Способ обработки металлических изделий Советский патент 1990 года по МПК C21D1/09 

Изобретение относится к обработке . металлических изделий концентрированными источниками энергии, конкретно электронным лучам, и может быть использовано в машиностроении при изготовлении шестерен.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей путем обработки изделий с различной формой работ поверхностей.

На фиг. 1 схематически показан след оплавления плоской поверхности при электронно-лучевой обработке ее по известному способу, когда пучок скянируют прямолинейно по пилообразному закону в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения поверхности изделия; на фиг. 2 - то же, после электронно-лучевой обработки

,поверхности по предлагаемому способу при нанесении параллельных друг другу периодически повторяющихся от1резков наплавочных валиков строго

перпендикулярно направлению перемещения обрабатываемой поверхности изделия; на фиг. 3 - то же, при нанесении периодически повторяющихся параллельных друг другу отрезков следа электронно-лучевой обработки, расположенных под заданным углом oL к направлению перемещения изделия под электронным пучком и при шаге сканирования t, меньшем длины проекции отрезка следа электронно-лучевой обработки на это направление; на фиг. 4- облучение электронным пучком по предлагаемому способу эвольвентной nz, верхности зубьев шестерни при почерхностной термообработке их электронным пучком.

На фиг. 1 - 3 жирной линией показаны отрезки следа электронно-луче- вой обработки, пунктиром - направление сканирования электронного пучка, стрелками на этих линиях - направление перемещения фокуса электронного пучка по поверхности изделия в про- цессе обработки, а стрелкой над фигурой - направление перемещения поверхности изделия.

Сущность изобретения заключается в SOM, что согласно способу элект- ронно-лучевой обработки поверхности изделий, перемещаемых со скоростью v поперек электронного яучка, сканируемого в одной плоскости с частотой f при периодическом изменении во времени угла отклонения электронного пучка по пилообразному закону с нулевой длительностью заднего фронта, 1гаюск0сть сканирования электронного | пучка располагают под углом 0 к направлению перемещения поверхности изделия, определяемом выражением

Р t. /Ь arctgb(roc- -) ,

при амплитуде сканирования пучка c b/sinft, где b - требуемая ширина полосы следа электронно-лучевой обработки на поверхности изделия, oi- угол между следом луча и направлением движения рабочей поверхности изделия .

При перемещении поверхности изделия поперек электронного пучка со скоростью v и частоте сканирования пучка f шаг расположения отрезков следа электронно-лучевой обработки на поверхности изделия определяется формулой , а амплитуда сканирования пучка равна длине отрезка пунктирной линии и составляет

/sin(5 (фиг. 3).

Из схемы (фиг. 3) видно, что

tgp-b/(A-t)-b/(- f)

или

P arctgb(- - f) .

Осуществление сканирования электронного пучка в плоскости, расположенной под углом и к направлению перемещения поверхности изделия поперек пучка, обеспечивает получение

0

5

0

5

0

5

0

5

следа электронно-лучевой обработки, периодически повторяющиеся параллельные друг другу отрезки которого расположены под требуемым (задаваемым) углом оЈ к направлению перемещения поверхности изделия. Это и обеспечивает достижение цели изобретения, поскольку изменением угла 1Ь можно в широких пределах изменять угол об независимо от величин v и f.

II р и м е р 1 . Осуществляют наплавку на поверхность бруса из стали 45 износостойкого покрытия. Брус имеет квадратное сечение 40x40 мм. Покрытие должно состоять из периодически повторяющихся параллельных друг другу отрезков наплавочных валиков, имеющих ширину 5 мм, длину 40 мм и расположенных с заданным шагом строго перпендикулярно рабочей кромке бруса ( ). Наплавку осуществляют порошком износостойкого материала ПГСИ-4. Для этого на защищенную поверхность (грань) бруса насыпают слой наплавочного порошка и выравнивают его до толщины 1 мм. Затем брус с порошком перемещают на тележке со скоростью мм/с в направлении вдоль длины бруса под электронным ускорителем, генерирующим пучок электронов с энергией 1 мЭВ при мощности в пучке 40 кВт. Пучок выводят из ускорителя в воздух в направлении сверху вниз и сканируют с частотой f Гц. Сканирование осуществляют с помощью поперечного магнитного поля, создаваемого известным электромагнитом. На обмотку электромагнита подают электрический ток, периодически (с частотой 7 Гц) изменяющийся во времени по пилообразному закону с нулевой длительностью заднего фронта и линейным нарастанием переднего фронта. При этом пучок сканирует между полюсами электромагнита, отклоняясь по прямой линии по линейному закону на угол, величина которого пропорциональна силе тока электромагнита.

