RU2527979C2 - Bench for tempering of high-speed centrifuge spinning needle bearing surface - Google Patents
Bench for tempering of high-speed centrifuge spinning needle bearing surface Download PDFInfo
- Publication number
- RU2527979C2 RU2527979C2 RU2012154705/05A RU2012154705A RU2527979C2 RU 2527979 C2 RU2527979 C2 RU 2527979C2 RU 2012154705/05 A RU2012154705/05 A RU 2012154705/05A RU 2012154705 A RU2012154705 A RU 2012154705A RU 2527979 C2 RU2527979 C2 RU 2527979C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- needle
- laser
- holder
- cage
- hardening
- Prior art date
Links
- 238000005496 tempering Methods 0.000 title abstract 4
- 238000009987 spinning Methods 0.000 title 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 36
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 33
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 21
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims description 45
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims description 43
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 31
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 19
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 19
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 19
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 18
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 13
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 10
- 229910000906 Bronze Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010974 bronze Substances 0.000 claims description 3
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- -1 for example Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 claims 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 claims 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 12
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 abstract 1
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 45
- 239000000463 material Substances 0.000 description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 description 22
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 18
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 description 15
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 13
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 5
- 239000000047 product Substances 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 3
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 2
- 238000005542 laser surface treatment Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000760 Hardened steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 101100328536 Mus musculus Cntd1 gene Proteins 0.000 description 1
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- 241001415849 Strigiformes Species 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 239000000295 fuel oil Substances 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005224 laser annealing Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000002480 mineral oil Substances 0.000 description 1
- 235000010446 mineral oil Nutrition 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010979 ruby Substances 0.000 description 1
- 229910001750 ruby Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам термообработки специальных стальных изделий непосредственным действием волновой энергии и может быть применено в серийном производстве газовых центрифуг на рабочем месте выполнения технологической операции лазерной закалки торцевой поверхности малогабаритной опорной иглы вращения ротора центрифуги [с.121…146; см. кн.: «Изотопы: свойства, получение, применение / Б.М. Андреев, В.Ю. Баранов, И.А. Белов и др.: Под ред. В.Ю. Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. - 704 с.»].The invention relates to heat treatment devices for special steel products by the direct action of wave energy and can be used in the serial production of gas centrifuges at the workplace for performing a technological operation of laser hardening of the end surface of a small support needle of rotation of a centrifuge rotor [p.121 ... 146; see book: “Isotopes: properties, production, application / B.M. Andreev, V.Yu. Baranov, I.A. Belov et al .: Ed. V.Yu. Baranova. - M .: Publishing House, 2000. - 704 p. ”].
При получении изотопов с помощью газовых центрифуг (в производственных условиях промышленного предприятия получения изотопов) путем отбора из полого ротора центрифуги тяжелой и легкой газовых фракций предусматривается многолетнее безостановочное одновременное функционирование (вращение) в цехе нескольких десятков тысяч центрифуг, ротор каждой из которых оснащен опорной иглой. Поэтому при изготовлении центрифуг (на промышленном предприятии производителе центрифуг) организован серийный вид производства опорных игл, включая выполнение операции закалки партии игл на специализированном рабочем месте (стенде) термообработки.When obtaining isotopes using gas centrifuges (in the industrial conditions of an industrial enterprise for producing isotopes) by selecting heavy and light gas fractions from a centrifuge hollow rotor, a multi-year non-stop simultaneous operation (rotation) in the workshop of several tens of thousands of centrifuges, each of which is equipped with a support needle, is provided. Therefore, in the manufacture of centrifuges (at an industrial enterprise producing centrifuges), a serial production of support needles is organized, including the operation of hardening a batch of needles at a specialized heat treatment workstation (stand).
Известна схема внутреннего устройства газовой центрифуги и опорных узлов ротора [рис.4.2.1, с.124; см. кн.: «Изотопы: свойства, получение, применение / Б.М. Андреев, В.Ю. Баранов, И.А. Белов и др.: Под ред. В.Ю. Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. - 704 с.»]. Внутренний диаметр полого цилиндра вращения (ротора) центрифуги составляет 150 мм, скорость вращения 1300 об/с (612 м/с), центробежное ускорение 500 тыс.g [с.122; см. кн.: «Изотопы: свойства, получение, применение / Б.М. Андреев, В.Ю. Баранов, И.А. Белов и др.: Под ред. В.Ю. Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. - 704 с.»]. При высокой скорости вращения центрифуги (до 150 тыс.об/мин) элементы ротора, включая опорную иглу, испытывают значительные изгибные колебания вплоть до разрушения изделия [с.129; см. кн.: «Изотопы: свойства, получение, применение / Б.М. Андреев, В.Ю. Баранов, И.А. Белов и др.: Под ред. В.Ю. Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. - 704 с.»].The known scheme of the internal structure of the gas centrifuge and the rotor support nodes [Fig. 4.2.1, p.124; see book: “Isotopes: properties, production, application / B.M. Andreev, V.Yu. Baranov, I.A. Belov et al .: Ed. V.Yu. Baranova. - M .: Publishing House, 2000. - 704 p. ”]. The inner diameter of the hollow cylinder of rotation (rotor) of the centrifuge is 150 mm, the rotation speed is 1300 r / s (612 m / s), centrifugal acceleration is 500 thousand g [p. 122; see book: “Isotopes: properties, production, application / B.M. Andreev, V.Yu. Baranov, I.A. Belov et al .: Ed. V.Yu. Baranova. - M .: Publishing House, 2000. - 704 p. ”]. At a high speed of rotation of the centrifuge (up to 150 thousand rpm), the rotor elements, including the support needle, experience significant bending vibrations up to the destruction of the product [p.129; see book: “Isotopes: properties, production, application / B.M. Andreev, V.Yu. Baranov, I.A. Belov et al .: Ed. V.Yu. Baranova. - M .: Publishing House, 2000. - 704 p. ”].
У центрифуги опора ротора вынесена от нижней крышки на упругой игле, а ротор подвешен в магнитном поле. Это позволяет оси эллипсоида инерции ротора несколько отклоняться от осей опорных узлов [с.134; см. кн.: «Изотопы: свойства, получение, применение / Б.М. Андреев, В.Ю. Баранов, И.А. Белов и др.: Под ред. В.Ю. Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. - 704 с.»]. При этом торцевая поверхность опорной иглы, касающаяся поверхности подпятника (изготовленного, например, из сапфира), испытывает незначительную вертикальную механическую нагрузку, но подвергается воздействию сил трения из-за высокоскоростного вращения ротора и периодического горизонтального колебательного смещения (биения) точки опоры по поверхности подпятника. Это означает, что торцевая поверхность контакта стальной иглы с подпятником должна обладать высокой износостойкостью, что обеспечивается повышением твердости материала в результате термообработки (закалки) стали. Вместе с тем известно [см. ст.: «Закалка (металлургия) // Википедия. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=35960613»], что при существенном повышении твердости стальных деталей повышается их хрупкость и снижается пластичность и вязкость.In a centrifuge, the rotor support is removed from the bottom cover on an elastic needle, and the rotor is suspended in a magnetic field. This allows the axis of the ellipsoid of inertia of the rotor to deviate somewhat from the axes of the support nodes [p.134; see book: “Isotopes: properties, production, application / B.M. Andreev, V.Yu. Baranov, I.A. Belov et al .: Ed. V.Yu. Baranova. - M .: Publishing House, 2000. - 704 p. ”]. In this case, the end surface of the support needle touching the surface of the thrust bearing (made, for example, from sapphire) experiences a slight vertical mechanical load, but is exposed to friction due to the high-speed rotation of the rotor and periodic horizontal vibrational displacement (runout) of the fulcrum on the thrust bearing surface. This means that the end contact surface of the steel needle with the thrust bearing must have high wear resistance, which is ensured by an increase in the hardness of the material as a result of heat treatment (hardening) of the steel. However, it is known [see Art .: “Hardening (metallurgy) // Wikipedia. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=35960613 ”], that with a significant increase in the hardness of steel parts, their brittleness increases and ductility and toughness decrease.
Однако повышение хрупкости стали по всей длине опорной иглы является недопустимым, так как при вращении ротора игла испытывает значительные изгибные колебания, приводящие к разрушению изделия [с.129; см. кн.: «Изотопы: свойства, получение, применение / Б.М. Андреев, В.Ю. Баранов, И.А. Белов и др.: Под ред. В.Ю. Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. - 704 с.»] именно из-за повышения хрупкости закаленной стали. Следовательно, при термообработке опорных игл необходимо обеспечивать сохранение упругих и вязких свойств стали практически по всей длине иглы (без повышения хрупкости), а придавать высокую твердость, то есть износостойкость, лишь опорной торцевой поверхности иглы. Это означает, что при термообработке должна быть осуществлена закалка всей торцевой поверхности иглы при условии минимальной глубины (не более долей мм) распространения закаленной зоны [рис.1; см. ст.: «Индукционный нагрев. Поверхностная термообработка стали // Промэнергия. URL: http://www.triod-gu.ru/content/induktsionnyi-nagrev-poverkhnostnaya-termoobrabotka-stali»] стали по длине иглы вдоль боковой цилиндрической поверхности иглы.However, increasing the brittleness of steel along the entire length of the supporting needle is unacceptable, since when the rotor rotates, the needle experiences significant bending vibrations, leading to destruction of the product [p.129; see book: “Isotopes: properties, production, application / B.M. Andreev, V.Yu. Baranov, I.A. Belov et al .: Ed. V.Yu. Baranova. - M .: IzdAT, 2000. - 704 pp. ”] Precisely because of the increase in the brittleness of hardened steel. Therefore, during the heat treatment of the supporting needles, it is necessary to maintain the elastic and viscous properties of steel along almost the entire length of the needle (without increasing brittleness), and to impart high hardness, that is, wear resistance, only to the supporting end surface of the needle. This means that during heat treatment, the entire end surface of the needle should be quenched under the condition of a minimum depth (not more than fractions of mm) of the propagation of the hardened zone [Fig. 1; see article: “Induction heating. Surface heat treatment of steel // Promenergiya. URL: http://www.triod-gu.ru/content/induktsionnyi-nagrev-poverkhnostnaya-termoobrabotka-stali "] steel along the length of the needle along the lateral cylindrical surface of the needle.
Внешний вид опорной иглы ротора газовой центрифуги приведен на фиг.7, при этом: форма иглы - цилиндрическая диаметром 1,15 мм; длина иглы - 30 мм; форма торцевой опорной поверхности иглы - выпуклая сферическая радиусом 2,8 мм.The appearance of the support needle of the rotor of a gas centrifuge is shown in Fig.7, while: the shape of the needle is a cylindrical diameter of 1.15 mm; needle length - 30 mm; the shape of the end supporting surface of the needle is convex spherical with a radius of 2.8 mm
Известно [см. ст.: «Теория термообработки. Поверхностная закалка. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39»], что поверхностная закалка применяется для изделий, у которых должна быть твердая поверхность и вязкая сердцевина (например, валы, шестерни, оси и т.п.), при этом особенностью закалки сталей является возможность коробления и растрескивания деталей из-за значительных остаточных напряжений, возникающих при закалке [с.182; см. кн.: «Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 648 с.»]. В зависимости от способов нагрева различают несколько видов поверхностной закалки [см. ст.: «Теория термообработки. Поверхностная закалка. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39»].It is known [see Art .: "Theory of heat treatment. Surface hardening. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39 ”], that surface hardening is used for products that should have a hard surface and a viscous core (for example, shafts , gears, axles, etc.), while a feature of hardening of steels is the possibility of warping and cracking of parts due to significant residual stresses that occur during hardening [p.182; see book: “Material Science: Textbook for universities / B.N. Arzamasov, V.I. Makarova, G.G. Mukhin et al .; Under the total. ed. B.N. Arzamasova, G.G. Mukhina. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 648 p. ”]. Depending on the heating methods, several types of surface hardening are distinguished [see Art .: "Theory of heat treatment. Surface hardening. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39 "].
Закалка погружением - разогрев поверхности ведется за счет кратковременного погружения детали в горячую среду, например в расплав соли [см. ст.: «Теория термообработки. Поверхностная закалка. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39»]. После нагрева деталь охлаждают погружением в воду или в минеральное масло. Толщина закаленного слоя определяется временем выдержки в горячей среде. При нагреве в жидких средах (например, в соляных ваннах), где условия теплообмена очень высокие, продолжительность выдержки составляет 10…15 с на 1 мм толщины [см. ст.: «Металловедение и термообработка. URL: http://tmetall.narod.ru/mater/materpos/konspektl.html»]. Недостаток способа - невозможность получения тонкого закаленного слоя (не более долей мм) на торцевой поверхности иглы.Hardening by immersion - heating of the surface is carried out by briefly immersing the part in a hot environment, for example, in molten salt [see Art .: "Theory of heat treatment. Surface hardening. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39 "]. After heating, the part is cooled by immersion in water or mineral oil. The thickness of the hardened layer is determined by the exposure time in a hot environment. When heated in liquid media (for example, in salt baths), where the heat exchange conditions are very high, the exposure time is 10 ... 15 s per 1 mm of thickness [see Art .: "Metallurgy and heat treatment. URL: http://tmetall.narod.ru/mater/materpos/konspektl.html "]. The disadvantage of this method is the inability to obtain a thin hardened layer (not more than fractions of mm) on the end surface of the needle.
Газопламенная закалка - разогрев поверхности детали проводится за счет нагрева пламенем газовой горелки [см. ст.: «Теория термообработки. Поверхностная закалка. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39»]. При нагреве деталей в газовых (также как и в электрических печах) выдержка обычно назначается из расчета 1,5…2 мин на 1 мм максимальной толщины детали (при условии, что детали в печи не соприкасаются) [см. ст.: «Металловедение и термообработка.. URL: http://tmetall.narod.ru/mater/materpos/konspektl.html»]. Достоинство способа в его универсальности, недостаток - высокая температура пламени вызывает перегрев поверхности и, как следствие, приводит к формированию крупного зерна. Кроме того, возможны выгорание углерода и легирующих элементов, резкий температурой градиент, отслаивание закаленного слоя и коробление детали, а также отсутствует возможность получения тонкого закаленного слоя (не более долей мм) на торцевой поверхности иглы.Gas-flame hardening - heating the surface of a part is carried out by heating with a flame of a gas burner [see Art .: "Theory of heat treatment. Surface hardening. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39 "]. When heating parts in gas (as well as in electric furnaces), the shutter speed is usually assigned at the rate of 1.5 ... 2 min per 1 mm of the maximum thickness of the part (provided that the parts in the furnace do not touch) [see Art .: "Metallurgy and heat treatment .. URL: http://tmetall.narod.ru/mater/materpos/konspektl.html"]. The advantage of the method is its versatility, the disadvantage is the high flame temperature causes the surface to overheat and, as a result, leads to the formation of large grains. In addition, burnout of carbon and alloying elements, a sharp temperature gradient, peeling of the hardened layer and warping of the part are possible, and there is no possibility of obtaining a thin hardened layer (no more than a fraction of mm) on the end surface of the needle.
Закалка ТВЧ (токами высокой частоты или индукционная закалка) - разогрев детали производится за счет наведения в металле токов высокой частоты [см. ст.: «Теория термообработки. Поверхностная закалка. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39»]. Деталь помещается внутрь индуктора, подключенного к источнику токов высокой частоты. Время нагрева 3…20 с [см. ст.: «Индукционный нагрев. Поверхностная термообработка стали // Промэнергия [2011-2011]. URL: http://www.triod-gu.ru/content/induktsionnyi-nagrev-poverkhnostnaya-termoobrabotka-stali»], [с.84; см. кн.: «Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.Б. Арзамасов, А.Н. Волочков, В.А. Головин и др.; под общ. ред. В.Б. Арзамасова, А.А. Черепахина. - М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 448 с.»], причем с увеличением частоты переменного тока глубина закаленного слоя уменьшается. Достоинство способа - высокая производительность, недостаток - потребность в сложном оборудовании, так как для каждой детали необходим свой индуктор, наличие вредных электромагнитных полей, а также невозможность получения тонкого закаленного слоя (не более долей мм) на торцевой поверхности иглы.High-frequency hardening (high-frequency currents or induction hardening) - the part is heated by inducing high-frequency currents in the metal [see Art .: "Theory of heat treatment. Surface hardening. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39 "]. The part is placed inside an inductor connected to a source of high-frequency currents. Heating time 3 ... 20 s [see Art .: "Induction heating. Surface heat treatment of steel // Promenergiya [2011-2011]. URL: http://www.triod-gu.ru/content/induktsionnyi-nagrev-poverkhnostnaya-termoobrabotka-stali "], [p.84; see book: “Materials science and technology of structural materials: a textbook for students. higher textbook. institutions / VB Arzamasov, A.N. Volochkov, V.A. Golovin et al .; under the general. ed. V.B. Arzamasova, A.A. Turtle. - M.: Publishing Center "Academy", 2009. - 448 S. "], and with increasing frequency of the alternating current, the depth of the hardened layer decreases. The advantage of the method is high productivity, the disadvantage is the need for sophisticated equipment, since each part requires its own inductor, the presence of harmful electromagnetic fields, and the inability to obtain a thin hardened layer (not more than a fraction of mm) on the end surface of the needle.
Индукционная закалка ТВЧ тел вращения (валов) производится с вращением закаливаемой детали [см. ст.: «Индукционная поверхностная закалка ТВЧ тел вращения // Интерм: индукционный нагрев ТВЧ. URL: http://www.interm.su/htm/tech_proc/zakalka htm/zakalkavraschen.htm»]. Длинномерные детали закаливаются последовательно с перемещением индуктора вдоль оси детали [с.194, рис.6.37; см. кн.: «Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 648 с.»]. Обычно зазор между индуктором и поверхностью нагреваемой детали составляет 1,5…3 мм [см. ст.: «Индукционная закалка. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologijaobrobotki/20.html»].Induction hardening of HDTV bodies of revolution (shafts) is performed with rotation of the hardened part [see Art .: "Induction surface hardening of high-frequency bodies of revolution // Interm: induction heating of high-frequency television. URL: http://www.interm.su/htm/tech_proc/zakalka htm / zakalkavraschen.htm "]. Long parts are hardened sequentially with the movement of the inductor along the axis of the part [p. 194, Fig. 6.37; see book: “Material Science: Textbook for universities / B.N. Arzamasov, V.I. Makarova, G.G. Mukhin et al .; Under the total. ed. B.N. Arzamasova, G.G. Mukhina. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 648 p. ”]. Typically, the gap between the inductor and the surface of the heated part is 1.5 ... 3 mm [see Art .: "Induction hardening. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologijaobrobotki/20.html "].
Охлаждение поверхности детали непосредственно после нагрева производится струями воды или жидкости специально подобранного состава из спрейера под давлением [с.195; см. кн.: «Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 648 с.»], [рис.77, рис.78; см. ст.: «Индукционная закалка. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologiiaobrobotki/20.html»]. Струя воды, поданная под давлением на поверхность разогретой детали, исключает возможность образования поверхностной паровой пленки, препятствующей интенсивному охлаждению поверхности детали [с.181; см. кн.: «Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 648 с.»].The surface cooling of the part immediately after heating is performed by jets of water or liquid of a specially selected composition from a sprayer under pressure [p. 195; see book: “Material Science: Textbook for universities / B.N. Arzamasov, V.I. Makarova, G.G. Mukhin et al .; Under the total. ed. B.N. Arzamasova, G.G. Mukhina. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 648 p. ”], [Fig. 77, Fig. 78; see article: “Induction hardening. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologiiaobrobotki/20.html "]. A jet of water, applied under pressure to the surface of the heated part, eliminates the possibility of the formation of a surface vapor film, which prevents intensive cooling of the surface of the part [p.181; see book: “Material Science: Textbook for universities / B.N. Arzamasov, V.I. Makarova, G.G. Mukhin et al .; Under the total. ed. B.N. Arzamasova, G.G. Mukhina. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 648 p. ”].
Глубина закалки 0,5…3 мм [см. ст.: «Индукционный нагрев. Поверхностная термообработка стали // Промэнергия. URL: http://www.triod-gu.ru/content/induktsionnyi-nagrev-poverkhnostnaya-termoobrabotka-stali»], [с.84, табл.5.1; см. кн.: «Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.Б. Арзамасов, А.Н. Волочков, В.А. Головин и др.; под общ. ред. В.Б. Арзамасова, А.А. Черепахина. - М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 448 с»], [табл.9; см. ст.: «Индукционная закалка. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologiiaobrobotki/20.html»] и твердость закаленного слоя варьируются путем выбора частоты переменного тока, удельной поверхностной мощности нагрева и интенсивности охлаждения.Depth of hardening 0.5 ... 3 mm [see Art .: "Induction heating. Surface heat treatment of steel // Promenergiya. URL: http://www.triod-gu.ru/content/induktsionnyi-nagrev-poverkhnostnaya-termoobrabotka-stali "], [p.84, table 5.1; see book: “Materials science and technology of structural materials: a textbook for students. higher textbook. institutions / VB Arzamasov, A.N. Volochkov, V.A. Golovin et al .; under the general. ed. V.B. Arzamasova, A.A. Turtle. - M.: Publishing Center "Academy", 2009. - 448 s "], [tab. 9; see article: “Induction hardening. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologiiaobrobotki/20.html ”] and the hardness of the hardened layer are varied by choosing the frequency of the alternating current, specific surface heating power and cooling rate.
Учитывая малые размеры опорной торцевой поверхности иглы ротора центрифуги (диаметр иглы 1,15 мм), величину зазора 1,5…3 мм [см. ст.: «Индукционная закалка. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologijaobrobotki/20.html»] между индуктором и поверхностью детали, а также форму и направление силовых линий переменного магнитного поля ТВЧ [рис.72; см. ст.: «Индукционная закалка. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnoloeiiaobrobotki/20.html»] одновитковых [с.84; см. кн.: «Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.Б. Арзамасов, А.Н. Волочков, В.А. Головин и др.; под общ. ред. В.Б. Арзамасова, А.А. Черепахина. - М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 448 с.»], [рис.77, д; см. ст.: «Индукционная закалка. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologiiaobrobotki/20.html»] и плоских индукторов [рис.77, г, з; см. ст.: «Индукционная закалка. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologiiaobrobotki/20.html»], наведенные вихревые токи производят нагрев и закалку как торцевой поверхности иглы, так и частично боковой цилиндрической поверхности вдоль оси иглы на участке длиной в несколько мм.Given the small size of the supporting end surface of the needle of the centrifuge rotor (needle diameter 1.15 mm), the gap is 1.5 ... 3 mm [see Art .: "Induction hardening. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologijaobrobotki/20.html "] between the inductor and the surface of the part, as well as the shape and direction of the lines of force of the alternating magnetic field of the HDTV [Fig. 72; see article: “Induction hardening. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnoloeiiaobrobotki/20.html "] single-turn [p.84; see book: “Materials science and technology of structural materials: a textbook for students. higher textbook. institutions / VB Arzamasov, A.N. Volochkov, V.A. Golovin et al .; under the general. ed. V.B. Arzamasova, A.A. Turtle. - M.: Publishing Center "Academy", 2009. - 448 p. "], [Fig. 77, d; see article: “Induction hardening. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologiiaobrobotki/20.html "] and flat inductors [Fig. 77, d, h; see article: “Induction hardening. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologiiaobrobotki/20.html »], induced eddy currents heat and quench both the end surface of the needle and partially the lateral cylindrical surface along the axis of the needle in a section several millimeters long.
С учетом монотонности фактического распределения температуры вглубь металла при закалке [рис.76; см. ст.: «Индукционная закалка. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologiiaobrobotki/20.html»] без четкой границы глубины закаленного слоя происходит сквозное прокаливание [рис.2; см. ст.: «Индукционный нагрев. Поверхностная термообработка стали // Промэнергия. URL: http://www.triod-gu.ru/content/induktsionnyi-nagrev-poverkhnostnaya-termoobrabotka-stali»] иглы, то есть потеря свойств пластичности и вязкости сердцевины и, как следствие, повышение хрупкости [см. ст.: «Закалка (металлургия) // Википедия. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=35960613»] термообработанной токами ВЧ малогабаритной детали, что в дальнейшем при эксплуатации иглы приводит к ее разрушению при высокоскоростном вращении ротора из-за значительных изгибных колебаний [с.129; см. кн.: «Изотопы: свойства, получение, применение / Б.М. Андреев, В.Ю. Баранов, И.А. Белов и др.: Под ред. В.Ю. Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. - 704 с.»].Given the monotony of the actual temperature distribution deep into the metal during quenching [Fig. 76; see article: “Induction hardening. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologiiaobrobotki/20.html »] without a clear boundary for the depth of the hardened layer, through calcination occurs [Fig. 2; see article: “Induction heating. Surface heat treatment of steel // Promenergiya. URL: http://www.triod-gu.ru/content/induktsionnyi-nagrev-poverkhnostnaya-termoobrabotka-stali "] needles, that is, loss of the plasticity and viscosity properties of the core and, as a consequence, increased fragility [see Art .: “Hardening (metallurgy) // Wikipedia. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=35960613 ”] heat-treated small-sized parts by currents of the RF, which subsequently during needle operation leads to its destruction during high-speed rotation of the rotor due to significant bending vibrations [p.129; see book: “Isotopes: properties, production, application / B.M. Andreev, V.Yu. Baranov, I.A. Belov et al .: Ed. V.Yu. Baranova. - M .: Publishing House, 2000. - 704 p. ”].
Лазерная закалка - разогрев поверхности осуществляется за счет воздействия на нее высокоэнергетического пучка излучения [см. ст.: «Теория термообработки. Поверхностная закалка. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39»]. Отличительные особенности лазерной закалки состоят в следующем.Laser hardening - surface heating is carried out due to exposure to a high-energy radiation beam [see Art .: "Theory of heat treatment. Surface hardening. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39 "]. Distinctive features of laser hardening are as follows.
Интенсивность энергии (мощность) воздействующего лазерного излучения [с.40…43, с.287; см. кн.: «Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 с.»], [с.108; см. кн.: «Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. - Л.: Изд-во «Машиностроение». Ленигр. отд-ние, 1978. - 336 с., ил.»] настолько велика (до 6 кВт, до 106 Вт/см2), что поверхность детали в течение долей секунды (от 0,1 до 10 мс) может быть нагрета вплоть до расплавления. Охлаждение поверхности массивной детали после нагрева происходит за счет теплоотвода вглубь детали [с.85, с.410; см. кн.: «Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.Б. Арзамасов, А.Н. Волочков, В.А. Головин и др.; под общ. ред. В.Б. Арзамасова, А.А. Черепахина. - М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 448 с.»], [с.233; см. кн.: «Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 с.»]. Дополнительное охлаждение водой при закалке крупногабаритных стальных деталей не требуется [с.165; см. кн.: «Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. - Л.: Изд-во «Машиностроение». Ленигр. отд-ние, 1978.- 336 с., ил.»]. Перемещая луч лазера по поверхности можно закаливать как отдельные участки детали, так и всю ее поверхность [с.289.,.294, рис.4.41…4.45; см. кн.: «Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 с.»]. Глубина закаленного слоя регулируется временем освещения поверхности лазером. При таком способе закалки глубина закаленного слоя может меняться от нескольких микрон до десятков и сотен микрон [см. ст.: «Теория термообработки. Поверхностная закалка. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39»].The energy intensity (power) of the acting laser radiation [p.40 ... 43, p.287; see book: “Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Technological processes of laser processing: Textbook. manual for universities / Ed. A.G. Grigoryantsa.- M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 664 p. ”], [P. 108; see book: “Krylov K.I., Prokopenko V.T., Mitrofanov A.S. The use of lasers in engineering and instrumentation. - L .: Publishing house "Engineering". Lenigr. Department, 1978. - 336 s., ill. ”] is so large (up to 6 kW, up to 10 6 W / cm 2 ) that the surface of the part can be heated for fractions of a second (from 0.1 to 10 ms) up to melting. The cooling of the surface of a massive part after heating occurs due to heat removal deep into the part [p.85, p.410; see book: “Materials science and technology of structural materials: a textbook for students. higher textbook. institutions / VB Arzamasov, A.N. Volochkov, V.A. Golovin et al .; under the general. ed. V.B. Arzamasova, A.A. Turtle. - M.: Publishing Center "Academy", 2009. - 448 p. "], [P.233; see book: “Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Technological processes of laser processing: Textbook. manual for universities / Ed. A.G. Gregorianets. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 664 p. ”]. Additional cooling with water during hardening of large-sized steel parts is not required [p.165; see book: “Krylov K.I., Prokopenko V.T., Mitrofanov A.S. The use of lasers in engineering and instrumentation. - L .: Publishing house "Engineering". Lenigr. Department, 1978.- 336 p., ill. ”]. By moving the laser beam over the surface, it is possible to harden both individual parts of the part and its entire surface [p. 289.,. 294, fig. 4.41 ... 4.45; see book: “Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Technological processes of laser processing: Textbook. manual for universities / Ed. A.G. Gregorianets. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 664 p. ”]. The depth of the hardened layer is controlled by the time the laser illuminates the surface. With this method of hardening, the depth of the hardened layer can vary from several microns to tens and hundreds of microns [see Art .: "Theory of heat treatment. Surface hardening. URL: http://my.profmetal.com.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=39 "].
Лазерную обработку поверхности, как правило, проводят в расходящемся пучке, так как это позволяет обеспечить оптимальные показатели качества термоупрочнения [с.286, рис.4.38; см. кн.: «Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 с.»].Laser surface treatment, as a rule, is carried out in a diverging beam, as this allows to provide optimal quality indicators of heat hardening [p.286, Fig. 4.38; see book: “Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Technological processes of laser processing: Textbook. manual for universities / Ed. A.G. Gregorianets. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 664 p. ”].
В ряде случаев для обеспечения необходимой скорости охлаждения детали применяют охлаждающие жидкости [с.165; см. кн.: «Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. - Л.: Изд-во «Машиностроение». Ленигр. отд-ние, 1978. - 336 с., ил.»], при этом на поверхности стальной детали не должна образовываться паровая пленка, препятствующая теплообмену с закалочной средой (охлаждающей жидкостью) [с.181; см. кн.: «Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 648 с.»].In some cases, to ensure the necessary cooling rate of the part, coolants are used [p.165; see book: “Krylov K.I., Prokopenko V.T., Mitrofanov A.S. The use of lasers in engineering and instrumentation. - L .: Publishing house "Engineering". Lenigr. Otdelniy, 1978. - 336 p., ill. ”], while a vapor film should not form on the surface of the steel part, preventing heat transfer from the quenching medium (coolant) [p.181; see book: “Material Science: Textbook for universities / B.N. Arzamasov, V.I. Makarova, G.G. Mukhin et al .; Under the total. ed. B.N. Arzamasova, G.G. Mukhina. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 648 p. ”].
Известен процесс упрочнения стальной поверхности легированием посредством лазерной цементации из жидкой фазы (так называемый способ гидролучевой лазерной поверхностной обработки стальных деталей, погруженных в углеродосодержащий раствор [с.326, рис.5.2; см. кн.: «Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 с.»]). По данному способу предусматривается формирование в жидкости вертикально направленным вниз непрерывным лазерным лучом парогазового канала, через который лазерное излучение попадает на поверхность изделия с образованием около этой поверхности куполообразного пространства, насыщенного парами углерода, который при длительном по времени лазерном воздействии насыщает углеродом приповерхностный слой стальной детали. Образующийся парогазовый канал (с куполообразным пространством в области светового пятна излучения на поверхности детали) является устойчивым структурным формированием в объеме жидкости при условии отсутствия поперечного каналу движения углеродосодержащей жидкости вдоль поверхности детали, приводящего к разрушению канала, а также при условии вертикального направления лазерного луча на поверхность детали. При горизонтальном направлении лазерного луча на поверхность детали парогазовый канал разрушается «силами Архимеда» из-за «всплытия» канала.The known process of hardening a steel surface by alloying by laser cementation from the liquid phase (the so-called method of hydro-beam laser surface treatment of steel parts immersed in a carbon-containing solution [p. 326, Fig. 5.2; see book: “Grigoryants AG, Shiganov I .N., Misyurov A.I. Technological processes of laser processing: Textbook for universities / Edited by A.G. Grigoryants. - M .: Publishing House of MSTU named after N.E.Bauman, 2008. - 664 p. . ”]). This method provides for the formation of a vapor-gas channel in a liquid with a vertically directed downward continuous laser beam through which laser radiation enters the product surface with the formation of a dome-shaped space saturated with carbon vapors near this surface, which saturates the surface layer of a steel part with carbon under a long-term laser exposure. The resulting vapor-gas channel (with a dome-shaped space in the region of the light spot of radiation on the part surface) is a stable structural formation in the liquid volume, provided that there is no carbon-containing liquid transverse to the channel along the part surface, leading to channel destruction, and also subject to the vertical direction of the laser beam to the surface the details. With the horizontal direction of the laser beam to the surface of the part, the gas-vapor channel is destroyed by the "forces of Archimedes" due to the "ascent" of the channel.
Кроме того, известно [с.234; см. кн.: «Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 с.»], что если толщина обрабатываемой детали соизмерима с размерами зоны лазерного воздействия (с диаметром светового пятна лазерного излучения), то условия ускоренного теплоотвода энергии не обеспечиваются и имеет место лазерный отжиг, а не лазерная закалка.In addition, it is known [p.234; see book: “Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Technological processes of laser processing: Textbook. manual for universities / Ed. A.G. Gregorianets. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 664 pp. ”], That if the thickness of the workpiece is commensurate with the size of the laser irradiation zone (with the diameter of the light spot of the laser radiation), the conditions for accelerated heat removal of energy are not ensured and laser annealing, rather than laser hardening, takes place.
Аналогами предлагаемого стенда являются следующие виды технологического оборудования поверхностной термообработки деталей.The following types of technological equipment for surface heat treatment of parts are analogues of the proposed stand.
Известно оборудование [с.192 - аналог; см. кн.: «Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.: Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. аумана, 2008. - 648 с.»] для термической обработки (закалки) стальных деталей в составе: источник теплоты (например, в виде печи-ванны с расплавленной солью, либо в виде электрической или топливной газовой/мазутной печи), нагревательная установка и охлаждающее устройство. На машиностроительных предприятиях для групповой термической обработки партии мелких деталей применяют механизированные печи и автоматизированные агрегаты [с.192…194, рис.6.36; см. кн.: «Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 648 с.»]. Конструкция подобного оборудования (стенда) поверхностной закалки партии деталей включает поддон (кассету) со стальными деталями; нагревательную камеру печи; закалочную камеру (бак) с охлаждающей жидкостью (с закалочной средой); подъемный столик (механизм), обеспечивающий подачу (погружение) поддона с разогретыми деталями в закалочную среду; вентилятор (насос), обеспечивающий подачу (движение) охлаждающей жидкости вдоль поверхности разогретых деталей, погруженных в закалочную среду; цепной механизм для передвижения (последовательной подачи) поддона с деталями в нагревательную камеру, затем в закалочную камеру и для загрузки/выгрузки деталей из оборудования. Данный вид оборудования обладает ограниченными функциональными возможностями, так как не обеспечивает возможность локальной закалки части поверхности детали, а также отсутствует возможность получения тонкого закаленного слоя на поверхности детали [см. ст.: «Металловедение и термообработка. URL: http://tmetall.narod.ru/mater/materpos/konspektl.html»] в пределах долей миллиметра.Known equipment [p.192 - analogue; see book: “Material Science: Textbook for universities / B.N. Arzamasov, V.I. Makarova, G.G. Mukhin et al .: Under the general. ed. B.N. Arzamasova, G.G. Mukhina. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Aumana, 2008. - 648 pp. ”] for heat treatment (hardening) of steel parts consisting of: a heat source (for example, in the form of a bath-furnace with molten salt, or in the form of an electric or fuel gas / fuel oil furnace), a heating installation and cooling device. In machine-building enterprises, for group heat treatment of a batch of small parts, mechanized furnaces and automated units are used [p.192 ... 194, fig. 6.36; see book: “Material Science: Textbook for universities / B.N. Arzamasov, V.I. Makarova, G.G. Mukhin et al .; Under the total. ed. B.N. Arzamasova, G.G. Mukhina. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 648 p. ”]. The design of such equipment (stand) for surface hardening of a batch of parts includes a pallet (cassette) with steel parts; furnace heating chamber; quenching chamber (tank) with coolant (with quenching medium); a lifting table (mechanism), which provides the supply (immersion) of the pan with the heated parts in the quenching medium; a fan (pump) that supplies (moves) the coolant along the surface of the heated parts immersed in the quenching medium; chain mechanism for moving (sequential feeding) the pallet with parts into the heating chamber, then into the quenching chamber and for loading / unloading parts from the equipment. This type of equipment has limited functionality, since it does not provide the possibility of local hardening of part of the surface of the part, and there is also no possibility of obtaining a thin hardened layer on the surface of the part [see Art .: "Metallurgy and heat treatment. URL: http://tmetall.narod.ru/mater/materpos/konspektl.html "] within fractions of a millimeter.
Известна также установка (стенд) [Аналог: см. ст.: «Установка ИЗВ-1-650 для поверхностной закалки ТВЧ цилиндрических и плоских поверхностей // Интерм: Г2011-2011]. URL: http://www.interm.su/htm/prod/inst_izvl-650.htm (дата обращения: 23.08.2011)»1 для поверхностной закалки токами ВЧ цилиндрических и плоских поверхностей стальных деталей. Конструкция установки включает станок, содержащий механизм вертикального закрепления обрабатываемой детали (вала) в центрах (захватах) и механизм перемещения вдоль поверхности детали индуктора-спрейера с блоком согласования; бак (корпус) из нержавеющей стали для закалочной жидкости; источник питания установки; блок управления установки с программируемым микроконтроллером. При этом минимальный диаметр обрабатываемого вала с учетом глубины закаленного слоя ограничен несколькими мм [см. ст.: «Индукционный нагрев. Поверхностная термообработка стали // Промэнергия. URL: http://www.tnod-gu.ru/content/induktsionnyi-nagrev-poverkhnostnava-termoobrabotka-stali»], [с.84, табл.5.1; см. кн.: «Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.Б. Арзамасов, А.Н. Волочков, В.А. Головин и др.; под общ. ред. В.Б. Арзамасова, А.А. Черепахина. - М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 448 с.»], [табл.9, рис.76; см. ст.: «Индукционная закалка. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologijaobrobotki/20.html»]. Установка обладает ограниченными функциональными возможностями, так как не обеспечивает поверхностную локальную закалку мелких стальных валов (игл) диаметром 1…1,5 мм с сохранением вязкой сердцевины вала, а реализует сквозную прокалку подобного вала в результате нагрева ТВЧ [рис.2; см. ст.: «Индукционный нагрев. Поверхностная термообработка стали // Промэнергия. URL: http://www.triod-gu.ru/content/induktsionnyi-nagrev-poverkhnostnaya-termoobrabotka-stali»], что приводит к хрупкости вала.Also known installation (stand) [Analog: see article: "Installation IZV-1-650 for surface hardening of high-frequency alloy cylindrical and flat surfaces // Interm: G2011-2011]. URL: http://www.interm.su/htm/prod/inst_izvl-650.htm (accessed: 08/23/2011) »1 for surface hardening by HF currents of cylindrical and flat surfaces of steel parts. The design of the installation includes a machine containing a mechanism for vertically securing the workpiece (shaft) in the centers (grips) and a mechanism for moving along the surface of the part of the inductor-sprayer with the matching unit; stainless steel tank (body) for quenching liquid; installation power supply; unit control unit with a programmable microcontroller. In this case, the minimum diameter of the machined shaft, taking into account the depth of the hardened layer, is limited to a few mm [see Art .: "Induction heating. Surface heat treatment of steel // Promenergiya. URL: http://www.tnod-gu.ru/content/induktsionnyi-nagrev-poverkhnostnava-termoobrabotka-stali "], [p.84, table 5.1; see book: “Materials science and technology of structural materials: a textbook for students. higher textbook. institutions / VB Arzamasov, A.N. Volochkov, V.A. Golovin et al .; under the general. ed. V.B. Arzamasova, A.A. Turtle. - M.: Publishing Center "Academy", 2009. - 448 p. "], [Tab. 9, Fig. 76; see article: “Induction hardening. URL: http://www.tehnoinfa.ru/tehnologijaobrobotki/20.html "]. The installation has limited functional capabilities, since it does not provide surface local hardening of small steel shafts (needles) with a diameter of 1 ... 1.5 mm while maintaining the viscous core of the shaft, but implements through-baking of such a shaft as a result of heating the high-frequency [Fig. 2; see article: “Induction heating. Surface heat treatment of steel // Promenergiya. URL: http://www.triod-gu.ru/content/induktsionnyi-nagrev-poverkhnostnaya-termoobrabotka-stali "], which leads to the fragility of the shaft.
Наиболее близким к предлагаемому стенду по схеме обработки [с.294, рис.4.44, рис.4.45: см. кн.: «Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н.. Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 с.] и технической сущности является лазерная технологическая установка [с.583…589, рис.9.1, рис.9.2 - прототип: см. кн.: «Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 с.»] с механизмом, оснащенным захватом для линейного перемещения деталей, помещенных в защитную камеру (корпус) с входным окном из кварцевого стекла для пропускания лазерного излучения [с.289, рис.4.40; см. кн.: «Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 с.»], дополненная насосом подачи на закаливаемую деталь охлаждающей (закалочной) жидкости [с.165; см. кн.: «Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. - Л.: Изд-во «Машиностроение». Ленигр. отд-ние, 1978. - 336 с.»] и блоком управления технологической установкой и оснасткой. Например, установка «Квант-16» [с.306; см. кн.: «Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. - Л.: Изд-во «Машиностроение». Ленигр. отд-ние, 1978. - 336 с., ил.»] и др. аналогичные [с.590…602; см. кн.: «Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 с.»].Closest to the proposed stand according to the processing scheme [p. 294, fig. 4.44, fig. 4.45: see book .: “Grigoryants A.G., Shiganov I.N. Misyurov A.I. Technological processes of laser processing: Textbook. manual for universities / Ed. A.G. Gregorianets. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 664 p.] And the technical essence is a laser technological installation [p. 583 ... 589, fig. 9.1, fig. 9.2 - prototype: see book .: “Grigoryants A.G., Shiganov I.N. , Misyurov A.I. Technological processes of laser processing: Textbook. manual for universities / Ed. A.G. Gregorianets. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 664 p. ”] With a mechanism equipped with a gripper for linear movement of parts placed in a protective chamber (housing) with an entrance window made of quartz glass for transmitting laser radiation [p.289, Fig.4.40; see book: “Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Technological processes of laser processing: Textbook. manual for universities / Ed. A.G. Grigoryantsa.- M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 664 p. ”], Supplemented by a pump for supplying a quenched part of a cooling (quenching) liquid [p.165; see book: “Krylov K.I., Prokopenko V.T., Mitrofanov A.S. The use of lasers in engineering and instrumentation. - L .: Publishing house "Engineering". Lenigr. Department, 1978. - 336 S. "] and the control unit of the technological installation and equipment. For example, the installation of "Quantum-16" [p.306; see book: “Krylov K.I., Prokopenko V.T., Mitrofanov A.S. The use of lasers in engineering and instrumentation. - L .: Publishing house "Engineering". Lenigr. Otdenie, 1978. - 336 p., ill. ”] and others similar [p. 590 ... 602; see book: “Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Technological processes of laser processing: Textbook. manual for universities / Ed. A.G. Gregorianets. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 664 p. ”].
Указанные установки и схемы обработки обладают ограниченными функциональными возможностями, так как не обеспечивают возможность лазерной закалки отдельной (например, торцевой) поверхности малогабаритных стальных деталей, соизмеримой с размерами светового пятна импульсного лазерного излучения [с.234; см. кн.: «Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 с.»].The indicated installations and processing schemes have limited functional capabilities, since they do not provide the possibility of laser hardening of a separate (for example, end) surface of small-sized steel parts, commensurate with the size of the light spot of pulsed laser radiation [p.234; see book: “Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Technological processes of laser processing: Textbook. manual for universities / Ed. A.G. Gregorianets. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2008. - 664 p. ”].
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей установки (стенда) серийной лазерной закалки малоразмерных поверхностей стальной детали, соизмеримых с размерами светового пятна импульсного лазерного излучения.The task of the invention is to expand the functionality of the installation (stand) serial laser hardening of small surfaces of the steel part, commensurate with the size of the light spot of pulsed laser radiation.
Поставленная задача решается тем, что в стенд лазерной закалки опорной поверхности игл вращения высокоскоростных центрифуг, содержащий:The problem is solved in that in the stand of laser hardening of the supporting surface of the needles of rotation of high-speed centrifuges, containing:
лазер параллельного пучка импульсного излучения с механизмом фокусировки оптической системы из собирающей и рассеивающей линз,a laser of a parallel beam of pulsed radiation with a focusing mechanism of the optical system from collecting and scattering lenses,
корпус ванны с охлаждающей закалочной жидкостью внутри и герметичным боковым окном из кварцевого стекла по центру вертикальной стенки корпуса ванны для пропускания пучка лазерного излучения,a bath body with a quenching coolant inside and a sealed quartz glass side window in the center of the vertical wall of the bath body to transmit a laser beam,
кассету с незакаленными иглами,cassette with unhardened needles,
контейнер для сбора закаленных игл,container for collecting hardened needles,
насос охлаждающей закалочной жидкости иquench coolant pump and
блок управления,Control block,
дополнительно введены:additionally introduced:
горизонтальная перегородка, разделяющая корпус ванны на верхнюю и нижнюю камеры, с краевым прямоугольным вырезом по центру одной из сторон перегородки с шириной выреза не менее ширины бокового окна,a horizontal partition dividing the body of the bathtub into upper and lower chambers, with a rectangular edge cutout in the center of one of the sides of the partition with a cutout width not less than the width of the side window,
цилиндрическая обойма с первым и вторым торцами и сквозным внутренним осевым отверстием между торцами для скользящей посадки иглы, причем первый торец обоймы выполнен с фаской в виде лепестков цангового захвата иглы, и длина обоймы соответствует длине иглы, а внешний диаметр обоймы превосходит диаметр иглы, по меньшей мере, в два раза,a cylindrical ferrule with first and second ends and a through axial bore between the ends for sliding the needle fit, the first end of the ferrule being chamfered in the form of petals of a collet grip of the needle, and the length of the ferrule corresponds to the length of the needle, and the outer diameter of the ferrule exceeds the diameter of the needle, at least at least twice
сжимающий упор, выполненный в виде швеллера с внутренним сечением, соответствующим сечению прямоугольного выреза в горизонтальной перегородке корпуса ванны, и коническим отверстием в центре основания швеллера, причем конусность отверстия в основании швеллера соответствует параметрам фаски первого торца цилиндрической обоймы и обеспечивает сжатие лепестков цангового захвата иглы в позиции лазерной закалки,a compression stop made in the form of a channel with an internal cross section corresponding to the cross-section of a rectangular cut in the horizontal partition of the bath body and a conical hole in the center of the channel base, the taper of the hole in the channel base corresponding to the chamfer parameters of the first end of the cylindrical cage and provides compression of the needle grip petals in laser hardening positions,
осевой упор второго торца обоймы,axial emphasis of the second end of the cage,
механизм периодического линейного возвратно-поступательного перемещения обоймы между сжимающим и осевым упорами,the mechanism of the periodic linear reciprocating movement of the cage between the compressive and axial stops,
держатель незакаленной иглы в горизонтальном положении, подлежащей скользящей посадке внутрь обоймы,the holder of an unhardened needle in a horizontal position, which is subject to a sliding fit inside the holder,
затвор кассеты с механизмом, обеспечивающим последовательную подачу незакаленных игл на держатель после перемещения обоймы в позицию лазерной закалки иглы,cartridge shutter with a mechanism for sequential supply of unhardened needles to the holder after moving the cartridge to the position of laser quenching of the needle,
фильтры тонкой очистки охлаждающей закалочной жидкости на входе и выходе насоса,fine filters for quenching coolant at the pump inlet and outlet,
решетка, обеспечивающая формирование продольного вертикального ламинарного потока охлаждающей закалочной жидкости внутри швеллера при протекании охлаждающей жидкости вдоль поверхности первого торца обоймы в позиции лазерной закалки опорной поверхности иглы,a lattice providing the formation of a longitudinal vertical laminar flow of quenching coolant inside the channel when coolant flows along the surface of the first end of the cage in the position of laser quenching of the needle support surface,
при этомwherein
окно из кварцевого стекла в вертикальной боковой стенке корпуса ванны выполнено в виде рассеивающей линзы, а показатели преломления кварцевого стекла рассеивающей и собирающей линз и радиусы кривизны сферических поверхностей этих линз взаимно идентичны,the quartz glass window in the vertical side wall of the bathtub body is made in the form of a scattering lens, and the refractive indices of the quartz glass of the scattering and collecting lenses and the radii of curvature of the spherical surfaces of these lenses are mutually identical
горизонтальная перегородка плотно закреплена на боковых стенках корпуса ванны с размещением краевого прямоугольного выреза под окном из кварцевого стекла,a horizontal partition is tightly fixed to the side walls of the bath body with the placement of a rectangular edge cutout under a quartz glass window,
сжимающий упор плотно установлен вертикально над краевым прямоугольным вырезом перегородки с плотным прилеганием стенок швеллера к вертикальной боковой стенке корпуса ванны с охватом стенками швеллера бокового окна из кварцевого стекла,a compression stop is mounted vertically above the rectangular rectangular cutout of the partition with a snug fit of the channel walls to the vertical side wall of the bath body with the channel walls covering the side window of quartz glass,
решетка формирования ламинарного потока охлаждающей закалочной жидкости установлена внутри швеллера под окном из кварцевого стекла,a lattice for forming a laminar flow of quenching coolant is installed inside the channel under a quartz glass window,
насос соединен входным и выходным патрубками, соответственно, с верхней и нижней камерами корпуса ванны,the pump is connected to the inlet and outlet nozzles, respectively, with the upper and lower chambers of the bath body,
а выходные шины блока управления соединены с соответствующими входными шинами управления запуском лазера и двигателями насоса и механизмов фокусировки оптической системы, перемещения обоймы и привода затвора кассеты,and the output buses of the control unit are connected to the corresponding input buses for controlling the start of the laser and the engines of the pump and the focusing mechanisms of the optical system, the movement of the cage and the shutter drive of the cartridge,
причем собирающая линза лазерного излучения, рассеивающая линза в окне из кварцевого стекла, коническое отверстие сжимающего упора первого торца обоймы, обойма с закаливаемой иглой, последующая незакаленная игла на держателе и осевой упор второго торца обоймы установлены в горизонтальной последовательности по главной оптической оси лазера, при этом механизм фокусировки обеспечивает линейное перемещение собирающей линзы вдоль главной оптической оси лазера относительно рассеивающей линзы, и диаметр светового пятна параллельного лазерного излучения на опорной поверхности закаливаемой иглы соответствует ее диаметру.moreover, the collecting lens of the laser radiation, the scattering lens in the window made of quartz glass, the conical hole of the compression stop of the first end of the cage, the cage with a quenched needle, the next unhardened needle on the holder and the axial stop of the second end of the cage are installed in horizontal sequence along the main optical axis of the laser, the focusing mechanism provides a linear movement of the collecting lens along the main optical axis of the laser relative to the scattering lens, and the diameter of the light spot parallel to the laser polar radiation hardenable needle support surface corresponds to its diameter.
Кроме того:Besides:
обойма с лепестками цангового захвата выполнена из упругого металлического теплоемкого сплава, например из бронзы;a clip with collet gripping petals is made of a heat-resistant elastic metal alloy, for example, bronze;
держатель незакаленной иглы выполнен, например, в виде, по меньшей мере, двух вертикально защемленных в дополнительной нижней опоре плоских Y-образных стальных пружин;the non-hardened needle holder is made, for example, in the form of at least two vertically pinched flat Y-shaped steel springs in an additional lower support;
затвор кассеты приводится в действие, например, дополнительным электромагнитом, сигнал запуска которого поступает с выхода блока управления.the cartridge shutter is actuated, for example, by an additional electromagnet, the trigger signal of which comes from the control unit output.
Сущность изобретения поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:
фиг.1 - структурно-функциональная схема стенда лазерной закалки опорной поверхности игл вращения высокоскоростных центрифуг (вертикальный разрез стенда);figure 1 - structural and functional diagram of the stand of laser hardening of the supporting surface of the needles of rotation of high-speed centrifuges (vertical section of the stand);
фиг.2 - пример конструктивного исполнения цилиндрической цанговой обоймы;figure 2 is an example of a design of a cylindrical collet;
фиг.3 - конструкция горизонтальной перегородки с краевым прямоугольным вырезом;figure 3 - design of a horizontal partition with a rectangular edge cut;
фиг.4 - конструкция торцевого упора в виде швеллера с коническим отверстием в основании;figure 4 - design of the end stop in the form of a channel with a conical hole in the base;
фиг.5 - конструкция решетки формирования ламинарного потока охлаждающей закалочной жидкости;5 is a design of a lattice forming a laminar flow of quenching coolant;
фиг.6 - конструкция держателя незакаленной иглы в виде плоской Y-образной стальной пружины;6 is a design of the holder of an unhardened needle in the form of a flat Y-shaped steel spring;
фиг.7 - внешний вид опорной иглы ротора газовой центрифуги.Fig.7 is an external view of the support needle of the rotor of a gas centrifuge.
На чертежах обозначено:In the drawings indicated:
1 - лазер импульсного излучения (источник лазерного обрабатывающего излучения); 2 - главная оптическая ось лазера; 3 - параллельный пучок лазерного излучения диаметром Dп; 4 - собирающая линза; 5 - окно из стекла в форме рассеивающей линзы; 6 - механизм фокусировки оптической системы из собирающей и рассеивающей линз; 7 - корпус ванны; 8 - вертикальная боковая стенка корпуса ванны; 9 - охлаждающая закалочная жидкость; 10 - цилиндрическая обойма; 11 - направляющие линейного перемещения цилиндрической обоймы; 12 - механизм возвратно-поступательного перемещения цилиндрической обоймы; 13 - сжимающий упор первого торца цилиндрической обоймы в виде швеллера; 14 - осевой упор второго торца цилиндрической обоймы; 15 - сходящийся пучок лазерного излучения; 16 - параллельный пучок лазерного излучения диаметром dп; 17 - игла в позиции лазерной закалки торца диаметром dи; 18 - направления линейного возвратно-поступательного перемещения цилиндрической обоймы; 19 - кассета с незакаленными иглами; 20 - партия незакаленных игл; 21 - контейнер для сбора закаленных игл; 22 - закаленные иглы; 23 - незакаленная игла, подлежащая скользящей посадке внутрь цилиндрической обоймы; 24 - держатели незакаленной иглы в виде плоских Y-образных стальных пружин; 25 - рычаг качающейся кулисы; 26 - ось качания кулисы; 27 - втягивающий электромагнит механизма возвратно-поступательного перемещения цилиндрической обоймы; 28 - сердечник втягивающего электромагнита; 29 - возвратная пружина рычага качающейся кулисы; 30 - затвор кассеты с незакаленными иглами; 31 - возвратная пружина затвора; 32 - втягивающий электромагнит затвора; 33 - окно в затворе для пропускания незакаленной иглы на Y-образные держатели; 34 - окно в направляющей для пропускания закаленной иглы в контейнер; 35 - блок управления запуском лазера, двигателями насоса и механизма фокусировки оптической системы и втягивающими электромагнитами кулисы и затвора; 36 - горизонтальная перегородка корпуса ванны; 37 - верхняя камера корпуса ванны; 38 - нижняя камера корпуса ванны; 39 - насос для перекачки охлаждающей закалочной жидкости из верхней камеры корпуса ванны в нижнюю камеру; 40 - входной патрубок насоса; 41 - выходной патрубок насоса; 42 - входные и выходные фильтры тонкой очистки охлаждающей закалочной жидкости; 43 - решетка формирования ламинарного потока охлаждающей закалочной жидкости; 44 - ламинарный поток охлаждающей закалочной жидкости; 45 - ось зацепления рычага кулисы; 46 - лепестки (зажимные кулачки) цангового захвата цилиндрической обоймы; 47 - первый торец цилиндрической обоймы; 48 - второй торец цилиндрической обоймы; 49 - фаска первого торца цилиндрической обоймы; 50 - осевое отверстие цилиндрической обоймы для скользящей посадки закаливаемой иглы; 51 - краевой прямоугольный вырез в горизонтальной перегородке корпуса ванны; 52 - коническое отверстие в плоском основании сжимающего упора; 53 - поверхность для размещения незакаленной иглы, подлежащей скользящей посадке внутрь цилиндрической обоймы.1 - laser pulse radiation (source of laser processing radiation); 2 - the main optical axis of the laser; 3 - a parallel laser beam with a diameter of D p ; 4 - collecting lens; 5 - a glass window in the form of a scattering lens; 6 is a focusing mechanism of an optical system from collecting and scattering lenses; 7 - bathtub body; 8 - vertical side wall of the bath body; 9 - cooling quenching fluid; 10 - a cylindrical ferrule; 11 - guides of linear movement of the cylindrical cage; 12 - the mechanism of the reciprocating movement of the cylindrical cage; 13 - compressive stop of the first end of the cylindrical cage in the form of a channel; 14 - axial emphasis of the second end of the cylindrical cage; 15 - converging beam of laser radiation; 16 - parallel beam of laser radiation with a diameter of d p ; 17 - needle in the position of laser hardening of the end face with diameter d and ; 18 - directions of linear reciprocating movement of a cylindrical cage; 19 - cassette with non-hardened needles; 20 - a party of unhardened needles; 21 - a container for collecting hardened needles; 22 - hardened needles; 23 - non-hardened needle, subject to a sliding fit inside the cylindrical cage; 24 - holders of an unhardened needle in the form of flat Y-shaped steel springs; 25 - lever swinging wings; 26 - the swing axis of the scenes; 27 - a retracting electromagnet mechanism reciprocating movement of a cylindrical cage; 28 - core retractor electromagnet; 29 - a return spring of the lever swinging wings; 30 - cartridge shutter with non-hardened needles; 31 - a return spring of a lock; 32 - retracting shutter electromagnet; 33 - a window in the shutter for passing an unhardened needle onto the Y-shaped holders; 34 is a window in the guide for passing a hardened needle into a container; 35 - control unit for starting the laser, pump engines and the focusing mechanism of the optical system and the retracting electromagnets backstage and shutter; 36 - horizontal partition of the bath body; 37 - the upper chamber of the bath body; 38 - lower chamber of the bath body; 39 is a pump for pumping cooling quenching fluid from the upper chamber of the bath body into the lower chamber; 40 - inlet pipe of the pump; 41 - output pipe of the pump; 42 - input and output fine filters of cooling quenching liquid; 43 - lattice forming a laminar flow of quenching coolant; 44 - laminar flow of quenching coolant; 45 - the link axis of the link arm; 46 - petals (clamping cams) of a collet capture of a cylindrical holder; 47 - the first end of the cylindrical cage; 48 - the second end of the cylindrical cage; 49 - chamfer of the first end of the cylindrical cage; 50 - axial hole of a cylindrical cage for a sliding fit hardened needles; 51 - a rectangular rectangular cutout in the horizontal partition of the bath body; 52 - a conical hole in the flat base of the compression stop; 53 is a surface for accommodating an unhardened needle to be slidably fit inside a cylindrical cage.
Особенности режимов работы и конструктивно-функционального исполнения узлов, блоков и элементов стенда состоят в следующем.Features of the operating modes and structural and functional execution of nodes, blocks and elements of the stand are as follows.
Лазер 1 формирует импульс излучения 3 по командам блока управления 35. Длина волны импульсного лазерного излучения 3 должна соответствовать диапазону прозрачности стекла собирающей 4 и рассеивающей 5 линз, то есть быть менее 2,5 мкм [с.9, рис.1, с.10; см. кн.: «Мачулка Г.А. Лазерная обработка стекла. - М.: Сов. радио, 1979. - 136 с., ил.»]. Например, быть равной: 1,06 мкм (твердотельный лазер - неодим в стекле); 0,53…0,55 мкм (активаторы - редкоземельные элементы); 0,69 мкм (рубин); 0,85 мкм (полупроводниковый лазер) [с.27…28, с.160, табл.25; см. кн.: «Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. - Л.: Изд-во «Машиностроение». Ленигр. отд-ние, 1978. - 336 с., ил.»], [с.39, табл.4; см. кн.: «Федоров Б.Ф. Лазеры. Основы устройства и применение. - М.: ДОСААФ, 1988. - 190 с., ил.»]. Мощность обрабатывающего лазерного излучения 3 составляет до 300 Вт при длительности импульса излучения до 100 нс. Распределение энергии в сечении пучка лазерного излучения 3 соответствует, например, закону Гаусса. Блок управления 35 обеспечивает формирование импульса лазерного излучения 3 (либо последовательности импульсов) требуемой длительности и интенсивности с учетом необходимости достижения в световом пятне излучения 16 температуры закалки (до 900 К) для конкретного материала иглы 17.Laser 1 generates a radiation pulse 3 by commands of the control unit 35. The wavelength of the pulsed laser radiation 3 should correspond to the transparency range of the glass collecting 4 and scattering 5 lenses, that is, be less than 2.5 microns [p.9, fig. 1, p.10 ; see book: “Machulka G.A. Laser processing of glass. - M .: Owls. Radio, 1979. - 136 p., ill. ”]. For example, to be equal: 1.06 microns (solid-state laser - neodymium in glass); 0.53 ... 0.55 microns (activators - rare earth elements); 0.69 μm (ruby); 0.85 μm (semiconductor laser) [p. 27 ... 28, p. 160, table 25; see book: “Krylov K.I., Prokopenko V.T., Mitrofanov A.S. The use of lasers in engineering and instrumentation. - L .: Publishing house "Engineering". Lenigr. Department, 1978. - 336 p., ill. ”], [p. 39, table 4; see book: “Fedorov B.F. Lasers Basics of the device and application. - M .: DOSAAF, 1988. - 190 p., Ill. ”]. The power of the processing laser radiation 3 is up to 300 W with a pulse duration of radiation of up to 100 ns. The energy distribution in the cross section of the laser beam 3 corresponds, for example, to the Gauss law. The control unit 35 provides the formation of a laser pulse 3 (or a sequence of pulses) of the required duration and intensity, taking into account the need to achieve a quenching temperature (up to 900 K) for a particular needle material 17 in a light spot of radiation 16.
Радиусы кривизны сферических поверхностей и показатели преломления собирающей линзы 4 и рассеивающей линзы 5 взаимно идентичны. Собирающая линза 4 и рассеивающая линза 5 изготовлены, например, из кварцевого стекла.The radii of curvature of the spherical surfaces and the refractive indices of the collecting lens 4 and the scattering lens 5 are mutually identical. The collecting lens 4 and the diffusing lens 5 are made, for example, of quartz glass.
Механизм 6 фокусировки оптической системы (см. фиг.1) по командам блока управления 35 обеспечивает линейное перемещение собирающей линзы 4 относительно рассеивающей линзы 5 вдоль главной оптической оси 2 лазера 1, например, с помощью червячной передачи винт-гайка.The focusing mechanism 6 of the optical system (see FIG. 1) by the commands of the control unit 35 provides a linear movement of the collecting lens 4 relative to the scattering lens 5 along the main optical axis 2 of the laser 1, for example, using a screw-nut worm gear.
Охлаждающая закалочная жидкость 9 обеспечивает (после воздействия на торец иглы 17 импульсного лазерного излучения 16) интенсивное охлаждение всех омываемых поверхностей, таких как закаливаемая торцевая поверхность иглы 17, поверхность 47 первого торца цилиндрической обоймы 10, внутренняя поверхность сжимающего упора 13 (основания швеллера).The quenching cooling liquid 9 provides (after exposure to the tip of the needle 17 of the pulsed laser radiation 16) intensive cooling of all the surfaces being washed, such as the hardened end surface of the needle 17, the
Цилиндрическая обойма 10 (см. фиг.2) со стороны первого торца 47 исполнена в виде цангового зажима с числом лепестков 46 (зажимных кулачков), например, от двух и более, обеспечивающих плотное сжатие иглы 17 в позиции закалки и интенсивный отвод тепловой энергии (охлаждение за счет теплопроводности) от закаливаемого торца иглы 17 в толщу материала обоймы 10 после воздействия импульса лазерного излучения 16. Диаметр цилиндрической обоймы 10 должен превышать диаметр иглы 17 не менее чем в два раза и составлять преимущественно 25…30 мм. Диаметр окружности торцевой поверхности 47 должен составлять преимущественно 20…25 мм. Высота фаски 49 первого торца 47 обоймы 10 должна составлять преимущественно 10…15 мм. Осевое отверстие 50 в обойме 10 обеспечивает скользящую посадку с зазором [черт.2; см. ст.: «ГОСТ 7713-62. Межгосударственный стандарт. Допуски и посадки. Основные определения. // Основные нормы взаимозаменяемости. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200012205»] иглы 23 внутрь обоймы 10 при ее перемещении до осевого упора 14. При этом игла 23 выталкивает из отверстия 50 обработанную иглу 17, которая, в свою очередь, сквозь окно 34 попадает в контейнер 21. Со стороны второго торца 48 обоймы 10 вход в осевое отверстие 50 должен быть исполнен в виде конического отверстия-ловителя иглы 23. Обойма 10 подлежит изготовлению из упругого теплоемкого металла, например, из бронзы или из стали.The cylindrical cage 10 (see figure 2) from the side of the
Элементы конструкции направляющих 11 должны обеспечивать беспрепятственное линейное перемещение цилиндрической обоймы 10 между сжимающим упором 13 и осевым упором 14 вдоль главной оптической оси 2 лазера 1.The structural elements of the guides 11 must provide unhindered linear movement of the
Механизм 12 (см. фиг.1) по командам блока управления 35 обеспечивает возвратно-поступательного перемещения обоймы 10 между сжимающим упором 13 и осевым упором 14, например, с помощью качающейся вокруг оси 26 кулисы 25, которая приводится в движение электромагнитом 27 и возвращается в исходное положение с помощью пружины растяжения 29. Зацепление рычага кулисы 25 с обоймой 10 (являющейся ползуном в качающемся вокруг оси 26 кулисном 25 механизме 12) осуществляется, например, с помощью оси 45. Допускается двустороннее расположение осей 45 на цилиндрической поверхности обоймы 10 и зацепление обоймы 10 посредством раздвоенного рычага кулисы 25 (охватывающего обойму 10). Возможны и другие кинематические схемы реализации механизма 12, например, червячные с электроприводом.The mechanism 12 (see figure 1) at the commands of the control unit 35 provides a reciprocating movement of the
Сжимающий упор 13 (см. фиг.4) исполнен, например, в виде швеллера с коническим отверстием 52, обеспечивающим сжатие цанговых лепестков 46 обоймы 10 при ее перемещении в позицию лазерной закалки торца иглы 17. Конусность и глубина отверстия 52 соответствуют параметрам фаски 49 первого торца 47 обоймы 10, что способствует плотному прилеганию поверхности 49 обоймы 10 к конической поверхности отверстия 52 (см. фиг.4) и обеспечивает интенсивный отвод тепловой энергии (охлаждение за счет теплопроводности) от обоймы 10 в толщу материала упора 13 после воздействия импульса лазерного излучения 16. Глубина отверстия 52 в сжимающем упоре 13 (то есть толщина основания швеллера 13) должна быть преимущественно 10…15 мм.The compression stop 13 (see Fig. 4) is, for example, in the form of a channel with a
Держатели 24 (см. фиг.6) изготовлены, например, в виде плоских Y-образных упругих стальных пружин (толщиной до 0,3 мм), обеспечивающих горизонтальную фиксацию незакаленной иглы 23 соосно с обоймой 10 и главной оптической осью 2 лазера 1. При смещении обоймы 10 в сторону осевого упора 14 после вхождения иглы 23 в осевое отверстие 50 обоймы 10 происходит поочередный упругий изгиб держателей 24 корпусом обоймы 10, а также выталкивание иглой 23 иглы 17 из отверстия 50. Возможны и другие кинематические схемы механизмов фиксации иглы 23 горизонтально и соосно с обоймой 10, например, с использованием дополнительных зажимов.The holders 24 (see Fig.6) are made, for example, in the form of flat Y-shaped elastic steel springs (up to 0.3 mm thick) that provide horizontal fixation of the unhardened needle 23 coaxially with the
Затвор 30 кассеты 19 (см. фиг.1) обеспечивает последовательную поштучную подачу незакаленных игл 20 из кассеты 19 на держатели 24 с помощью, например, электромагнитного привода 32, втягивающего осевой сердечник затвора 30 по командам блока управления 35. Затвор 30 возвращается в исходное (закрытое) состояние с помощью пружины растяжения 31. Возможны и другие кинематические схемы привода затвора 30 по командам блока управления 35.The shutter 30 of the cartridge 19 (see Fig. 1) provides sequential piecewise supply of unhardened needles 20 from the cartridge 19 to the
Блок управления 35 (см. фиг.1) запуском лазера 1, двигателем насоса 39, двигателем механизма фокусировки 6, втягивающим электромагнитом 27 кулисы 12 и втягивающим электромагнитом 32 затвора 30 обеспечивает формирование команд управления перечисленными узлами и передачу управляющих сигналов на их входные шины управления в соответствие с алгоритмом функционирования стенда. В качестве блока управления 35 могут быть применены программируемый микроконтроллер, специализированная микросборка/микросхема высокой степени интеграции, однокристальная микро-ЭВМ или персональный компьютер.The control unit 35 (see Fig. 1) by starting the laser 1, the pump motor 39, the motor of the focusing mechanism 6, the retracting electromagnet 27 of the wings 12 and the retracting electromagnet 32 of the shutter 30 provides the formation of control commands for these nodes and the transmission of control signals to their input control buses to compliance with the algorithm of the functioning of the stand. As the control unit 35, a programmable microcontroller, a specialized micro-assembly / highly integrated microcircuit, a single-chip microcomputer, or a personal computer can be used.
Насос 39 (см. фиг.1) для перекачки охлаждающей закалочной жидкости 9 из верхней камеры 37 корпуса ванны 7 в нижнюю камеру 38 по командам блока управления 35 обеспечивает необходимую скорость протекания (до 1 м/с) охлаждающей закалочной жидкости 9 вдоль закаливаемой торцевой поверхности иглы 17. Месторасположение насоса 39 на фиг.1 показано условно. Входной 40 и выходной 41 патрубки насоса 39 должны располагаться преимущественно на боковой стенке 8, соответственно, выше окна 5 (в верхней камере 37 выше сжимающего упора 13) и ниже окна 5 (в нижней камере 38 ниже решетки 43).A pump 39 (see Fig. 1) for pumping cooling quenching fluid 9 from the upper chamber 37 of the bath body 7 to the lower chamber 38, by commands of the control unit 35, provides the necessary flow rate (up to 1 m / s) of the cooling quenching fluid 9 along the hardened end surface needles 17. The location of the pump 39 in figure 1 is shown conditionally. The inlet 40 and outlet 41 nozzles of the pump 39 should be located mainly on the side wall 8, respectively, above the window 5 (in the upper chamber 37 above the compression stop 13) and below the window 5 (in the lower chamber 38 below the grill 43).
Входные и выходные фильтры тонкой очистки 42 охлаждающей закалочной жидкости 9 обеспечивают удаление из ее состава взвешенных мелкодисперсных частиц, образующихся в зоне воздействия светового пятна интенсивного лазерного излучения 16 на торец иглы 17 вследствие высокотемпературного атомарно-молекулярного отслаивания металла иглы 17, поверхностных загрязнений и окислов, а также неизбежных мелкодисперсных частиц износа трущихся и соприкасающихся поверхностей элементов конструкции и механизмов стенда. В случае отсутствия фильтров тонкой очистки 42, наличие взвешенных мелкодисперсных частиц в составе охлаждающей закалочной жидкости 9 (а тем более увеличение со временем их концентрации) приводит к возрастающему рассеиванию на примесных частицах энергии лазерного излучения в сечении пучка 16, что снижает воспроизводимость в пределах обрабатываемой партии игл 22 физико-механических и теплофизических параметров и характеристик закаленной торцевой поверхности игл 22.The input and output fine filters 42 of the cooling quenching liquid 9 provide for the removal from its composition of suspended fine particles formed in the zone of influence of the light spot of intense laser radiation 16 on the tip of the needle 17 due to the high-temperature atomic-molecular peeling of the metal of the needle 17, surface contaminants and oxides, and also inevitable fine particles of wear of rubbing and contacting surfaces of structural elements and stand mechanisms. In the absence of fine filters 42, the presence of suspended fine particles in the composition of the cooling quenching liquid 9 (and even more so with an increase in their concentration over time) leads to an increase in the dispersion of laser radiation energy on impurity particles in the beam section 16, which reduces reproducibility within the processed batch needles 22 physico-mechanical and thermophysical parameters and characteristics of the hardened end surface of the needles 22.
Решетка 43 (см. фиг.5) формирования ламинарного (равномерного параллельного) потока 44 охлаждающей закалочной жидкости 9 состоит из тонких пластин (например, стальных толщиной до 0,1 мм), исключающих возможность формирования завихрений охлаждающей закалочной жидкости 9 в зоне лазерной обработки торца иглы 17. В случае возникновения вихрей жидкости 9 (см. фиг.1) в области прохождения по жидкости 9 главной оптической оси 2 лазера 1 возможно рассеивание энергии лазерного излучения в сечении пучка 16 из-за нелинейности оптических свойств жидкости 9 в зоне возникающих завихрений. В результате снизится воспроизводимость в пределах обрабатываемой партии игл 22 физико-механических и теплофизических параметров и характеристик закаленной торцевой поверхности отдельных игл 22. Размеры решетки 43 (см. фиг.5) должны быть: а до 50 мм; b до 20 мм.The lattice 43 (see Fig. 5) for the formation of a laminar (uniform parallel) flow 44 of the quenching coolant 9 consists of thin plates (for example, steel with a thickness of up to 0.1 mm), which exclude the possibility of turbulence formation of the quenching quenching fluid 9 in the end laser processing zone needles 17. In the event of a vortex of liquid 9 (see FIG. 1) in the region of passage through the liquid 9 of the main optical axis 2 of the laser 1, it is possible to dissipate the energy of the laser radiation in the cross section of the beam 16 due to the nonlinearity of the optical properties of the liquid 9 in e turbulence arising. As a result, reproducibility within the batch of needles 22 of physical and mechanical and thermophysical parameters and characteristics of the hardened end surface of individual needles 22 will decrease. The dimensions of the lattice 43 (see FIG. 5) should be: a up to 50 mm; b up to 20 mm.
Скорость протекания ламинарного потока 44 охлаждающей закалочной жидкости 9 вдоль закаливаемой торцевой поверхности иглы 17 должна обеспечивать интенсивный конвективный отвод тепловой энергии от омываемых поверхностей иглы 17, обоймы 10 и упора 13, а также оперативное удаление из зоны термообработки иглы 17 мелкодисперсных частиц, отслаивающихся от закаливаемой поверхности иглы 17 в результате воздействия светового пятна лазерного луча 16, и побочных продуктов разложения и парообразования закалочной жидкости 9 вдоль оси распространения лазерного излучения 16 в толще ламинарного потока 44 охлаждающей жидкости 9. Кроме того, осуществляя с помощью блока управления 35 регулирование производительности насоса 39, достигается целенаправленное изменение скорости протекания потока 44 вдоль закаливаемой торцевой поверхности иглы 17, что обеспечивает возможность дополнительного управления ходом процесса нагрева/охлаждения торцевой поверхности иглы 17 и оперативного устранения по командам блока управления 35 эффекта оплавления закаливаемой торцевой поверхности иглы 17 из-за воздействия избыточно мощного импульса лазерного излучения 16. Сечение канала для протекания ламинарного потока 44 внутри сжимающего упора 13 (см. фиг.4) должно быть размером: а до 50 мм; b до 20 мм.The flow rate of the laminar flow 44 of the cooling quenching liquid 9 along the quenched end surface of the needle 17 should provide intensive convective heat removal from the washed surfaces of the needle 17, the
Принцип действия стенда состоит в следующем.The principle of operation of the stand is as follows.
Расчетно-экспериментальным методом в процессе технологической подготовки производства определяются параметры и характеристики импульсного лазерного излучения 3 (включая диаметр dп пучка лазерного излучения 16), которые определяют температуру закалки торца для конкретного диаметра dи и материала иглы, а также режимы работы насоса 39 (а именно его производительность, которая определяет скорость протекания ламинарного потока 44) для конкретной марки металла закаливаемой иглы, при условии, что dп=dи.The calculation and experimental method in the process of technological preparation of production determines the parameters and characteristics of pulsed laser radiation 3 (including the diameter d p of the laser beam 16), which determine the temperature of hardening of the end face for a specific diameter d and the needle material, as well as the operating modes of the pump 39 (a it is precisely its productivity, which determines the flow rate of the laminar flow 44) for a particular metal grade of the quenched needle, provided that d p = d and
В кассету 19 загружается партия однотипных игл 20 (до тысячи и более шт.).A cassette 19 is loaded with a batch of the same type of needles 20 (up to a thousand or more pieces).
В механизм 12 устанавливается обойма 10 с диаметром осевого отверстия 50, соответствующим диаметру dи иглы 20.A
Подается электрическое напряжение в цепи электропитания соответствующих узлов, блоков и электроприводов механизмов стенда.An electrical voltage is applied to the power supply circuit of the respective nodes, blocks and electric drives of the stand mechanisms.
В блок управления 35 устанавливается программное обеспечение алгоритма функционирования стенда.In the control unit 35, the software of the stand operation algorithm is installed.
Выполняется настройка стенда, а именно в блок управления 35 вводятся данные о режимах работы лазера 1 и насоса 39.The stand is being set up, namely, data on the operating modes of the laser 1 and pump 39 are entered into the control unit 35.
Осуществляется запуск программы управления блока 35 узлами и механизмами стенда в соответствии с алгоритмом функционирования стенда.The control program for the block of 35 nodes and mechanisms of the stand is launched in accordance with the algorithm of the functioning of the stand.
Далее циклически выполняются следующие действия блоков, узлов и механизмов стенда по командам блока управления 35:Next, the following actions of the blocks, nodes and mechanisms of the stand according to the commands of the control unit 35 are performed cyclically:
1) По команде, поданной блоком управления 35 на электропривод механизма фокусировки 6 - «включить и выключить подачу рабочего тока на электродвигатель механизма», происходит перемещение вдоль главной оптической оси 2 собирающей линзы 4 относительно неподвижной рассеивающей линзы 5, в результате диаметр пучка лазерного излучения 16 устанавливается из условия dп=dи.1) According to the command given by the control unit 35 to the electric drive of the focusing mechanism 6 - “turn on and off the supply of working current to the electric motor of the mechanism”, the collecting lens 4 is moved along the main optical axis 2 relative to the stationary scattering lens 5, as a result, the diameter of the laser beam 16 is established from the condition d p = d and .
2) По команде, поданной блоком управления 35 на электропривод насоса 39 - «включить подачу рабочего тока на электродвигатель насоса», устанавливается скорость протекания ламинарного потока 44.2) According to the command sent by the control unit 35 to the pump electric drive 39 - “turn on the supply of working current to the pump motor”, the flow rate of the laminar flow 44 is set.
3) По команде, поданной блоком управления 35 на электромагнит 32 - «включить, а затем выключить электромагнит 32», затвор 30 пропускает иглу из партии 20 на держатели 24.3) According to the command given by the control unit 35 to the electromagnet 32 - “turn on and then turn off the electromagnet 32”, the shutter 30 passes the needle from the party 20 to the
4) По команде, поданной блоком управления 35 на электромагнит 27 - «включить, а затем выключить электромагнит 27», обойма 10 посредством рычага 25 вначале смещается по направляющим 11 до упора 14, при этом держатели 24 поочередно отклоняются корпусом обоймы 10 в горизонтальное положение, и игла 23 входит в отверстие 50 обоймы 10. Затем пружина 29 посредством рычага 25 перемещает обойму 10 по направляющим 11 до упора 13. В результате конусная поверхность отверстия 52 в основании упора 13, механически воздействуя на поверхность фаски 49, плотно сжимает цанговые лепестки 46, которые, в свою очередь, плотно сжимают иглу 17. Тем самым образуется плотный теплопроводящий контакт металла иглы 17 с металлом цанги 10, которая, в свою очередь, плотно контактирует с металлом упора 13.4) According to the command given by the control unit 35 to the electromagnet 27 - “turn on and then turn off the electromagnet 27”, the
В результате прижатия обоймы 10 к сжимающему упору 13 внутри швеллера 13 образуется непрерывная поверхность, состоящая из концентрически расположенных торцевой поверхности иглы 17, торцевой поверхности 47 цанги 10 и внутренней поверхности основания швеллера 13, которые интенсивно омываются потоком 44 закалочной жидкости 9.As a result of pressing the
5) По команде, поданной блоком управления 35 на вход запуска лазера 1, происходит формирование пучка импульсного лазерного излучения 3, которое в фокусирующей системе линз 4 и 5 преобразуется в пучок лазерного излучения 16, световое пятно которого воздействует на торец иглы 17 и разогревает его до температуры закалки.5) By the command given by the control unit 35 to the input of the start of the laser 1, a beam of pulsed laser radiation 3 is formed, which in the focusing system of lenses 4 and 5 is converted into a laser beam 16, the light spot of which acts on the end of the needle 17 and heats it up to quenching temperatures.
После окончания импульса лазерного излучения 16 (по аналогии с [с.85,с.410; см. кн.: «Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.Б. Арзамасов, А.Н. Волочков, В.А. Головин и др.; под общ. ред. В.Б. Арзамасова, А.А. Черепахина. - М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 448 с.»] и [с.233; см. кн.: «Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 c.»]) происходит быстрое охлаждение торцевой поверхности иглы 17 из-за интенсивного отвода (за счет кондукции) тепловой энергии в толщу металла обоймы 10 и далее в толщу металла упора 13.After the end of the laser pulse 16 (by analogy with [p.85, p.410; see book: “Materials science and technology of structural materials: textbook for students of higher educational institutions / VB Arzamasov, A.N. Volochkov, VA Golovin and others; under the general editorship of VB Arzamasov, AA Cherepakhin. - M: Publishing Center "Academy", 2009. - 448 p. "] And [p. .233; see book: “Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Technological processes of laser processing: Textbook for universities / Edited by A.G. Grigoryants.- M .: Publishing House of MSTU named after NE Bauman, 2008. - 664 p. ”]) There is a rapid cooling of the end the surface of the needle 17 due to intense heat (due to conduction) heat in the
Кроме того, тепловая энергия интенсивно отводится от торцевой поверхности иглы 17 за счет жидкостного принудительного охлаждения торца омывающим ламинарным потоком 44.In addition, thermal energy is intensively removed from the end surface of the needle 17 due to liquid forced cooling of the end by the washing laminar flow 44.
В результате на торце иглы 17 образуется закаленный слой глубиной от нескольких микрон до десятков и сотен микрон в зависимости от длительности воздействия светового пятна 16 на торец иглы 17, то есть в зависимости от длительности импульса лазерного излучения.As a result, a hardened layer with a depth of several microns to tens and hundreds of microns is formed at the end of the needle 17, depending on the duration of exposure of the light spot 16 to the end of the needle 17, i.e., depending on the duration of the laser pulse.
По истечении времени выдержки обоймы 10 в сжатом состоянии (например, длительностью до 10 с) блок управления 35 возвращается к выполнению действия, изложенного в п.3, и далее по замкнутому циклу выполнения действий по п.3…п.5 вплоть до окончания игл в партии 20.After the exposure time of the
В том случае, если при контроле поверхности закаленного торца игл 22 обнаруживается оплавление закаливаемой торцевой поверхности отдельных игл, выполняется подстройка стенда, а именно в блок управления 35 вводятся скорректированные данные о режимах работы лазера 1 и насоса 39.In the event that when the surface of the quenched end of the needles 22 is detected, fusion of the quenched end surface of the individual needles is detected, the bench is trimmed, namely, the corrected data on the operating modes of the laser 1 and pump 39 are entered into the control unit 35.
Экспериментальные исследования макета предлагаемого стенда показывают, что в результате импульсной лазерной закалки торцевой поверхности малогабаритных игл, охваченных сжимающей металлической обоймой, происходит увеличение микротвердости стали по HV в среднем на 58% (например, с 424 до 671) без сквозного диаметрального прокаливания иглы со стороны боковой цилиндрической поверхности.Experimental studies of the model of the proposed stand show that, as a result of pulsed laser hardening of the end surface of small needles covered by a compressing metal clip, the average microhardness of steel by HV is increased by an average of 58% (for example, from 424 to 671) without through diametral annealing of the needle from the side cylindrical surface.
Предлагаемый стенд выгодно отличается от известных аналогов, так как обеспечивает возможность повышения твердости (а следовательно, износостойкости) торцевых поверхностей малогабаритных деталей без изменения физико-механических свойств сердцевины металла (например, без ухудшения свойств упругости и вязкости и без повышения свойств хрупкости) по всей длине детали.The proposed stand compares favorably with the known analogues, as it provides the opportunity to increase the hardness (and therefore wear resistance) of the end surfaces of small parts without changing the physical and mechanical properties of the metal core (for example, without compromising the properties of elasticity and viscosity and without increasing the properties of brittleness) along the entire length the details.
В том случае, когда необходимо исключить взаимодействие разогретого лазерным излучением металла торцевой поверхности иглы с активными химическими элементами закалочной жидкости, таких, например, как кислород и гидроксильная группа ОН, жидкостный ламинарный поток, охлаждающий торцевую поверхность иглы, может быть заменен обдувающим потоком инертного газа, например азота. При этом структурно-функциональная схема предлагаемого стенда остается фактически неизменной.In the case when it is necessary to exclude the interaction of the end surface of the needle heated by laser radiation with the active chemical elements of the quenching liquid, such as, for example, oxygen and the hydroxyl group OH, the liquid laminar flow cooling the end surface of the needle can be replaced by a blowing stream of inert gas, for example nitrogen. At the same time, the structural and functional diagram of the proposed stand remains virtually unchanged.
Кроме того, предлагаемый стенд может использоваться для повышения твердости и износостойкости опорных поверхностей осей вращения и опор часовых механизмов и других приборов измерительной техники и точной механики.In addition, the proposed stand can be used to increase the hardness and wear resistance of the supporting surfaces of the axis of rotation and supports of clock mechanisms and other measuring instruments and precision mechanics.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012154705/05A RU2527979C2 (en) | 2012-12-17 | 2012-12-17 | Bench for tempering of high-speed centrifuge spinning needle bearing surface |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012154705/05A RU2527979C2 (en) | 2012-12-17 | 2012-12-17 | Bench for tempering of high-speed centrifuge spinning needle bearing surface |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012154705A RU2012154705A (en) | 2014-06-27 |
| RU2527979C2 true RU2527979C2 (en) | 2014-09-10 |
Family
ID=51215755
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012154705/05A RU2527979C2 (en) | 2012-12-17 | 2012-12-17 | Bench for tempering of high-speed centrifuge spinning needle bearing surface |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2527979C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2580350C1 (en) * | 2014-11-05 | 2016-04-10 | Василий Иванович Югов | Device for hardening surface of component |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4017708A (en) * | 1974-07-12 | 1977-04-12 | Caterpillar Tractor Co. | Method and apparatus for heat treating an internal bore in a workpiece |
| SU1759908A1 (en) * | 1989-09-13 | 1992-09-07 | Научно-Производственное Объединение Технологии Автомобильной Промышленности | Automatic machine for strengthening cylindrical workpieces |
| US6013140A (en) * | 1997-07-28 | 2000-01-11 | Simoneaux; Bret | Laser hardening of screw forms |
| US7162798B2 (en) * | 2004-02-26 | 2007-01-16 | Electro-Motive Diesel, Inc. | Ported engine cylinder liner with selectively laser-hardened and induction-hardened bore |
| RU90792U1 (en) * | 2009-09-08 | 2010-01-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) | LASER INSTALLATION FOR PROCESSING THE INTERNAL SURFACE OF PRODUCTS |
-
2012
- 2012-12-17 RU RU2012154705/05A patent/RU2527979C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4017708A (en) * | 1974-07-12 | 1977-04-12 | Caterpillar Tractor Co. | Method and apparatus for heat treating an internal bore in a workpiece |
| SU1759908A1 (en) * | 1989-09-13 | 1992-09-07 | Научно-Производственное Объединение Технологии Автомобильной Промышленности | Automatic machine for strengthening cylindrical workpieces |
| US6013140A (en) * | 1997-07-28 | 2000-01-11 | Simoneaux; Bret | Laser hardening of screw forms |
| US7162798B2 (en) * | 2004-02-26 | 2007-01-16 | Electro-Motive Diesel, Inc. | Ported engine cylinder liner with selectively laser-hardened and induction-hardened bore |
| RU90792U1 (en) * | 2009-09-08 | 2010-01-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) | LASER INSTALLATION FOR PROCESSING THE INTERNAL SURFACE OF PRODUCTS |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2580350C1 (en) * | 2014-11-05 | 2016-04-10 | Василий Иванович Югов | Device for hardening surface of component |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012154705A (en) | 2014-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20060231549A1 (en) | Thermal and high magnetic field treatment of materials and associated apparatus | |
| RU2663915C1 (en) | Device for continuous heating for coil springs and method for heating coil springs by using the same device | |
| Grum | Induction hardening | |
| RU2527979C2 (en) | Bench for tempering of high-speed centrifuge spinning needle bearing surface | |
| CN101410220B (en) | Continuous furnace with coupled laser for the surface treatment of materials | |
| Maharjan et al. | Influence of operating parameters on morphology of laser hardened surfaces | |
| CN107614735A (en) | Carburizing device and carburizing method | |
| KR20180075647A (en) | Gas method | |
| JP2014088607A (en) | Heat treatment method and method of producing machine part | |
| JP2021131383A (en) | Method for heat-treating horological component | |
| Sorgente et al. | Laser hardening of AISI 52100 bearing steel with a discrete fiber laser spot | |
| JP2019203184A (en) | Heat treatment device | |
| CN113351878B (en) | Induction heating coil manufacturing method | |
| JP6468420B2 (en) | Vacuum heat treatment method | |
| Grum | Laser surface hardening | |
| JP2015108164A (en) | High frequency carburizing treatment method | |
| JP5515339B2 (en) | Heat treatment method and heat treatment apparatus | |
| Ploshikhin et al. | New heating technology for the furnace-free press hardening process | |
| Arnoult et al. | HILASE center: Development of new-generation lasers for laser shock peening | |
| JP2007239039A (en) | Induction-hardening method, induction-hardening facility and induction-hardened article | |
| CN214422693U (en) | Soaking type local quenching device | |
| JP2009293076A (en) | Heat-treatment method | |
| JP2012122098A (en) | Quenching method and quenching apparatus | |
| KR950006270B1 (en) | Surface Hardening Method of Carbon Steel Using Electron Beam | |
| Tsuyama et al. | Laser Peening with Solid-State Medium Having High Acoustic Impedance as Plasma Confinement Layer. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151218 |