СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОБЪЕКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПУЧКА ЭНЕРГИИ
METHOD AND DEVICE FOR THERMAL TREATMENT OF OBJECT USING ENERGY BEAM

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к обработке объектов с использованием пучка энергии, например с целью упрочнения одного или большего количества участков поверхностей объекта.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
В данной области техники известна термическая обработка объектов с использованием пучка энергии, такого как лазерный пучок, например, для упрочнения материалов на основе железа, таких как среднеуглеродистая сталь, путем нагрева материала до высокой температуры ниже его точки плавления и последующего быстрого охлаждения, то есть достаточно резкого для образования твердого мартенсита. Кроме того, известны термические обработки с использованием пучков энергии, применяемые для других целей, например для разупрочнения одного или большего количества выбранных участков объекта, ранее подвергнутого упрочнению, такого как объект из листового металла.
Например, упрочнение поверхности можно использовать для повышения износостойкости материала и иногда можно использовать для увеличения предела выносливости под действием остаточных напряжений при сжатии. Упрочнение поверхности может быть полезным применительно к поверхностям, подвергаемым существенному износу в условиях эксплуатации, например, в качестве опорных поверхностей, таких как поверхности шеек коленчатых валов.
Использование пучка энергии, такого как пучок лазерного излучения, для термической обработки заготовки, такой как упрочнение поверхности, характеризуется несколькими преимуществами: лазерный пучок по существу не зависит от заготовки, им легко управлять, для него не требуется вакуум, и он не производит продуктов горения. Кроме того, указанный пучок обычно лишь локально нагревает металлическое изделие или заготовку, при этом остальная часть заготовки может служить теплоотводящей средой, в результате чего обеспечивается быстрое охлаждение, также известное как самоохлаждение: холодная внутренняя часть заготовки может представлять собой теплоотводящую среду достаточно большого размера для быстрого охлаждения горячей поверхности путем теплообмена с внутренней частью, скорость которого достаточно высока для обеспечения возможности образования в поверхности мартенсита. Таким образом, может быть исключена необходимость использования внешнего холодильного агента, такого как охлаждающие текучие среды.
Недостаток, связанный с применением пучка энергии в качестве источника тепла в процессах, например, упрочнения металла, состоит в том, что ширина нагретой зоны ограничена размерами пятна, проецируемого на поверхность заготовки. Известно использование оптических средств для изменения формы пятна, например для обеспечения по существу прямоугольного пятна, характеризующегося более-менее равномерным распределением энергии. В качестве альтернативы может быть использовано сканирующее средство (такое как сканирующее зеркало, связанное с приводным средством) для повторяемого перемещения пятна по некоторой траектории, чтобы источник тепла мог рассматриваться как прямоугольный источник, который, следовательно, можно перемещать по указанной траектории, например путем обеспечения относительного движения заготовки и источника пучка, например посредством поворота заготовки, такой как коленчатый вал.
Несмотря на преимущества лазерного упрочнения, его зачастую не применяют, поскольку считается, что эффективность этого метода при его практической реализации не будет достаточно высока и что затруднительно достигнуть необходимой степени нагрева всех нагреваемых частей. Например, в случае упрочнения поверхности важен правильный нагрев для обеспечения упрочнения и отпуска на необходимую глубину без нанесения повреждения из-за перегрева.
Например, коленчатый вал (деталь двигателя, преобразующая линейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное) является сложным изделием, упрочнение которого посредством лазерного излучения зачастую считают трудноосуществимым. Пример коленчатого вала показан на Фиг. 1. Коленчатый вал 1000 является кованым или литым стальным изделием, содержащим две или большее количество расположенных по центру соосных цилиндрических шеек 1001 (также называемых «коренными шейками») и одну или большее количество смещенных цилиндрических кривошипных шеек 1002 (также называемых «шатунными шейками»), разделенных противовесами и щеками, образующими стенки 1005, проходящие по существу перпендикулярно поверхностям шеек. Из-за сложной формы изделия может быть затруднено правильное «сканирование» поверхности лазерным пучком; упрочняемые участки или области могут иметь разную ширину и/или могут быть ассиметричными и/или могут лежать в разных плоскостях (как в случае стенок 1005 и поверхностей шеек 1001 и 1002). Кроме того, может требоваться соблюдение особых условий в отношении галтелей 1004, которые представляют собой переход между шейками и стенками 1005. Кроме того, необходимо принимать во внимание наличие отверстий 1003 для подвода масла.