Поворачивая электромагнит вокруг оси пучка, предварительно выставляют плоскость сканирования пучка под углом (фиг. 2) к направлению перемещения тележки под ускорителем, величину угла R вычисляя по формуле

p arctgb().

Дистанцию облучения I (расстояние от выпускного устройства ускорителя

до облучаемой поверхности изделия) выбирают такой, при которой диаметр пятна оплавления (равный диаметру пучка, постепенно расширяющегося с увеличением 1) становится равным требуемой ширине наплавочного валика (в данном случае ширина наплавочного валика 5 мм, а величина мм). Кроме того, предварительно выставляют путем изменения силы тока электромагнита амплитуду сканирования пучка на поверхности изделия, равной величине c b/sin 5 41,2 мм.

Амплитуду сканирования пучка берут равной величине c b/sin 50,6 мм. Оплавив участок поверхности длиной с 300 мм, выключают ускоритель. В результате на поверхности изделия остается строго прямоугольный участок оплавления, имеющий размеры 50x300 мм.

ПримерЗ. С помощью установ- Ю ки, описанной в примере 1, осуществляют поверхностную закалку электронным пучком в воздухе зубьев прямозубой шестерни (цилиндрического зубчатого колеса) из стали 45, причем шесВ результате облучения бруса с по- 15 терня имеет диаметр 310 мм, ширину

30 мм и модуль зуба (фиг.4). Шестерню располагают под ускорителем так, чтобы электронный пучок, направленный вертикально, падал только на 20 одну боковую (эвольвентную) поверхность ее зуба. Шестерню непрерывно вращают вокруг ее оси со скоростью 10 об/мин. При этом скорость ее зубьев составляет мм/с. Шаг скани- 25 рования пучка делают равным шагу зубьев шестерни (15,7 мм). Для этого частоту сканирования берут равной Гц. Для обеспечения перемещения пучка точно по боковой поверхности детали из алюминиевого сила- зо верхности зуба при непрерывном вращерошком при указанных режимах на об- лученной поверхности грани бруса ос- -таются периодически повторяющиеся с шагом 10 мм параллельные друг другу наплавочные валики, имеющие ширину 5 мм и расположенные строго перг пендикулярно к боковой грани бруса I(фиг. 2). После наплавки с поверхности бруса стряхивают остатки неоплавленного порошка,оставшиеся в зазорах I отрезками наплавочных валиков . П р и м е р 2. Осуществляют оплавление электронным пучком прямоугольного (50x300 мм) участка плоской посплава Д16Т для упрочнения поверхности за счет залечивания микротрещин, оставшихся после механической обра- ботки детали. Для предотвращения окисления поверхности оплавление осуществляют в вакуумной камере, присоединенной к ускорителю, описанному в примере 1. Деталь в вакуумной камере перемещают горизонтально со скоростью мм/с на тележке. Дистанцию облучения 1 берут равной 110 мм, при этом диаметр пятна оплавления равен 10 мм. Шаг сканирования t берут для обеспечения сплошности слоя оплавления равным 8 мм (меньше диаметра пятна оплавления). Для этого сканирование электронного пучка осуществляют с частотой ,8 Гц. Отрезки следов оплавления необходимо располагать строго перпендикулярно направлению перемещения изделия для получения суммарного пятна оплавления строго прямоугольной формы. Для этого плоскость сканирования пучка выставляют под углом 6 -80°55 к направлению перемещения изделия, величину угла J3 вычисляя по формуле

ft arctgb(---,- -f -80°55. f |tg) f

35

40

нии шестерни плоскость сканирования пучка выставляют под углом ,5 к плоскости вращения шестерни, величину угла и вычисляя по формуле

p arctgb(--f).62,50.

Амплитуду сканирования пучка делают равной величине c b/sinft 33,9 мм. Схема облучения и вид следа электронно-лучевой обработки в проекции сверху (фиг. 2) совпадают со схемой облучения по примеру 1. В результате облучения поверхность металла зуба шес- , терни нагревается до 900°C, а затем

.с быстро охлаждается за счет отвода .тепла в металл шестерни. При этом происходит поверхностная закалка зу- бьев шестерни, ведущая к перекристал-1- лизации их металла (с образованием

5о мартенситной структуры) на глубину v1 мм. Износостойкость поверхности зубьев, определенная с помощью маши- ны Шкоды-Савина возрастает в 3 раза jno сравнению с необработанной.

55 Приме р4. С помощью установ- )ки, описанной в примере 1, осуществ- |ляют поверхностную закалку зубьев ко- юозубой шестерни из стали 45, причем , шестерня имеет диаметр 304,5 мм, шиАмплитуду сканирования пучка берут равной величине c b/sin 50,6 мм. Оплавив участок поверхности длиной 300 мм, выключают ускоритель. В результате на поверхности изделия остается строго прямоугольный участок оплавления, имеющий размеры 50x300 мм.

ПримерЗ. С помощью установ- ки, описанной в примере 1, осуществляют поверхностную закалку электронным пучком в воздухе зубьев прямозубой шестерни (цилиндрического зубчатого колеса) из стали 45, причем шестерня имеет диаметр 310 мм, ширину

5

0

нии шестерни плоскость сканирования пучка выставляют под углом ,5 к плоскости вращения шестерни, величину угла и вычисляя по формуле

p arctgb(--f).62,50.

Амплитуду сканирования пучка делают равной величине c b/sinft 33,9 мм. Схема облучения и вид следа электронно-лучевой обработки в проекции сверху (фиг. 2) совпадают со схемой облучения по примеру 1. В результате облучения поверхность металла зуба шес- , терни нагревается до 900°C, а затем

с быстро охлаждается за счет отвода .тепла в металл шестерни. При этом происходит поверхностная закалка зу- бьев шестерни, ведущая к перекристал-1- лизации их металла (с образованием

о мартенситной структуры) на глубину v1 мм. Износостойкость поверхности зубьев, определенная с помощью маши- ны Шкоды-Савина возрастает в 3 раза jno сравнению с необработанной.

5 Приме р4. С помощью установ- )ки, описанной в примере 1, осуществ- |ляют поверхностную закалку зубьев ко- юозубой шестерни из стали 45, причем , шестерня имеет диаметр 304,5 мм, ши715

рину 40 мм, модуль зуба 1,75 и угол наклона зубьев к плоскости вращения (фиг. 4). Шестерню непрерывно вращают вокруг ее оси со скоростью ,5 мм/с. Шаг сканирования пучка электронов дёл ают равным шагу зубьев шестерни (5,5 мм). Для этого частоту- сканирования берут равной 14,26 Гц. Для обеспечения перемещения фокуса пучка точно по боковой поверхности зуба при непрерывном вра

щении шестерни плоскость сканирования пучка выставляют под углом А 82°35 к плоскости вращения шестерни, вели15

чину угла А вычисляя по формуле p arctgb(- |)И 82°35 .

Амплитуду сканирования пучка берут равной величине c b/sinfl 40,4 мм.

Схема облучения и вид следа электронно-лучевой обработки в проекции сверху показаны на фиг. 3. В результате

облучения происходит поверхностная закалка металла зубьев шестерни, ве- 25 дущая к образованию мартенситной структуры на глубину мм и возрастанию износостойкости в 2 - 3 раза.

Технологические возможности пред

лагаемого способа по сравнению с известным расширяются за счет обеспечения возможности расположения периодически повторяющихся отрезков следа электронно-лучевой обработки на поверхности изделия под любым заданным углом к направлению перемещения поверхности изделия поперек электронного пучка, а также за счет обеспечения возможности электронно-лучевой

-.

0

5

п

5

0

5

0

7В

обработки поверхности зубьев как прямозубых, так и косозубых зубчатых колес.

Формула изобретения

, Способ обработки металлических изделий, включающий нагрев рабочей поверхности изделия, движущейся с заданной скоростью, электронным пучком, сканируемым в плоскости под заданным углом к направлению движения рабочей поверхности изделия и с фиксированной частотой сканирования, при периодическом изменении во времени угла отклонения пучка по пилообразному закону с нулевой длительностью заднего фронта цикла и с заданной амплитудой сканирования, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей путем обработки изделий с различной формой рабочих поверхностей, плоскость сканирования располагают к направлению движения рабочей

поверхности под углом и arctgb(b/tg#

-v/f) , а амплитуду сканирования задают равной c b/sin 3, где b - ширина следа электронного

пуска на рабочей поверхности изделия, мм;

ct - угол между следом луча и направлением движения рабочей поверхности изделия, град; v - скорость движения рабочей

поверхности, мм; f - частота сканирования, Гц.

Изобретение относится к обработке металлических изделий концентрированными источниками энергии, конкретно электронным лучом, и может быть использовано в машиностроении при изготовлении шестерен. Цель изобретения - расширение технологических возможностей путем обработки изделий с различной формой рабочих поверхностей. Изобретение заключается в том, что нагрев рабочих поверхностей осуществляют электронным лучом, сканируемым в плоскости под углом к направлению движения поверхности изделия β=ARCTG B(B/TGΑ-V/F)^-1 и с амплитудой сканирования C=B/SINβ, где B - ширина следа электронного луча на поверхности изделия

α - угол следа луча к направлению движения поверхности изделия

V - скорость движения поверхности

F - частота сканирования. 4 ил.

фиг.2

Фиг.1

V

(teJ

Фиг. 4