электро-физические и электро-химические процессы

д.Для лазерной обработки используют технологические лазеры импульсного и непрерывного действия. Особенностью лазерного упрочнения является его локальность. При импульсном излучении воздействие осуществляется в точке, при непрерывном – в полосе ширинойдо 3 мм. В связи с этим для обработки поверхности необходимо и достаточно сканировать луч с взаимным перекрытием или без перекрытия зон упрочнения.При обработке импульсными лазерами с повышением плотностимощности увеличиваются диаметр и глубина зоны упрочнения. Лазеры непрерывного излучения обеспечивают более высокую производительность обработки, высокую равномерность упрочнения и позволяют обрабатывать любой профиль поверхности со скоростью от 100 до10000 мм/мин.Глубина и ширина зоны термического воздействия при постоянной скорости обработки непрерывными лазерами зависят от плотности мощности излучения, с ростом которой увеличивается глубиназоны термического воздействия, а ширина уменьшается . При постоянной плотности мощности с увеличением скорости перемещения деталей уменьшаются как ширина, так и глубина зоны термическоговоздействия, так как уменьшается удельная энергия излучения в зонелазерного воздействия.2.3 Закалка с помощью СО2-лазеровСО2 лазеры используются для закалки более 30 лет, в качестве замены традиционных методов термообработки. Тем не менее, недостатки СО2 лазера в надежности и стоимости эксплуатации сделали данный вид обработки далеким от идеального. За последние несколько лет весомую конкуренцию CO2 лазеру стали составлять диодные лазеры.В прошлом, CO2 лазер был наиболее часто используемым источником для лазерной закалки. Однако, эта технология имеет ряд существенных недостатков для термоупрачнения. Первый из них является то, что длина волны данного лазера находится в инфракасной области (10,6 мкм). Длинноволновый свет плохо поглощается практически любыми видами сталей или других металлов, следовательно,для эффективного использования мощности лазера необходимо наносить дополнительное покрытие, которое позволяет увеличить процент поглощенной мощности. Следующим существенным недостатком является то, что общее КПД данного вида лазера очень низкое. Большое потребление энергии приводит к большим эксплуатационным расходам. 2.4 Закалка с помощью диодных лазеровЛазерные диоды – это полупроводниковые приборы, которые непосредственно преобразуют электрическую энергию в лазерный луч. Длина волны данного типа лазера составляет от 808 нм до 980 нм. Мощность отдельных полупроводниковых лазеров не превосходит несколько ватт, однако излучатели могут быть изготовлены на одной подложке, другими словами, собирается линейка полупроводниковых лазеров, тем самым увеличивая выходную мощность до нескольких киловатт. Лазерный диод монтируется на радиатор (20–25 элементов) размером 10×0,6×0,1 мм. Радиатор монтируется на теплоотвод, охлаждаемый водой. Один такой лазерный элемент генерирует мощность до 50 Вт. Группируя несколько таких элементов, можно получить источник лазерного излучения мощностью несколько тысяч ватт в диапазоне длин волн 790–980 нм за счет перекрывания их лучей. Очевидно, что комбинация многих отдельных пучков лучей проигрывает по уровню мощности традиционным типам лазеров. Этот фактор ограничивает применение высокоэффективных лазерных диодов. Однако они обладают и неоспоримыми преимуществами: лазерные диоды чрезвычайно компактны (источник мощностью 3 кВт легко поместить в обувную коробку), их легко интегрировать в существующие системы, они обладают высоким уровнем работоспособности, длительность жизненного цикла диодов превышает 10 тыс. часов. Эти достоинства делают их идеальным средством для широкого применения в промышленности – при закалке, пайке, сварке и других видах обработки поверхности.2.5Технико-экономические показателилазерноготермоупрочнения.Соотношение «цена-качество». Радикальное, в 2-5 раз, т.е. на 200-500 %, повышение износостойкости упрочняемых на глубину до 0,8-1,5 мм поверхностей и срока службы деталей достигается ценой упрочнения, не превышающей 15-20% стоимости неупрочненных деталей; В отличие от известных процессов термоупрочнения: объемной закалкой, токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами нагрев при лазерной закалке является не объемным, а локальным, поверхностным процессом, что исключает изменение как макро так и микрогеометрии обрабатываемых деталей; Упрочнение лучом лазера осуществляется без оплавления поверхности — это исключает изменение шероховатости и необходимость в последующей механообработке (шлифовка, полировка и т.д); Термический цикл, при лазерном упрочнении по выше перечисленным характеристикам, самый быстрый по сравнению с термическими циклами всех остальных существующих методов закалки и составляет 0,3…0,5 с. Высокая производительность данной технологии характеризуется автоматизацией процесса лазерного термоупрочнения и исключением необходимости термообработки всей детали, а лишь локальных участков подверженных износу; Отсутствие проблем прочности связи (адгезии) упрочненного слоя с основной массой детали, как, например, при использовании технологии напыления; Возможность упрочнения поверхностей любой сложности и геометрии благодаря современному лазерному технологическому оборудованию.3 Операция лазерной закалки поверхностей 5, 15 вала.3.1 Выбор оборудованияДля лазерной закалки поверхностей вала 5, 15 вала (см. приложение) на глубину 0,8…2,5 мм до твердости 50…55 HRCэ применим автоматизированный лазерный комплекс для термического упрочнения: ЛК-5В. Общий вид комплекса представлен на рисунке 6.Рисунок 6 Автоматизированный лазерный комплекс для термического упрочнения: ЛК-5В (общий вид).Техническая характеристика комплекса:Тип лазераМногоканальый СО2 — лазерМощность излучения5,0 кВтПределы регулирования мощности0,5-5,0 кВтДиаметр пятна излучения в зоне обработки3-10 ммКоличество ступеней подвижности манипулятора луча5Зона обработки по X, Y, Z2500 х 1000 х 500 ммЛинейная скорость обработки10-20 мм/cПотребляемая мощность80 кВтРасход лазерной смеси (CO2; N2; He) л/ч на 1 кВт4Обслуживающий персонал2 человека в сменуЗанимаемая площадь37,5 м23.2 Расчет основных параметров процессаПоверхность 15 – диаметр 20 мм длина 27,5 мм (из чертежа вала);Поверхность 5 – диаметр 45 мм длина 25 мм (из чертежа вала).Схема лазерной закалки цилиндрических поверхностей представлена на рисунке 7.Рисунок 7 Схема лазерной закалки цилиндрических поверхностей.Принимаем:P = 2,5кВт – мощность лазерного излучения;v= 10 мм/с – скорость движения пятна излучения по заготовке.Определяем количество лазерных дорожек при диаметре пятна в зоне обработки d = 3 мм и перекрытии между витками 0,5 мм:Для поверхности 15 n = 27,5 / (3-0,5) = 11Для поверхности 5 n = 27,5 / (3-0,5) = 10Общая длина лазерной дорожки: L = π·D·nДля поверхности 15 L = 3,14·20·11= 691 ммДля поверхности 5 n =3,14·45·10= 1413ммОпределяем глубину закаленной зоны по эмпирической формуле:h = 4,14·A – 0,08, [2]где - обобщенный параметр лазерной обработки [2]. Для поверхностей5 и 15: А = 0,456, h = 1,76 мм.Определяем плотность мощности по формуле: W = 4·P / (π·d2)W = 4·2,5 / 3,14·0,32 = 35,4 кВт/см2.Время лазерной закалки: t = L / vДля поверхности 15: t = 691/10 = 69,1 с;Для поверхности 5: t =1413/10 = 141,3сОбщее время на закалку поверхностей 5 и 15: t =69,1 + 141,3 = 210,4 с.Время на установку и снятие детали, перемещение лазера в зоны обработки определяется экспериментально. Принимаем tп = 60 с.Общее время на обработку одной детали составит: Т = t + tп = 270,4 с,Часовая загруженность оборудования: 3600 / 270,4 = 13,3 шт/час.Заключение.В теоритической части выполненной работыописаны процессы на которых основаны электро-физические и электро-химическиеметоды обработки деталей машин, приведена их классификация. Основное внимание уделено процессу лазерной закалки. В практической части работы (согласно варианта задания) описан технологический процесс лазерной закалки, примененный при изготовления вала. Выполнен выбор оборудования и расчет основных параметров технологического процесса закалки поверхностей 5, 15 вала.ЛитератураАнисимов А.М. Основы технологии машиностроения, екатиринбург, 2017.Беляев Е.С. Изучение и расчет параметров лазерной обработки поверхности углеродистых сталей. Методические указания. Нижний Новгород, 2015.Майоров В.С. Лазерное упрочнение металлов. М. ФИЗМАТЛИТ, 2009.Никифоров В.И. Электрохимические и электрофизические технологии в машиностроении. С-Пб, 2013.Поляков З.И. и др. Электрохимические и электрофизические методы обработкии. Челябинск, 2006.Самохвалов В.Н. Высокоэнергетические методы размерной и упрочняющей обработки. Самара, 2019.Справочник технолога машиностроителя под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещарикова том 1, том 2; М., «Машиностроение» 1986 г.7. www.uralcci.com8. www.kgau.ru9. www.dipron.ruПриложение