Таким образом, на сегодняшний день для упрочнения коленчатых валов часто применяют высокочастотный индукционный нагрев с последующим быстрым охлаждением в водополимерной закалочной среде. Однако этот процесс, хоть и обеспечивает требуемое упрочнение, имеет определенные недостатки. Например, конструкция нагревательных индукторов должна соответствовать конкретной конструкции коленчатого вала, что снижает гибкость: перенастройка индукционной машины на обработку нового вида коленчатого вала может занимать много времени и дорого стоить. Кроме того, нагрев путем индукции является дорогостоящим касательно энергии, требуемой для обеспечения необходимой степени нагрева коленчатого вала. Кроме того, процесс охлаждения является сложным, дорогостоящим и небезопасным с точки зрения возможного ущерба окружающей среде из-за использования большого количества необходимых охлаждающих текучих сред. Помимо того, для обеспечения правильного процесса упрочнения необходимо тщательно контролировать технологические параметры, такие как температура охлаждающей текучей среды и расход потока.
Таким образом, упрочнение с использованием лазерного излучения в качестве источника тепла может представлять собой привлекательную альтернативу касательно гибкости, безвредности для окружающей среды, потребления энергии и стоимости.
Ранее уже предпринимались попытки адаптировать термическую обработку под особенности объекта, подвергаемого термической обработке. Например, в документе DE-3905551-A1 описана возможность изменения распределения энергии в лазерном пучке в зависимости от геометрических параметров нагреваемой поверхности. Лазерный пучок направляют на вогнутую поверхность в области галтелей.
В данной области техники известно применение зеркал, расположенных так, чтобы направлять лазерный пучок на обрабатываемую поверхность под определенным углом падения, см., например, документы WO-2014/201788-A1, US-2014/0261283-A1, DE-102009034472-A1, WO-2006/114445-А1 и JP-59-076816-A2.
В случае лазерной обработки поверхностей изделий со сложными поверхностями, таких как распределительные валы или коленчатые валы, необходимо решать задачу обеспечения доступа к различным упрочняемым участкам поверхности. Например, в документе DE-102010048645-A1 со ссылкой на процесс упрочнения коленчатых валов описана проблема обеспечения доступа к определенным участкам, таким как участки у концов шеек, галтели или стенки противовесов, прилегающие к галтелям. Для достижения надлежащего взаимодействия лазерного пучка с материалом в нагреваемой области между пучком и поверхностью должен быть обеспечен соответствующий угол; например, может требоваться, чтобы лазерный пучок падал на обрабатываемую поверхность почти перпендикулярно или ортогонально. Когда требуемый угол не обеспечивается, лазерный пучок может в значительной степени отражаться от поверхности, в результате чего не будет происходить необходимого поглощения энергии. В документе DE-102010048645-A1 описаны эти проблемы и предложено решение, основанное на применении сканирующего зеркала, выполненного с возможностью перенаправления лазерного излучения и перемещения лазерного пятна, проецируемого на обрабатываемую поверхность, относительно этой поверхности.
В документе JPS627821A описана лазерная обработка галтелей коленчатого вала, содержащая разделение лазерного пучка таким образом, чтобы различные участки галтели нагревались до одной и той же температуры для равномерной закалки, и применение отражающих зеркал для направления лазерных пучков на галтели. Кроме того, в документе JPS61227132A описана закалка шеек, в том числе галтелей коленчатого вала, причем в этом случае применено зеркало для перемещения лазерного пучка вдоль шейки.
