RU2075518C1 - Method of surface heat treatment of articles - Google Patents

Abstract

FIELD: methods of surface heat treatment with the help of high-energy heat sources. SUBSTANCE: in heat treatment of surfaces with varying conditions of heat removal, the relative speed of motion of heat source is varied within 15-20%. EFFECT: higher quality of produced surface layer.

Description

Изобретение относится к технологии поверхностной термической обработки посредством высокоэнергетических источников тепла, в частности может быть использовано при обработке замкнутых траекторий и изделий с ограниченной поверхностью, а также для обработки изделий с переменным сечением. The invention relates to the technology of surface heat treatment by means of high-energy heat sources, in particular, it can be used in processing closed paths and products with a limited surface, as well as for processing products with a variable cross-section.

Известен способ термической обработки изделий, при котором осуществляют формирование пятна нагрева и его перемещение относительно поверхности. A known method of heat treatment of products, in which the formation of a heating spot and its movement relative to the surface.

Недостатком способа является сложность, а иногда невозможность использования способа. Например, при обработке замкнутых траекторий небольших размеров, когда начальный участок не успевает остыть и подвергается повторному нагреву при завершении процесса. The disadvantage of this method is the complexity, and sometimes the inability to use the method. For example, when processing closed trajectories of small sizes, when the initial section does not have time to cool down and undergoes repeated heating at the end of the process.

Наиболее близким по технической сущности является способ лучевой обработки, заключающийся в обработке изделий электронным лучом, в котором перемещение луча осуществляется посредством его поточечного отклонения и нагрев регулируется посредством ЭВМ за счет изменения мощности электронного луча. The closest in technical essence is the method of radiation processing, which consists in processing products with an electron beam, in which the beam is moved through its pointwise deflection and the heating is controlled by a computer by changing the power of the electron beam.

Недостатками известного способа являются сложность технологического оборудования и система управления, а также низкое быстродействие системы, не обеспечивающее равномерный нагрев в промежутках между точками. The disadvantages of this method are the complexity of the process equipment and the control system, as well as the low speed of the system, which does not provide uniform heating in the spaces between the points.

Целью изобретения является повышение качества поверхностного слоя за счет выравнивания глубины обработки и структуры слоя. The aim of the invention is to improve the quality of the surface layer by aligning the depth of processing and structure of the layer.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем обработку поверхностей высокоэнергетическим источником тепла при относительном перемещении пятна нагрева с технологической скоростью, при обработке поверхностей с изменяющимися условиями теплоотвода относительную скорость перемещения источника тепла изменяют в пределах 15-20%
Сущность способа заключается в следующем.This goal is achieved by the fact that in a method comprising treating surfaces with a high-energy heat source with relative movement of the heating spot at a technological speed, when treating surfaces with changing heat removal conditions, the relative speed of the heat source is changed within 15-20%
The essence of the method is as follows.

Известно, что в процесс термической обработки поверхности, например закалки или упрочнения, основная часть тепла в процессе остывания отводится в тело изделия. Однако существует множество случаев, когда равномерность теплоотвода нарушается. К таким случаям можно отнести обработку изделий с переменным сечением в случае соизмеримости глубины требуемого закаленного слоя и толщины стенки изделия, а также обработку ограниченных или замкнутых поверхностей, когда условия в начале и конце обработки отличаются от условий теплоотвода при обработке основной части поверхности. It is known that in the process of heat treatment of the surface, for example, hardening or hardening, most of the heat in the cooling process is transferred to the body of the product. However, there are many cases where the uniformity of the heat sink is violated. Such cases include the processing of products with a variable cross section in the case of a commensurability of the depth of the required hardened layer and the wall thickness of the product, as well as the treatment of limited or closed surfaces, when the conditions at the beginning and end of processing differ from the conditions of heat removal during processing of the main part of the surface.

