В течение последних трёх – пяти лет появились мощные газовые лазеры, обеспечивающие в режиме непрерывной генерации мощность порядка нескольких киловатт. Благодаря этому стало возможным осуществлять новую технологическую операцию – термическую обработку металлических поверхностей. Это особенно важно для обработки таких поверхностей, где мощный лазерный луч имеет преимущества или где геометрия обрабатываемых изделий создаёт трудности для применения традиционного теплового метода. Лазерная обработка применяется для закалки стальных поверхностей, высокоскоростного отжига фольги, удаления плёнок и других поверхностных осаждений, а также вникания порошкового материала в металлическую поверхность.

Образование тонкого твёрдого поверхностного слоя у стали путём её подогрева и последующего быстрого охлаждения играет важную роль во многих технологических операциях. Обрабатываемыми деталями могут быть зубчатые колёса, шпоночные канавки, зубчатые муфты, распределительные валы, концы пальцев толкателя, ножи различных машин, а также данный на упрочнение кулачёк. Поскольку допустимый износ у стали является малой величиной, то увеличение срока службы кулачка достигается за счёт создания поверхностного слоя. Одной из важных особенностей поверхностного упрочнения является сохранение качества основной массы металла, которая также разогревается вместе с поверхностным слоем.

Для кулачка главного вала основным процессом при закалке является нагревание поверхности до температуры, при которой исчезает аустенитная структура. При этом углерод начинает существовать как твёрдый раствор карбида железа в гамме железа. Затем происходит охлаждение до температуры, при которой ещё не успеет образоваться устойчивое состояние перлита с ферритом или цементитом, а образуется очень прочный, твёрдый раствор карбида в α – железе, известный как мартенсит. Необходимая скорость охлаждения зависит от состава стали и имеет значение порядка 30 – 40 ⁰С до тех пор, пока температура не достигнет порядка 250 ⁰С. Для получения указанной скорости охлаждения применяют охлаждающие жидкости.

При лазерной закалке количество энергии, вложенные в металл, является достаточным для поверхностного нагрева, а масса металла кулачка остаётся холодной. В этом случае нагретая поверхность будет охлаждаться за счёт теплопроводности с достаточно высокой скоростью.

Для закалки кулачка из стали 18 ХГТ, применим закалку при температуре 780 – 800 ⁰С с последующим охлаждением. Лазерный луч диаметром 5 мм, перемещаем по поверхности со скоростью 1,4 м/мин. Используем непрерывный СО₂ - лазер мощностью 2,8 кВт. При такой обработке поверхностный слой в результате двойного прохода луча СО₂ - лазера стал в три раза выше.

Температурную обработку кулачка можно производить в различных средах (вода, воздух, различные газы). Более высокое упрочнение стали имеет место при её обработке в жидких средах.

При воздействии импульса излучения на шлифовальную поверхность кулачка возникает узкая зона расплавленного металла, микротвёрдость которой отлична от микротвёрдости основного металла. На поверхности микротвёрдость составляет Н₅₀ = 350, увеличивается в глубь обьёма материала, достигая Н₅₀ = 450. В зоне термического влияния микротвёрдость увеличивается до Н₅₀ = 45 ÷ 500 и уменьшается далее в глубь металла до Н₅₀ = 158, а затем микротвёрдость возвращается к исходному значению.

Полный цикл термообработки требует 1 – 2 с. Максимальная глубина упрочнённой лазером зоны 1 – 2 мм. Такой глубины достаточно для повышения износостойкости, прочности и усталостной сопротивляемости.

Обычные методы закалки, такие как поверхностная закалка часто вызывают искажение формы металла, что необратимо портит изделие или требует больших затрат на доводку.

Цементация и азотирование поверхности занимают много времени, для них требуется высокая плотность поддержания газового состава. При этом нельзя обрабатывать большие площади. Искажение кулачка также минимальное в сравнении с другими методами.

По сравнению с другими источниками тепла геометрия лазерного луча легко изменяется оптическими системами. Лазерный луч передаётся на расстояние, фокусируется или расширяется специальными линзами. Таким образом, диаметром луча можно управлять дистанционно. Его даже можно разделять одновременно на различные участки кулачка.

Закалка не требует специального охлаждения. Поверхность обработанного кулачка остаётся чистой.

КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