В основе многих известных подходов в рамках термической обработки (такой как упрочнение) заготовок (таких как коленчатые валы) с использованием пучка энергии лежит проецирование пучка на обрабатываемую поверхность, создание пятна на этой поверхности, в результате чего происходит нагрев поверхности в соответствии с этим пятном, и последующее перемещение этого пятна вдоль и/или поперек упрочняемой области поверхности, например по извилистой траектории в рамках указанной области поверхности, пока не будет нагрета вся область поверхности.
В документе WO-2014/037281-А2, содержание которого включено в настоящую заявку посредством ссылки, описан иной подход, основанный на динамическом регулировании двухмерного распределения энергии пятна, например виртуального или действующего пятна, создаваемого путем быстрого и повторяемого перемещения первичного пятна в двух измерениях. Например, в соответствии с одним вариантом осуществления, раскрытым в документе О-2014/037281-А2, способ лазерного упрочнения поверхности заготовки содержит:
проецирование лазерного пучка из источника лазерного излучения на шейку коленчатого вала для создания на указанной области лазерного пятна;
обеспечение относительного перемещения поверхности заготовки и источника лазерного излучения, например путем поворота коленчатого вала, в результате чего обеспечивается возможность последовательного проецирования лазерного пятна на различные участки указанной области поверхности;
повторяемое перемещение лазерного пучка по соответствующему участку шейки в двух измерениях во время указанного относительного перемещения для создания на шейке двухмерного эквивалентного действующего лазерного пятна, характеризующегося распределением энергии;
причем распределение энергии регулируют так, что в более теплочувствительной области, такой как область, прилегающая к отверстию для подвода масла, оно иное, нежели в менее теплочувствительной области, для предотвращения перегрева указанной более теплочувствительной области. Перемещение в двух измерениях можно осуществлять с высокой скоростью, чтобы маршрут сканирования, используемый для создания действующего пятна, повторялся с частотой выше 10, 50, 100 Гц или еще выше. Для оптимизации нагрева с целью предотвращения перегрева, например области, прилегающей к отверстию для подвода масла, можно динамически регулировать параметры, такие как маршрут сканирования, скорость перемещения первичного пятна по маршруту сканирования (например, по его различным сегментам) и/или мощность лазерного пучка. Сканер, такой как двухмерный или трехмерный сканер, предпочтительно расположен на определенном расстоянии от шейки, которое в несколько раз больше длины шейки. Таким образом, первичное лазерное пятно можно быстро перемещать вдоль и поперек поверхности шейки без сверхжестких требований к скорости движения элементов сканера, таких как сканирующие зеркала. Кроме того, следовательно, угол падения лазерного пучка на шейку коленчатого вала по существу неизменен на протяжении всей шейки - от одного конца шейки до другого конца шейки.
На Фиг. 2А-2С показано, как при использовании сведений из документа WO-2014/037281-А2 можно регулировать двухмерное распределение энергии действующего лазерного пятна 12 (иными словами, распределение энергии вдоль и поперек поверхности объекта, то есть распределение энергии вдоль и поперек действующего пятна при проецировании на поверхность объекта) для учета отверстий для подвода масла. Отверстие 1003 для подвода масла находится в поверхности шейки коленчатого вала, и указанная поверхность проходит в первом направлении параллельно оси вращения коленчатого вала и во втором, окружном, направлении W. Как показано на Фиг. 2А, используют по существу прямоугольное эквивалентное действующее лазерное пятно 12, содержащее передний участок 12А с более высокой плотностью мощности и задний участок 12В с более низкой плотностью мощности. Однако, как показано на Фиг. 2В, при приближении отверстия 1003 для подвода масла к действующему лазерному пятну 12 вследствие относительного перемещения поверхности коленчатого вала и источника лазерного излучения, например при повороте коленчатого вала вокруг его продольной оси, распределение энергии по существу регулируют путем уменьшения плотности мощности или энергии в направлении к центру переднего участка 12А для предотвращения перегрева области, прилегающей к отверстию 1003 для подвода масла. В данном случае действующее лазерное пятно по существу имеет U-образную форму. Соответственно, после того как отверстие 1003 для подвода масла проходит передний участок 12А, исходное распределение энергии на переднем участке восстанавливают, причем распределение энергии на заднем участке 12В регулируют для учета отверстия 1003 для подвода масла путем уменьшения плотности энергии или мощности в направлении к центру заднего участка. В данном случае действующее лазерное пятно 12 по существу принимает перевернутую U-образную форму. Другими словами, когда отверстие для подвода масла проходит через действующее лазерное пятно, распределение энергии регулируют так, чтобы более теплочувствительной области, прилегающей к отверстию для подвода масла, сообщалось меньше энергии, нежели сообщается упрочняемой поверхности, отстоящей от указанного отверстия для подвода масла. Область вокруг отверстия для подвода масла можно упрочнять без ущерба для более теплочувствительной области, прилегающей к отверстию для подвода масла; боковые участки U-образного действующего лазерного пятна обеспечивают упрочнение областей по бокам отверстия для подвода масла. Изменение распределения энергии, проиллюстрированное на Фиг. 2А-2С, можно, например, достигать путем изменения маршрута сканирования, и/или путем регулирования характера распределения мощности пучка по маршруту сканирования (например, путем изменения последовательности включения и выключения лазерного пучка во время перемещения по различным сегментам маршрута сканирования), и/или путем регулирования скорости сканирования в соответствии с различными сегментами маршрута сканирования и т.п.
На Фиг. 3 схематически проиллюстрирован результат упрочнения поверхности двух шеек коленчатого вала в областях 1001А и 1002А соответственно, проходящих вдоль основного участка соответствующей шейки. Что касается упрочненной области 1001А, она проходит по большей части коренной шейки 1001 от места, находящегося рядом с одной галтелью 1004, до места, находящегося рядом с другой галтелью 1004. Галтели представляют собой галтели с поднутрением; этот вид поднутрений обычно выполняют для обработки галтелей путем прокатки.
Раскрытие изобретения
Иногда может требоваться упрочнение и самих галтелей и даже участка стенки за пределами галтели; эта стенка зачастую проходит в основном перпендикулярно поверхности шейки. Например, на Фиг. 4 схематически показано поперечное сечение вдоль продольной оси шейки коленчатого вала, где упрочнение выполнено не только между галтелями, но и упрочнены сами галтели и области за их пределами. Как показано на Фиг. 4, упрочненная область содержит участок 1005А, проходящий над галтелью вдоль части одной из стенок 1005, участок 1004А галтели, участок 1001А, соответствующий поверхности шейки 1001 между галтелями, участок 1004А второй галтели и участок 1005А над этой галтелью у противоположной стенки 1005.
Проблема, возникающая при попытке осуществить такого рода упрочнение с использованием подхода, изложенного в документе WO-2014/037281-A2, состоит в том, что поскольку лазерный пучок по существу перпендикулярен поверхности шейки 1001, то он не может быть по существу перпендикулярен стенкам 1005. Это схематически проиллюстрировано на Фиг. 5, где показан лазерный пучок 1, проецируемый из схематически проиллюстрированного сканера 2 и перемещающийся по маршруту сканирования на одной из шеек проиллюстрированного коленчатого вала. Поскольку лазерный пучок 1 будет по существу перпендикулярен поверхности коленчатого вала на протяжении всей шейки 1002, угол падения в области галтелей будет отличаться из-за их изгиба, и лазерный пучок фактически будет по существу параллелен стенкам 1005. Это можно понять при рассмотрении Фиг. 5, на котором схематически проиллюстрирован вариант применения сканера, например двухмерного сканера 2, для фокусирования лазерного пучка на шейку 1002 коленчатого вала с быстрым перемещением первичного лазерного пятна 11 по маршруту сканирования (схематически показанного на Фиг. 5 в виде параллельных линий) для образования более крупного виртуального или действующего лазерного пятна 12. Пока это действующее пятно 12 ограничено поверхностью шейки между галтелями 1004 и пока оно ограничено достаточно небольшим участком шейки в окружном направлении шейки, пучок 1 будет по существу перпендикулярен поверхности шейки на всем протяжении действующего пятна 12. Однако это утверждение было бы не справедливо, если бы действующее пятно накладывалось на галтели и участок стенок 1005 над галтелями. В данном случае угол падения будет иным; фактически, как показано на Фиг. 5, лазерный пучок по существу параллелен стенке 1005.
Одним из возможных решений этой проблемы, как описано в документе DE-102010048645-A1, является расположение сканера рядом с шейкой 1002 между стенками 1005. При этом лазерный пучок, проецируемый на стенки, уже не будет по существу параллелен стенкам. Однако этот подход имеет другие недостатки.
Один из этих недостатков состоит в том, что угол падения лазерного пучка на поверхность шейки будет по существу варьироваться по мере выполнения цикла перемещения пучка вдоль шейки параллельно продольной оси шейки. Другой, возможно, более существенный, недостаток состоит в том, что сканер должен обеспечивать больший диапазон углового перемещения лазерного пучка. Когда сканер расположен относительно далеко от поверхности шейки, для осуществления цикла перемещения пучка от одного конца до противоположного конца шейки может требоваться лишь небольшое изменение положения соответствующего сканирующего зеркала или зеркал или тому подобного, такое как несколько градусов или меньше. Если сканер расположен намного ближе к поверхности, то для того же маршрута сканирования диапазон углового перемещения зеркал необходимо увеличить.
Кроме того, для обеспечения той же скорости перемещения первичного пятна по маршруту сканирования или по сегментам маршрута сканирования в случае расположения сканера намного ближе к поверхности скорость движения компонентов, таких как зеркало или зеркала сканера, тоже необходимо соответствующим образом увеличить. Это может быть проблематичным, особенно если нужно обеспечить высокую скорость перемещения первичного пятна, что во многих случаях и требуется, поскольку высокая частота повторения маршрута сканирования зачастую необходима для минимизации температурных колебаний между последовательными циклами перемещениями первичного пятна по маршруту сканирования, как объяснено в документе WO-2014/037281-A2.
Первый аспект изобретения относится к способу термической обработки объекта, например с целью упрочнения, разупрочнения и т.п. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения объект выполнен из материалов на основе железа, таких как сталь, например среднеуглеродистая сталь. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения объект представляет собой коленчатый вал или распределительный вал. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения объект представляет собой объект из листового металла.
Способ содержит стадию нагрева по меньшей мере одного выбранного участка объекта путем:
проецирования пучка энергии, такого как лазерный пучок, на поверхность объекта для создания на поверхности объекта первичного лазерного пятна,
приведения в действие сканера для повторяемого сканирования пучком с целью перемещения первичного пятна в соответствии с первым маршрутом сканирования для формирования на поверхности объекта действующего пятна, причем указанное действующее пятно характеризуется двухмерным распределением энергии,
и перемещения указанного действующего пятна относительно поверхности объекта, например, путем перемещения поверхности объекта относительно сканера, или наоборот, или и так, и так, для постепенного нагрева указанного по меньшей мере одного выбранного участка объекта. Таким образом, действующее пятно можно перемещать, пока не будет нагрет весь выбранный участок объекта.
В соответствии с изобретением пучок направляют по оптическому пути между сканером и первичным пятном, и на этом оптическом пути расположено приспособление для отклонения пучка для перенаправления пучка на поверхность объекта.
Таким образом и ввиду того, что сканер может быть расположен на определенном или значительном расстоянии от поверхности, на которую проецируют пучок (например, для обеспечения возможности относительно быстрого перемещения первичного пятна по первому маршруту сканирования при относительно медленном движении зеркала или зеркал сканера или иных приспособлений для отклонения пучка сканера и/или для предоставления возможности обеспечения относительно большой протяженности первого маршрута сканирования в по меньшей мере одном направлении без необходимости использования очень большого диапазона углового перемещения соответствующего зеркала или зеркал или иных отражающих устройств сканера), приспособление для отклонения пучка может быть расположено ближе к поверхности объекта, например относительно близко к поверхности, например в случае коленчатого вала, даже между противовесами. Например, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения сканер может быть расположен на расстоянии от 100 до 1000 мм или больше от поверхности, на которую проецируют первичное пятно, при этом приспособление для отклонения пучка может быть расположено на расстоянии от 10 до 100 мм от этой поверхности. В соответствии с множеством вариантов осуществления изобретения приспособление для отклонения пучка обычно является достаточно маленьким, а его конструкция- простой, и его основная функция состоит в перенаправлении пучка к различным фрагментам выбранного нагреваемого участка. Например, когда объект представляет собой коленчатый вал, в один момент приспособление для отклонения пучка может перенаправлять пучок на шейку коленчатого вала, в другой момент - на галтель и/или стенку на одном конце шейки, и в еще один момент - на галтель и/или стенку на втором конце шейки. Эти различные моменты могут соответствовать разным частям маршрута сканирования, по которым следует пучок, исходящий из сканера, то есть разным частям маршрута сканирования пучком. Таким образом, во время одного цикла перемещения пучка по маршруту сканирования пучок можно последовательно перенаправлять на шейку, на галтель и/или стенку на одном конце шейки и на галтель и/или стенку на втором конце шейки.
Благодаря этому сканер, расположенный на определенном или значительном расстоянии от шейки коленчатого вала, можно использовать для обеспечения требуемого угла между лазерным пучком и шейкой, ее галтелями и прилегающими участками стенок коленчатого вала. Например, в соответствии с вариантами осуществления, в которых объектом является коленчатый вал легкового или грузового автомобиля, сканер, как правило, может быть расположен на расстоянии от 100 до 1000 мм или больше от нагреваемой шейки, при этом приспособление для отклонения пучка может быть расположено намного ближе к шейке, например на расстоянии от 10 до 100 мм от поверхности шейки. Зачастую требуется, чтобы расстояние между действующей поверхностью приспособления для отклонения пучка и шейкой было ненамного больше ширины шейки, например составляло не больше, чем 1, 1,5 или 2 ширины шейки, для обеспечения надлежащих углов падения пучка на различные фрагменты нагреваемой поверхности.
Иными словами, благодаря использованию приспособления для отклонения пучка первый маршрут сканирования может проходить по разным участкам объекта, таким как шейка и галтели, а также стенки, прилегающие к галтелям, причем угол между пучком и соответствующей поверхностью всегда будет значительно больше 0, например всегда больше 30, 45, 60 градусов или еще больше. Таким образом, устранен недостаток, объясненный в связи с Фиг. 5. Приспособление для отклонения пучка, таким образом, может быть использовано для перенаправления пучка во время сканирования пучком.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения объект представляет собой распределительный вал или коленчатый вал, а указанный выбранный участок, подвергаемый термической обработке, может содержать шейку, а также галтели на концах шейки и/или участки стенок, прилегающие к галтелям.
Хотя речь ведется о термической обработке, такой как лазерное упрочнение объектов, таких как коленчатые валы и распределительные валы, они являются лишь примерами. Способ можно применять к различным видам термической обработки и к различным видам объектов, где термическую обработку осуществляют с использованием пучка энергии и сканера. Способ может характеризоваться особым преимуществом в случае термической обработки объектов сложной формы, например когда термической обработке с использованием сканера подлежат участки поверхности с различной ориентацией в пространстве.
В соответствии с множеством вариантов осуществления изобретения пучок энергии представляет собой пучок электромагнитного излучения, например лазерный пучок. Действующее пятно можно создавать и регулировать с использованием, например, любого из методов, описанных в документе WO-2014/037281-А2, содержание которого включено в настоящую заявку посредством ссылки.
В соответствии с раскрытым изобретением в отдельно взятый момент действующее пятно, создаваемое перемещением первичного пятна, нагревает часть указанного выбранного участка, и действующее пятно перемещают по поверхности объекта, пока выбранный участок не будет нагрет до требуемого состояния. Действующее пятно можно перемещать относительно поверхности в соответствии со вторым маршрутом сканирования. Другими словами, реальное/первичное пятно, то есть пятно, создаваемое пучком в любой отдельно взятый момент, перемещают в соответствии с первым маршрутом сканирования для создания действующего пятна, и это действующее пятно можно перемещать в соответствии со вторым маршрутом сканирования. Таким образом, сочетают или накладывают два типа движения: перемещение первичного пятна в соответствии с первым маршрутом сканирования и перемещение действующего пятна в соответствии со вторым маршрутом сканирования, который в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения может представлять собой обычную прямую линию. Например, когда объект, подвергаемый термической обработке, представляет собой коленчатый вал, действующее пятно можно перемещать относительно поверхности шейки, содержащей галтели и участки стенок, прилегающие к галтелям, путем поворота коленчатого вала, в результате чего действующее пятно перемещается в окружном направлении шейки.
Термин «двухмерное распределение энергии» относится к характеру распределения энергии, сообщаемой посредством пучка энергии, в действующем пятне, например во время одного цикла перемещения первичного пятна по первому маршруту сканирования. В случае проецирования действующего пятна на неплоский участок или неплоскую область, такие как изогнутый участок или изогнутая область, например участок или область, имеющие изгибы, термин «двухмерное распределение энергии» относится к характеру распределения энергии вдоль и поперек поверхности объекта, то есть распределения энергии вдоль и поперек действующего пятна, проецируемого на поверхность объекта.
Первый маршрут сканирования обычно задается по меньшей мере маршрутом сканирования пучком, в соответствии с которым сканер перемещает пучок, и приспособлением для отклонения пучка, перенаправляющим пучок. Таким образом, сканер и приспособление для отклонения пучка, в сочетании, задают первый маршрут сканирования, то есть маршрут сканирования, по которому следует первичное пятно на поверхности объекта.
Настоящее изобретение обеспечивает возможность относительно быстрого нагрева значительной области поверхности объекта благодаря тому, что действующее пятно может иметь значительный размер, такой как, например, более чем в 4, 10, 15, 20 или 25 раз больше размера (площади) первичного пятна. Таким образом, нагрев определенной области объекта до требуемой степени касательно температуры и продолжительности может быть осуществлен намного быстрее, нежели в случае нагрева путем простого перемещения первичного пятна по всей области, например по синусоиде или извилистой траектории или по прямой линии. Использование действующего пятна относительно большой площади позволяет обеспечить высокую эффективность при сохранении возможности термической обработки соответствующего участка или участков за относительно большой промежуток времени, в результате чего обеспечивается возможность, например, менее интенсивного нагрева без снижения эффективности.
2
2
Площадь первичного пятна может быть по существу меньше площади действующего пятна. Например, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления размер первичного пятна может составлять менее 4 мм, например менее 3 мм, по меньшей мере во время части процесса обработки. Размер первичного пятна можно изменять во время процесса обработки для оптимизации характера термической обработки каждого отдельно взятого участка объекта касательно качества и эффективности.
С другой стороны, использование действующего пятна, создаваемого повторяемым перемещением первичного пятна в двух измерениях в соответствии с первым маршрутом сканирования, обеспечивает возможность формирования действующего пятна, характеризующегося выбранным двухмерным распределением энергии, которое по существу не зависит от конкретных применяемых оптических средств (линз, зеркал и т.п.) и которое можно изменять и регулировать для обеспечения улучшенного или оптимизированного нагрева объекта касательно разных аспектов, в том числе скорости осуществления термической обработки (например, из расчета в квадратных сантиметрах в минуту или из расчета в законченных единицах в час) и качества. Например, тепло можно распределять так, чтобы плотность энергии переднего участка действующего пятна была выше плотности энергии заднего участка, в результате чего увеличивается скорость достижения требуемой температуры поверхности, причем задний участок можно использовать для поддержания нагрева в течение промежутка времени, достаточного для достижения требуемой глубины и/или требуемого качества, вследствие чего оптимизируется скорость, с которой действующее пятно можно перемещать относительно поверхности объекта без снижения качества термической обработки. Кроме того, двухмерное распределение энергии можно регулировать в зависимости от характеристик объекта, например для сообщения меньшего количества тепла областям, прилегающим к краю объекта или отверстию в объекте, такому как отверстие для подвода масла в коленчатом вале, где охлаждение вследствие теплопередачи происходит медленнее. Кроме того, действующее пятно можно изменять в соответствии с трехмерной формой объекта, например для согласования нагрева с кривизной, шириной и тому подобными характеристиками объекта в нагреваемой области, и с конфигурацией участка нагреваемого объекта. Форму действующего пятна и/или двухмерное распределение энергии можно при необходимости изменять, в результате чего можно в любой отдельно взятый момент изменять процесс обработки с учетом особенностей конкретной нагреваемой части объекта. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения двухмерное распределение энергии можно регулировать в зависимости от соответствующего места облучения объекта с учетом, например, теплоотводящей способности окружающей области. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения двухмерное распределение энергии можно регулировать с учетом требуемых характеристик изделия в различных областях изделия, таких как различные требования к твердости, жесткости, мягкости, деформируемости и т.п.
