жидкую среду и наночастицы, имеющие размер в поперечном направлении между 26 и 50 мкм.

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения качества и обеспечения твердости 60 HRC осуществляют закалку рабочей поверхности зуба шестерни при помощи лазерного излучателя, причем ведут поперечную подачу шестерни относительно лазерного луча и во время обработки луч лазера направлен по нормали к закаливаемой поверхности, а излучатель находится на одном расстоянии от нее. Шлифование после термообработки не требуется. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх