CC BY
0
УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ КУЛАЧКА МЕХАНИЗМА ВЫТАЛКИВАТЕЛЯ ХОЛОДНОВЫСАДОЧНОГО АВТОМАТА ПУТЕМ ЛАЗЕРНОГО БОРИРОВАНИЯ
Невзоров Андрей Николаевич, магистрант (e-mail: ando_nevzor@mail.ru) Куц Любовь Евгеньевна, к.т.н.
(e-mail: kuts70@yandex.ru) Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов, Россия
В ходе проведения эксперимента по лазерному борированию поверхности кулачка механизма выталкивателя холодновысадочного автомата был выбран материал экспериментальных образцов, проведен подбор режимов лазерной обработки и проанализированы результаты экспериментального исследования.
Ключевые слова: лазерное борирование, упрочнение, термическая обработка, диффузионный слой, износостойкость, эксплуатационные характеристики.
Холодновысадочный автомат предназначен для изготовления методом холодной высадки заклепок, заготовок болтов, винтов и других изделий стержневого типа из калиброванной стальной проволоки [1-4].
Холодновысадочный автомат схематично представлен на рис.1.
В работе механизма выталкивателя холодновысадочного автомата используется кулачковый привод. Главным элементом привода является кулачек выталкивателя 23, смонтированный на распределительном валу 22 (рис.1). Кулачок работает в условиях повышенного износа, что сопровождается интенсивным изнашиванием поверхности кулачка при эксплуатации (рис.2). Это отрицательно сказывается на работе механизма выталкивателя и зачастую приводит к нарушению процесса подачи стержня 9 и к последующему браку готовых изделий [5-8].
Кулачок выталкивателя, как правило, изготавливают из хромированных сталей, например, 40Х,40Х13, 45Х, 40ХН, 45ХН и т.п. Готовые изделия перед эксплуатацией проходят термическую обработку, а именно закалку с последующим отпуском. Данная термическая обработка позволяет увеличить твердость изделия и его стойкость к истиранию. Поэтому существует необходимость в поверхностном упрочнении материала кулачка-выталкивателя. Данный эффект достигается широким спектром современных методов поверхностного упрочнения и нанесения функциональных пленок и покрытий [9-14].
Рисунок 1 - Кинетическая схема холодновысадочного автомата АА1216: 1-отрезная матрица; 2- ролик; 3- заготовка-пруток; 4- храповое устройство; 5- рычаг; 6- привод выталкивателя; 7- механизм подачи пруткового материала; 8- нож; 9- стержень; 10- пуансон предварительной высадки; 11-упор; 12- ножевой шток; 13- пуансон; 14- салазки; 15- ролик; 16- двуплечий рычаг; 17- боковой ползун; 18- шатун; 19- ползун; 20- ролики; 21- кулачковый механизм; 22- распределительный вал; 23- кулачек выталкивател2; 24- диск; 25- электродвигатель; 26- клиноременная передача; 27- коленчатый вал; 28- зубчатая передача
Рисунок 2 - Изношенная поверхность кулачка
Упрочнение поверхности обусловлено повышением таких характеристик, как твердость, предел прочности, износостойкость, гидро- и газоабразивная стойкость. При изменении свойств поверхности изменяется и ее структура. Для изменения структуры можно использовать процессы деформации, термическую, термомеханическую и химико-термическую обработку с нагревом различными способами, обработку воздействием лазерного излучения, плазменную обработку, нанесение высокотвердых на-ноструктурных покрытий, анодное и газотермическое оксидирование [1521].
В качестве метода упрочнения поверхностного слоя кулачка-выталкивателя предлагается использовать лазерное легирование путем бо-рирования. В случае лазерного термического воздействия будет происходить расплавление боросодержащей смеси (обмазки) и частичное оплавление поверхности, что должно привести к внедрению бора в материал кулачка. Предполагается, что борирование будет производиться после закалки с последующим отпуском. Таким образом, можно создать кулачок выталкивателя, который имеет высокую твердость после закалки с последующим отпуском и насыщенный бором поверхностный слой, что, в свою очередь, позволит увеличить износостойкость поверхности и существенно повысить эксплуатационную надежность изделия.
Методика проведения эксперимента. Получение экспериментальных образцов для проведения лазерного борирования происходит в несколько этапов:
- выбор материала;
- нарезка образцов;
- обработка и очистка образцов;
- пескоструйная обработка;
- очистка в ультразвуковой ванне с последующей сушкой в муфельной печи;
- термическая обработка (закалка, низкотемпературный отпуск);
- очистка в ультразвуковой ванне с последующей сушкой в муфельной печи.
Механическая обработка экспериментальных образцов требует повышенного внимания, так как состояние поверхности сильно влияет на качество получаемого упрочняющего слоя.