Предположим, что при относительном перемещении луча необходимо обработать какую-либо поверхность. Очевидно, что установка режима на обрабатываемой поверхности невозможна, поскольку изменение тока луча от нуля до номинального значения требует определенного времени, а следовательно, оптимальный нагрев будет осуществляться на некотором расстоянии от края поверхности. Suppose that with the relative movement of the beam it is necessary to process some surface. Obviously, setting the mode on the treated surface is impossible, since changing the beam current from zero to the nominal value requires a certain time, and therefore, optimal heating will be carried out at a certain distance from the edge of the surface.

Если осуществлять предварительную установку режима с последующим подводом поверхности в зону действия луча, то начальный участок также окажется недогретым. Противоположный эффект наблюдается при завершении обработки на конечном участке при выходе луча с поверхности, т.е. при завершении процесса наблюдается перегрев края изделия. Изменить степень нагрева краевых участков поверхности можно за счет изменения мощности луча, что сопряжено со значительными трудностями в изготовлении устройств управления или с использованием ЭВМ, а также изменив время нагрева, т.е. скорость перемещения поверхности на перегреваемом или недогреваемом участке. If you carry out a preliminary installation of the regime with the subsequent supply of the surface to the area of the beam, the initial section will also be underheated. The opposite effect is observed when processing is completed in the final section when the beam leaves the surface, i.e. at the end of the process, overheating of the edge of the product is observed. The degree of heating of the edge sections of the surface can be changed by changing the beam power, which is associated with considerable difficulties in manufacturing control devices or using computers, as well as changing the heating time, i.e. surface movement speed in a superheated or unheated area.

Осуществить последнее можно за счет изменения напряжения на двигателе, с помощью которого производится перемещение поверхности. В этом случае заготовке сначала сообщается определенная скорость (меньше технологической) перемещения, затем в момент захода луча на обрабатываемую поверхность эту скорость постепенно увеличивают до значения соответствующей технологической скорости обработки основной части поверхности. Аналогично поступают при выходе луча с обрабатываемой поверхности. Очевидно, такой способ может быть использован при обработке относительно небольших изделий и простых поверхностей. Изменения скорости относительно перемещения луча можно добиться за счет изменения напряжения на отклоняющей системе с помощью управляющей системы. В случае использования одновременного отклонения луча в двух координатах можно обрабатывать достаточно сложные поверхности, не прибегая к управлению от ЭВМ. При этом перемещение заготовки может осуществляться по одной координате. The latter can be achieved by changing the voltage on the motor, with which the surface is moved. In this case, the workpiece is first informed of a certain speed (less than the technological) of movement, then at the moment the beam enters the workpiece, this speed is gradually increased to the value of the corresponding technological speed of processing the main part of the surface. Similarly, they act when the beam exits from the surface to be treated. Obviously, this method can be used in the processing of relatively small products and simple surfaces. Changes in speed relative to the movement of the beam can be achieved by changing the voltage on the deflection system using a control system. In the case of using simultaneous beam deflection in two coordinates, it is possible to process rather complex surfaces without resorting to control from a computer. In this case, the workpiece can be moved along one coordinate.

Для изменения относительной скорости перемещения луча можно использовать устройство, у которого выходное напряжение изменяется после получения определенного сигнала в течение некоторого регулируемого промежутка времени, т.е. если в исходном состоянии на выходе устройства имеется какое-то напряжение, то по получении управляющего сигнала это напряжение начинает изменяться, например, увеличиваться. С этого момента на отклоняющей катушке также увеличивается напряжение, что в свою очередь вызывает перемещение электронного луча со скоростью V₁ или V₂. Изменяя скорость нарастания напряжения, можно изменять скорость перемещения луча относительно какой-либо точки. По достижении определенного значения увеличение напряжения прекращается, т.е. положение луча стабилизируется относительно нового положения. Предположим, что для обработки поверхности технологическая скорость V₁ перемещения луча должна быть 10 мм/с. В случае, если в начальный или конечный момент эта скорость должна быть уменьшена (с целью компенсации времени для обеспечения установившегося режима) или увеличена (для устранения перегрева, образующегося за счет краевого эффекта), то напряжение на катушке отклонения должно либо изменяться таким образом, чтобы в первом направление перемещения луча (V₂) и обрабатываемой поверхности совпадали. В результате сложения скоростей относительная скорость перемещения луча и поверхности уменьшится.To change the relative speed of the beam, you can use a device in which the output voltage changes after receiving a certain signal for a certain adjustable period of time, i.e. if in the initial state there is some voltage at the output of the device, then upon receipt of the control signal, this voltage begins to change, for example, increase. From this moment, the voltage also increases on the deflection coil, which in turn causes the electron beam to move at a speed of V ₁ or V ₂ . By varying the rate of increase in voltage, it is possible to change the speed of the beam relative to any point. Upon reaching a certain value, the voltage increase stops, i.e. the beam position is stabilized relative to the new position. Assume that for surface treatment the technological speed V _{1 of} the beam should be 10 mm / s. If at the initial or final moment this speed should be reduced (in order to compensate for the time to ensure a steady state) or increased (in order to eliminate overheating formed due to the edge effect), then the voltage on the deflection coil should either be changed so that in the first, the direction of movement of the beam (V ₂ ) and the machined surface coincided. As a result of the addition of velocities, the relative velocity of the beam and the surface will decrease.

Для увеличения относительной скорости перемещения необходимо, чтобы скорости перемещения поверхности (V₁) и луча (V₃) были направлены в противоположные стороны. В некоторый момент времени изменение напряжения на отклоняющей катушке прекращается и относительная скорость перемещения луча и поверхности оказывается равной требуемой скорости (в нашем случае 10 мм/с). Практически установлено, что изменение скорости в пределах 15-20% от технологической позволяет выравнивать глубину и структуру обработанного слоя при обработке различных изделий и материалов.To increase the relative speed of movement, it is necessary that the speed of movement of the surface (V ₁ ) and the beam (V ₃ ) are directed in opposite directions. At some point in time, the voltage change on the deflecting coil stops and the relative velocity of the beam and the surface is equal to the required speed (in our case 10 mm / s). It is practically established that a change in speed within 15-20% of the technological allows you to even out the depth and structure of the processed layer when processing various products and materials.

Таким образом, используя одновременное перемещение луча и поверхности и сложение или вычитание этих скоростей в течение требуемого промежутка времени, можно на определенных участках изменять относительную скорость перемещения луча. Используя возможность регулировки скорости нарастания напряжения на отклоняющей катушке, можно изменять время, в течение которого происходит установление режима, а также размер участка, на котором осуществляется регулирование степени нагрева. Использование различной формы управляющего сигнала на катушке отклонения позволит осуществлять различную интенсивность перехода от начального режима обработки для установившегося. Кроме того, использование нелинейного закона изменения скорости перемещения луча позволит обрабатывать изделия с переменным сечением. Thus, using the simultaneous movement of the beam and the surface and the addition or subtraction of these speeds over the required period of time, it is possible to change the relative speed of the beam in certain areas. Using the ability to adjust the rate of rise of voltage on the deflecting coil, you can change the time during which the establishment of the mode, as well as the size of the section on which the degree of heating is regulated. Using a different shape of the control signal on the deflection coil will allow for a different intensity of the transition from the initial processing mode to the steady state. In addition, the use of the nonlinear law of variation of the speed of the beam will allow you to process products with a variable cross-section.

Предлагаемый способ может быть использован также при замыкании траекторий обработки, когда луч попадает на ранее нагретый участок поверхности зону перекрытия. В этом случае увеличение скорости перемещения способствует уменьшению перегрева этого участка. The proposed method can also be used when closing processing paths, when the beam hits a previously heated surface area of the overlap zone. In this case, an increase in the speed of movement helps to reduce the overheating of this section.

Это справедливо и для случая использования лазерного луча с той лишь разницей, что управляющий сигнал поступает на отклоняющие зеркала. This is also true for the case of using a laser beam with the only difference being that the control signal is fed to deflecting mirrors.

Пример выполнения способа. An example of the method.

Посредством электронного луча обрабатывались ограниченные поверхности корпуса тормоза из сплава ВТ9, направляющие из стали ЗОХГСА. Using an electron beam, the limited surfaces of the brake housing made of VT9 alloy, guides made of ZOHGSA steel, were processed.

