Способ упрочнения деревообрабатывающего инструмента, изготовленного из хромистых и хромо-кремнистых сталей
METHOD FOR HARDENING WOODWORKING TOOLS MADE OF CHROMIUM AND CHROMIUM-SILICON STEELS

Изобретение относится к области термического упрочнения металлов, в частности, к способам упрочнения деревообрабатывающего инструмента.
Из уровня техники известен способ поверхностной лазерной упрочняющей обработки материалов [Коваленко В.С. Упрочнение деталей лучом лазера. – Киев: Техника, 1981. – 131 с.], который представляет собой последовательную упрочняющую обработку режущего инструмента при облучении лазером. При использовании данного способа контролируют твердость и глубину поверхностного упрочненного слоя.
Данный способ отличают следующие недостатки:
- упрочнение осуществляется по передней грани, то есть при переточке деревообрабатывающего инструмента удаляется непосредственно упрочненный слой;
- за счет многократного перекрытия при сканировании упрочняемой области возникают зоны отпуска (области с пониженными механическими характеристиками);
- большая длительность технологического цикла за счет многократных повторений;
- отсутствие учета влияния всей области, подверженной лазерному воздействию на прочность инструмента и его период стойкости.
2
Наиболее близким способом к предлагаемому является способ лазерной обработки деталей тел вращения из инструментальных сталей [Патент RU 2734826 C1. МПК C21D 1/09. Заявка № 2020120549 от 22.06.2020, опубл.: 23.10.2020, Бюл. № 30], заключающийся в одновременном вращении и осевом перемещении детали с обработкой ее поверхности лучом лазера непрерывного действия со степенью перекрытия лазерных дорожек 10÷15%, плотность мощности лазерного луча составляет 80÷90 Вт/мм, диаметром пятна лазерного луча 3 мм и при линейной скорости перемещения лазерного луча 6 мм/с. При реализации этого способа обеспечивается повышение износостойкости упомянутой детали вращения в условиях повышенных контактных нагрузок, а также расширяется номенклатура упрочняемых лазером деталей, имеющих увеличенные габариты рабочих частей.
Однако данное техническое решение не эффективно при использовании для упрочнения деревообрабатывающего инструмента по следующим причинам:
- образование зон перекрытия с пониженными механическими характеристиками;
- невозможность контроля структурного состояния и уровня механических свойств вглубь от упрочненной поверхности;
- невозможно сформировать упрочненный слой в зоне деревообрабатывающего инструмента непосредственно участвующего в процессе резания.
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в обеспечении повышения прочности и периода стойкости деревообрабатывающего инструмента, изготовленного из хромистых и хромокремнистых сталей.
2
2
Технический результат достигается посредством обработки непрерывным лазерным излучением по задней грани деревообрабатывающего инструмента СО-лазером с плотностью мощности лазерного луча 25-45 МВт/м и линейной скоростью перемещения лазерного луча 10-15 мм/сек за один проход после закалки и высокого отпуска, при этом ширина формируемой дорожки совпадает с диаметром сфокусированного лазерного излучения.
Предлагаемый способ может быть использован для деревообрабатывающего инструмента толщиной от 10 до 25 мм.
Ширина формируемой дорожки может варьироваться от 5 до 15 мм в зависимости от требований по количеству переточек деревообрабатывающего инструмента в процессе его эксплуатации.
Способ осуществляется за счет формирования на передней и задней грани, участвующих в процессе резания, так называемого эффекта самозатачивания, который заключается в том, что участки деревообрабатывающего инструмента, испытывающие разные степени изнашивания имеют различные механические характеристики, при этом наибольшими механическими характеристиками должна обладать именно режущая кромка.
2
Было отмечено (см. фиг. 1), что при лазерной обработке непрерывным лазерным излучением с формирование дорожки, параллельной режущей кромке, хромистых и хромокремнистых сталей механические свойства плавно изменяются вглубь от поверхностно слоя. Обработка осуществляется на следующих режимах: плотность мощности лазерного луча 25 – 45 МВт/м, скорость линейного перемещения лазерного луча 10-15 мм/с, ширина дорожки совпадает с диаметром сфокусированного лазерного излучения (диаметр пучка 5-15 мм), обработка осуществляется в режиме без оплавления поверхности.
2
2
При этом на примере стали 9ХС микротвердость изменяется от значений 800-900 кг/мм до микротвердости основного материала 400-500 кг/мм.
Способ осуществляют следующим образом.
2
Готовый деревообрабатывающий инструмент, изготовленный из хромистых и хромокремнистых сталей, после закалки и высокого отпуска обрабатывают однократным сканированием непрерывным лазерным излучением плотностью мощности 25 - 45 МВт/м со скоростью 10-15 мм/с, с формированием дорожки параллельно режущей кромке на заданном расстоянии от нее. Область обработки для снижения негативного влияния кислорода воздуха при нагреве и остывании защищают инертным газом – аргоном.
Выбор плотности мощности непрерывного лазерного излучения, скорости линейного перемещения, ширины лазерной дорожки и расстояния от дорожки до лезвия деревообрабатывающего инструмента осуществляется исходя из величины снимаемого припуска и требуемого количества переточек для обеспечения равномерного снижения механических характеристик на передней грани деревообрабатывающего инструмента в соответствие с матрицей проведенного эксперимента (см. таблицу).
2
Анализируя таблицу можно отметить, что наибольшая твердость обеспечивается при плотности мощности непрерывного лазерного излучения 40 МВт/мми вне зависимости от скорости перемещения луча лазера. Скорость перемещения влияет на глубину упрочненной зоны следующим образом: при увеличении скорости обработки глубина обработки снижается.
Выбор основных параметров лазерной обработки, предлагаемой в способе, должен обеспечивать формирование на режущей кромке упрочненной области в соответствии с фигурой 2.
При этом изменение механических характеристик происходит от режущей кромки вглубь инструмента по передней грани. За счет этого обеспечивается более длительное сохранение в процессе работы инструмента геометрии режущей кромки, а значит происходит увеличение периода стойкости деревообрабатывающего инструмента.
Таблица
Плотность мощности
15 мм/с
12,5 мм/с
10 мм/с
Толщина слоя общая/середина (микротвердость в точке)
Толщина слоя общая/середина (микротвердость в точке)
Толщина слоя общая/середина (микротвердость в точке)
30,5 МВт/м<sup>2</sup>
-
-
858 кг/мм<sup>2</sup>
-
-
154 мкм/77 мкм (794 кг/мм<sup>2</sup>)
35,6 МВт/м<sup>2</sup>
762 кг/мм<sup>2</sup>
-
824 кг/мм<sup>2</sup>
190 мкм/95 мкм (752 кг/мм<sup>2</sup>)
-
339 мкм/170 мкм (752 кг/мм<sup>2</sup>)
40,8 МВт/м<sup>2</sup>
894 кг/мм<sup>2</sup>
-
894 кг/мм<sup>2</sup>
313 мкм/157 мкм (752 кг/мм<sup>2</sup>)
-
273 мкм/137 мкм (752 кг/мм<sup>2</sup>)
45 МВт/м<sup>2</sup>
824 кг/мм<sup>2</sup>
-
824 кг/мм<sup>2</sup>
475 мкм/238 мкм (795 кг/мм<sup>2</sup>)
-
653 мкм/327 мкм (841 кг/мм<sup>2</sup>)
25 МВт/м<sup>2</sup>
-
-
824 кг/мм<sup>2</sup>
-
-
958 мкм/ 479 мкм (841 кг/мм<sup>2</sup>)На глубине 0,75 мм - 713 кг/мм<sup>2</sup>
32 МВт/м<sup>2</sup>
733 кг/мм<sup>2</sup>
938 кг/мм<sup>2</sup>
858 кг/мм<sup>2</sup>
833 мкм/417 мкм (713 кг/мм<sup>2</sup>)На глубине 0,75 мм - 752 кг/мм<sup>2</sup>
1091 мкм/546 мкм (795 кг/мм<sup>2</sup>)На глубине 0,75 мм - 795 кг/мм<sup>2</sup>
1167 мкм/584 мкм (613 кг/мм<sup>2</sup>)На глубине 0,75 мм - 644 кг/мм<sup>2</sup>