Лазерная закалка стали и магнитно-импульсная обработка

1. Лазерная закалка стали

1.1. Исходные данные и постановка задач

В данной работе необходимо:

1.  Определить технологические параметры процесса;

2.  Рассчитать фокусирующую систему;

3.  Составить функциональную схему технологической установки.

Эскиз детали, обрабатываемой лазерным лучом, представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Эскиз детали, обрабатываемой лазерным лучом

К исходным данным также относятся:

1.  Газовый лазер на СО₂ с продольной (медленной) прокачкой газов:

·  модель лазера – ЛГН-702 «Кардамон»;

·  мощность излучения N=5000 Вт;

·  длина волны λ=10,6 мкм.

2.  Материал 30ХГСА:

·  плотность ρ=7800 кг/м³;

·  теплопроводность k=25 Вт/м*град;

·  удельная теплоемкость с=600 Дж/кг*град;

·  удельная электропроводность ρ₀=0,7 мкОм*м;

·  температура плавления Т_пл=1500^оС;

·  температура закалкиТ_ɣ=800^оС;

·  глубина закаленного слоя х_зак=1 мм.

1.2.  Расчет параметров закалки

Найдем коэффициент поглощения ИК-излучения металлом при λ =10,6 мкм по формуле (1):

(1),

где ɛ – коэффициент поглощения,ρ₀ – удельная электропроводность, Т_пл – температура плавления.

        .

        В данном случае ɛ≤0,15, поэтому следует применить поглощающее покрытые, приняв ɛ=0,6.

        Лазерная обработка материалов производится полностью или частично сфокусированным лучом. Для фокусировки применяют линзы из полупроводниковых кристаллов NaCl, KCl, ZnSe, CdTe, GaAs. Примем коэффициенты отражения линз R_З=0,97 и R_Л=0,07. Существенным недостатком всех линз является наличие потерь мощности луча на отражение. Общие потери мощности определяются коэффициентом потерь по формуле (2):

        (2),

где К_N – коэффициент потерь, R_З и R_Л – коэффициенты отражения.

        .

Для закалки сталь необходимо нагреть до температурыТ_ɣ. Найдем длительность взаимодействия луча с поверхностным слоем вещества по формуле (3):

  (3),

где τ - длительность взаимодействия, х_зак - глубина закаленного слоя, Т_пл - температура плавления, Т_γ - температура закалки, а - температуропроводность. Она определяется по формуле (4):

         (4),

где k - теплопроводность, ρ - плотность, с - удельная теплоемкость.

.

Тогда длительность взаимодействия будет равна:

.

Необходимая интенсивность лазерного луча находится из (5):

(5),

где q – интенсивность лазерного луча.

        .

        Соответствующий ей диаметр луча находится согласно (6):

        (6).

        .

          Тогда искомая скорость относительного перемещения луча и детали может быть вычислена по формуле (7):

          (7).

          .

1.3.  Оборудование

Функциональная схема технологической установки для лазерной обработки с использованием газового СО₂-лазера представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 –Функциональная схема технологической установки для лазерной обработки

Обозначения:

1 – лазер;

2 – блок питания;

3 – поворотное зеркало;

4 – оптический затвор;

5 – поглощающий экран;

6 – фокусирующий узел;

7 – система подачи газа;

8 – объект обработки;

9 – технологический двухкоординатный стол;

10 – микропроцессор;

11 – измеритель мощности.

2. Магнитно-импульсная обработка

2.1. Исходные данные и постановка задач

Во второй главе необходимо разработать технологический процесс изготовления детали (или узла) магнитно-импульсным методом.

          Исходные данные:

1.  Деталь:

·  Марка материала АМг3М;

·  Давление σ_Т=100 Мпа;

·  Электропроводимостьɣ_С=22 1/мкОм*м;

·  Наружный диаметр D=160 мм;

·  Внутренний диаметр d=152 мм;

·  Длина L=45 мм;

·  h=2,0 мм.

2.  Технологическая операция – обжим