О равномерности нагрева судили по глубине обработанного слоя и наличию оплавления переплавления кромок в местах входа и выхода луча с обрабатываемой поверхности. The uniformity of heating was judged by the depth of the treated layer and the presence of fusion remelting edges at the points of entry and exit of the beam from the treated surface.

Перед осуществлением обработки поверхность подводилась в зону действия луча при условии его отклонения, при этом учитывались максимальная амплитуда отклонения луча и размер начального участка. Затем включалась управляющая система положением луча и перемещением поверхности. Скорость перемещения луча определялась по времени прохождения им участка поверхности заранее выбранной длины. Полученная скорость суммировалась со скоростью передвижения обрабатываемой поверхности. Before processing, the surface was brought into the range of the beam provided that it was deflected, taking into account the maximum amplitude of the beam deflection and the size of the initial section. Then the control system was turned on by the position of the beam and the movement of the surface. The speed of the beam was determined by the time it passes through a portion of the surface of a pre-selected length. The resulting speed was summed with the speed of movement of the treated surface.

При обработке титановых образцов при технологической скорости 10 мм/с удовлетворительные результаты получены при начальной скорости обработки, равной 9-9,5 мм/с. Дальнейшее уменьшение скорости вызывает подавление кромок. При выходе луча с обрабатываемой поверхности подплавления кромок исчезали в интервале скоростей 11,5-11,8 мм/с. Дальнейшее увеличение скорости приводит к уменьшению глубины и твердости слоя. When processing titanium samples at a technological speed of 10 mm / s, satisfactory results were obtained with an initial processing speed of 9-9.5 mm / s. A further decrease in speed causes edge suppression. When the beam exits from the treated surface, the edge melting disappeared in the speed range 11.5–11.8 mm / s. A further increase in speed leads to a decrease in the depth and hardness of the layer.

При обработке стальных образцов с технологической скоростью 10 мм/с при выходе луча на обрабатываемую поверхность удовлетворительные результаты были получены при скоростях относительного перемещения, лежащих в пределах 8,3-8,7 мм/с. При выходе луча с обрабатываемой поверхности скорость увеличивали до 11-11,5 мм/с. При меньшей скорости могут наблюдаться подплавления кромок, при большей также начинает снижаться твердость слоя. When processing steel samples with a technological speed of 10 mm / s when the beam exits to the surface to be treated, satisfactory results were obtained at relative displacement velocities ranging from 8.3-8.7 mm / s. When the beam exited from the treated surface, the speed was increased to 11–11.5 mm / s. At lower speeds, edge melting can be observed; at higher speeds, the layer hardness also begins to decrease.

При обработке замкнутых траекторий основную трудность обычно испытывают при замыкании линии обработки. Как правило такая обработка осуществляется с заходом на ранее обработанный участок и в большинстве случаев в этом месте происходит перегрев поверхности, поскольку повторный нагрев осуществляется по нагретой поверхности. Если в момент смыкания траекторий включить систему управления лучом и увеличить скорость перемещения на 15-20% то температура нагрева участка перекрытия практически не повышаетсяг When processing closed paths, the main difficulty is usually experienced when closing the processing line. As a rule, such processing is carried out with a call to a previously treated area and in most cases in this place the surface overheats, since re-heating is carried out on a heated surface. If at the moment of closing the trajectories the beam control system is turned on and the speed of movement is increased by 15-20%, then the temperature of the heating of the overlap section practically does not increase

Claims (1)

Способ поверхностной термообработки изделий, включающий формирование пятна нагрева высокоэнергетическим источником и перемещение относительно него поверхности изделия, отличающийся тем, что, с целью повышения качества поверхностного слоя за счет регламентации его глубины и структуры, максимальную относительную скорость перемещения изменяют в пределах 15 20% The method of surface heat treatment of products, including forming a heating spot with a high-energy source and moving the product surface relative to it, characterized in that, in order to improve the quality of the surface layer by regulating its depth and structure, the maximum relative speed of movement is changed within 15 20%