В качестве материала для проведения лазерного борирования выбрана сталь марки 40Х13. Сталь 40Х13 обладает следующими техническими характеристиками :
- высокая прочность;
- пластичность;
- легко подвергается механической обработке;
- высокая жаропрочность;
- стойкость к перепадам температуры.
Нарезка экспериментальных образцов проводилась из стального прутка марки 40Х13 на токарно-винторезном станке. С помощью токарных работ получена серия образцов имеющих форму диска диаметром 19 мм и толщиной 3,5 мм (выбранная толщина образцов предотвратит деформацию и коробление в процессе лазерной обработки). После нарезки образцов из стального прутка необходимо подготовить торцовую поверхность для дальнейших операций. В процессе нарезки на образцах остается стружка, смазочно-охлаждающая жидкость и следы жировых загрязнений, что отрицательно сказывается на качестве поверхности.
В качестве механической обработки применялось шлифование торцовой поверхности образцов с последующей пескоструйной обработкой.
Пескоструйная обработка проводилась при избыточном давлении воздушно-абразивной струи р=0,65 МПа в течение т=1-2 мин на дистанции 10-15 см под разными углами воздействия струи. В качестве абразивного материала используется электрокорундовый порошок Al2O3 №25 на основе оксида алюминия дисперсностью 250 мкм для получения сложноориенти-рованных элементов профиля.
После механической обработки очищенные поверхности образцов не требуют дополнительных механических операций перед проведением термической обработки.
На рис. 3 показаны образцы после воздушно-абразивной обработки.
Рисунок 3 - Образцы с микрошероховатой поверхностью после воздушно-абразивной обработки электрокорундовым порошком
После проведения механической обработки необходимо провести очистку поверхности образцов от остатков абразивного материала. Очистка состоит из следующих этапов: ультразвуковая очистка, промывка дистиллированной водой и сушка в муфельной печи.
Ультразвуковая очистка проводилась в ультразвуковой ванне «Кристалл 2.5», заполненной 25% спиртовым раствором. Обработку проводили в течение 15 минут при температуре 50°С, частоте колебаний /= 22 кГц и интенсивности Ж=1,2 Вт/см .
Промывка осуществлялась поэтапно в спирте и дистиллированной воде для удаления остаточных фрагментов жировой пленки и компонентов моющего раствора с поверхности образцов.
Сушка проводилась в муфельной печи при температуре 50°С в течение 10-12 минут.
Перед проведением лазерного борированя образцов необходимо провести их термическую обработку.
В качестве термической обработки проводилась закалка в вакуумной печи с охлаждением азотом высокого давления и низкотемпературный отпуск с охлаждением на воздухе для придания высокой твердости образцов.
Закалка экспериментальных образцов проводилась в вакуумной закалочной печи НУН-350 при температуре 1030°С и выдержке 45 мин с охлаждением азотом высокого давления. Отпуск образцов проводился в печи для отпуска металла ПН-31 при температуре 230°С с выдержкой 2 часа и последующим охлаждении на воздухе.
После проведения термической обработки образцы подвергались ультразвуковой очистке в ванне «Кристалл 2,5» для удаления остатков охлаждающих сред.
Термическая обработка является заключительным этапом подготовки экспериментальных образцов для проведения лазерного борирования.
В результате проделанных операций по подготовке экспериментальных образцов удалось получить необходимые характеристики, а именно термически обработанные образцы с подготовленной поверхностью для нанесения обмазочной смеси для проведения лазерного борирования.
В качестве результирующего этапа после термический обработки были произведены измерения твердости. Измерения твердости проводились на твердомере Роквелла ТР-5018 МС.
По итогам определения твердости были получены следующие результаты:
- твердость контрольного образца до термической обработки - 9 НЯС;
- твердость образца после термической обработки - 51 НЯС.
Лазерная обработка. Завершающим этапом разработки технологии является диффузионное насыщение поверхности образцов бором при использовании лазерного импульсного излучения.
Для этого применялась портативная установка для лазерной маркировки
3+
и гравировки ЬЯ8-50 на алюмоиттриевом гранате (УЛО:Кё ), активированном неодимом (рис. 4).
Рисунок 4 - Установка лазерной маркировки и гравировки ЬЯБ-50
При реализации процесса диффузионного насыщения бором из обмазочной технологической смеси происходит ее термическая активация и диффундирование атомов бора в тонкие поверхностные слои образца при воздействии лазерных импульсов [22-24].
Основными параметрами процесса лазерного борирования являются:
- мощность импульсов излучения;
- диаметр сфокусированного лазерного луча;
- длительность импульса и т.п.
Лазерное борирование осуществлялось при изменении напряжения на лампе накачки в диапазоне 300-400 В, изменении диаметра лазерных импульсов, сфокусированных в пятно 0,5-1,0 мм и при длительности импульсов 0,6-1 мс.
Данная обработка предполагает диффузионное насыщение поверхности образцов бором из обмазочной смеси. Это позволит получить слой бори-дов, который обладает высокими механическими характеристиками с повышенной износостойкостью.
В качестве материала для диффузионного насыщения образцов бором была выбрана бура безводная - Ка2Б407. Для проведения лазерной модификации порошок буры необходимо закрепить на подготовленной поверхности экспериментальных образцов. Для этого была подготовлена обмазочная смесь - бура и клей БФ6 в соотношении ХА Обмазочная смесь наносилась на обрабатываемую поверхность равномерным слоем толщиной 1-2 мм.
В табл. 1 представлены режимы лазерной импульсной обработки для борирования стали 40Х13.
Таблица 1 - Режимы лазерной импульсной обработки _для борирования стали 40Х13_
№ об- Параметры лазерной обработки
разца Напря- Диаметр Длитель- Час- Количество техноло-
жение на пятна фо- ность им- тота, гическихпроходов,
лампе кусиров- пульсов, Гц ед.
накачки, ки, мм мс
В
1 300 0,5 1 20 3
2 350 0,5 1 20 3
3 400 0,5 1 20 3
4 300 1 0,6 20 3
5 350 1 0,6 20 3
6 400 1 0,6 20 3
Для определения эффективности разработанной технологии лазерного борирования стали 40Х13, необходимо проанализировать полученные показатели поверхностного слоя, а именно его твердость и глубину диффузионного слоя с помощью контрольно-измерительного оборудования.
Зависимость глубины диффузионного слоя от режима лазерной обработки проводились на микрошлифах образцов при помощи анализатора элементов микроструктуры твердых тел 81ДМ8-800. Результаты исследования представлены в табл. 2.
Таблица 2 - Глубина диффузионного слоя образцов после проведения лазерного борирования
№ образца Глубина диффузионного слоя, мм
1 0,085
2 0,098
3 0,145
4 0,020
5 0,045
6 0,057
На рис. 5 представлены поперечные микрошлифы образцов с различной глубиной диффузионного слоя в зависимости от режима обработки.
Для определения микротвердости полученного диффузионного слоя после лазерного борирования использовался микротвердомер ПМТ-3М.
При испытании вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды время выдержки под нагрузкой было выбрано 1=15с при нагрузке (100 гс). Было проведено по 5 измерений и определено среднеарифметическое зна-
чение результатов отдельных измерений микротвердости по шкале Вик-керса, после чего результаты были переведены в шкалу ИЯС.
1 2 3 4 5 6
Рисунок 5 - Микрошлифы образцов с различной глубиной диффузионного слоя (х300)
В табл. 3 приведены результаты измерения микротвердости диффузионного слоя после лазерного борирования стали 40Х13.
Таблица 3 - Результаты измерения микротвердости диффузионного слоя _после лазерного борирования стали 40Х13_
№ образца Микротвердость, ИЯС
1 67
2 69
3 73
4 60
5 63
6 65
По результатам исследования диффузионного слоя после лазерного борирования образцов можно сделать вывод, что наибольшая глубина диффузионного слоя (145 мкм) наблюдается при напряжении на лампе накачки 400В, диаметре пятна фокусировки 0,5 мм и длительности импульса 1 мс. Микротвердость поверхности образцов увеличивается в зависимости от напряжения на лампе накачки, диаметра пятна фокусировки, длительности импульсов и достигает максимального значения 73 ИЯС на образце № 3.
В ходе проведения эксперимента и исследования образцов можно сделать вывод, что лазерное борирование образцов из стали 40Х13 позволяет получить диффузионный слой, насыщенный бором. Насыщение поверхности бором позволяет существенно повысить износостойкость изделия. Данная технология является высокоэффективной для обработки поверхности кулачка механизма выталкивателя холодновысадочного автомата и позволяет значительно повысить эксплуатационную надежность изделия.
Список литературы
1. Справочник молодого машиностроителя. Под. ред. В.В. Данилевского. М.: Машиностроение, 1973. 64S с.
2. Справочник технолога-машиностроителя. Под. ред. А.Е. Косиловой и Р. К. Мещерякова. Т. 1. М.: Машиностроение, 1972. 694с.
3. Технология конструкционных материалов. А.М. Дальский, Н.П. Дубинин, Э.Л. Макаров, Е.А. Попов, Москва «Машиностроение», 1977 г. - 665 с.
4. Романовский, В. П. Справочник по холодной штамповке / В. П. Романовский -М. : Машиностроение, 1965. - 90 с.
5. Ансеров, Ю. М. Машины и оборудование машностроительных предприятий: Учебник для инженерно-экономических вузов / Ю. М. Ансеров - Л. : Политехника, 1991. - 3S5 с.
6. Шишлаков, П. Г. Совершенствование технологии холодной высадки на пресс-автоматах / П. Г. Шишлаков - М. : Машиностроение, 1970. - 74 с.
7. Гладких, А. Н. Автоматизация холодновысадочного производства / А. Н. Гладких - М. : Машгиз, 1963. - 175 с.
S. Потькало, В. С. Холодная высадка деталей на прессах-автоматах / В. С. Потька-ло - Киев : Техшка, 19S2. - 127 с.
9. Дриц, М. Е. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учебник для ВУЗов / М. Е. Дриц - М. : Высшая школа, 1990. - 447 с.
10. Фетисов, Г. П. Материаловедение и технология материалов: Учебник для ВТУЗов / Г. П. Фетисов - М. : Высшая школа, 2000. - 63S с.
11. Лахтин, Ю.М. Химико-термическая обработка металлов: Учебное пособие / Ю. М. Лахтин - М. : Металлургия, 19S5. - 256 с.
12. Тушинский, Л. Н. Теория и технология упрочнения металлических сплавов / Л. Н. Тушинский - Новгород : Наука, 1990. - 3S5 с.
13. Проскуряков В.И., Родионов И.В., Сурменко Е.Л., Соколова Т.Н. Влияние состава обмазочного слоя на характеристики поверхности стали 12Х^Н10Т после лазерного импульсного легирования // Вопросы электротехнологии. №4 (25), 2019. С. 101-106.
14. Проскуряков В.И., Родионов И.В. Изменение характеристик поверхности стали 12Х^Н10Т при лазерном модифицировании в слое графитовой пасты, содержащей на-ночастицы диоксида титана // Письма в ЖТФ. Т. 47. Вып. 10, 2021. С. 50-54.
15. Родионов И. В. Физико-химические и механические характеристики парооксид-ных биосовместимых покрытий титановых имплантатов // Материаловедение. №10, 2009. С. 25-34.
16. Родионов И.В., Бутовский К.Г. Основные функциональные свойства парооксид-ных биопокрытий костных титановых имплантатов // Инженерная физика. №5, 2006. С. 37-46.
17. Родионов И.В., Бутовский К.Г. Коррозионное поведение оксидных биопокрытий костных титановых имплантатов, получаемых паротермическим оксидированием // Технологии живых систем. Т.3, №5-6, 2006. С. 74-7S.
1S. Патент РФ на изобретение № 2332239. Способ получения биосовместимого покрытия на остеофиксаторах из титана / Родионов И.В., Бутовский К.Г., Бейдик О.В., Ткачева А.В. Опубл. 27.0S.200S.
19. Патент РФ на изобретение №2412723. Способ получения оксидного биосовместимого покрытия на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали / Родионов И.В., Бутовский К.Г., Анников В.В., Карпова А.И. Опубл. 27.02.2011.
20. Rodionov I.V. Microstructure of Biocompatible Steam-Heat Oxide Coatings on Titanium Implants // Metal Science and Heat Treatment. Vol. 55, Nos. 11-12, 2014. pp. 599-602.
21. Родионов И.В. Анодно-оксидные биосовместимые покрытия титановых дентальных имплантатов // Технологии живых систем. Т.3, №4, 2006. С. 28-32.
22. Родионов И.В., Проскуряков В.И. Лазерная модификация поверхности нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т в слое смеси графитовой пасты и нанодис-персного порошка анатаза // Вестник СГТУ. №2 (85). 2020. С. 79-84.
23. Проскуряков В.И., Родионов И.В. Исследование влияния состава легирующей обмазки на изменение структуры и микротвердости нержавеющей стали 12Х18Н10Т // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». №2 (249), 2021. С. 88-92.
24. Проскуряков В.И., Родионов И.В. Исследование изменения износостойкости поверхности нержавеющей стали, полученной лазерным импульсным легированием в слое обмазки // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». №6 (253), 2021. С. 61-65.
Nevzorov Andrey Nikolaevich, student (e-mail: ando_nevzor@mail.ru) Kuts Lubov Evgenievna, Cand.Tech.Sci. (e-mail: kuts70@yandex.ru)
Saratov State Technical University named after Yu. A. Gagarin, Saratov, Russia HARDENING THE SURFACE OF THE CAM OF THE EJECTOR MECHANISM OF A COLD HEADING MACHINE USING LASER BORIDING
During the experiment on laser boriding of the surface of the cam of the ejector mechanism of a cold heading machine, the material of the experimental samples was selected, the processing modes were selected, and the experimental results were studied. Key words: boriding, hardening, heat treatment, laser processing, diffusion layer, wear resistance, performance characteristics.