Кроме того, благодаря использованию действующего пятна, создаваемого перемещением первичного пятна, увеличивается гибкость касательно, например, адаптации системы под различные изготавливаемые изделия. Например, может быть уменьшена или устранена необходимость замены или настройки применяемых оптических средств. Настройку можно чаще выполнять, по меньшей мере частично, путем настройки лишь программных средств, управляющих перемещением первичного пятна и, тем самым, двухмерным распределением энергии действующего пятна.
Выражение «первый маршрут сканирования» не подразумевает, что при создании действующего пятна первичное пятно должно всегда следовать по одному и тому же маршруту сканирования, а употребляется просто для проведения различия между маршрутом сканирования первичным пятном, используемым для создания действующего пятна, и маршрутом или траекторией сканирования, по которой действующее пятно перемещают относительно объекта, подвергаемого термической обработке; маршрут сканирования, по которому следует действующее пятно, иногда называется вторым маршрутом сканирования.
В соответствии с множеством вариантов осуществления изобретения скорость или усредненная либо средняя скорость перемещения первичного пятна в соответствии с первым маршрутом сканирования значительно выше скорости перемещения действующего пятна относительно поверхности объекта. Благодаря высокой скорости перемещения первичного пятна по первому маршруту сканирования в действующем пятне уменьшаются температурные колебания во время каждого цикла перемещения первичного пятна по первому маршруту сканирования.
В большинстве систем термической обработки известного уровня техники с использованием пучка энергии нагреваемая область в каждый момент по существу соответствует первичному пятну, проецируемому пучком на поверхность. Таким образом, в большинстве конфигураций известного уровня техники размер нагреваемой в каждый момент области по существу соответствует одному из первичных пятен, а ширина траектории, по которой происходит нагрев, по существу соответствует ширине первичного пятна в направлении, перпендикулярном направлению, в котором перемещалось первичное пятно, что, в свою очередь, было задано источником пучка, таким как лазер, и средствами формирования пучка, такими как примененные оптические средства.
Безусловно, настоящим изобретением не исключается возможность осуществления части термической обработки с использованием первичного пятна обычным способом. Например, первичное пятно можно перемещать для осуществления нагрева в соответствии с очертаниями либо контуром нагреваемой области или для осуществления нагрева определенных элементов нагреваемого объекта, при этом вышеописанное действующее пятно можно использовать для осуществления нагрева других частей или областей поверхности, таких как основной участок нагреваемой области. Специалист в данной области техники сможет выбирать, в какой мере использовать действующее пятно, а не первичное пятно, для осуществления нагрева в зависимости от параметров, таких как эффективность и необходимость точного соответствия контуру нагреваемой области или конкретному участку объекта, подвергаемого термической обработке. Например, первичное пятно можно использовать для формирования контура нагреваемой области, а действующее пятно можно использовать для нагрева поверхности внутри очерченной области. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения во время процесса обработки первый маршрут сканирования можно изменять для уменьшения размера действующего пятна, пока оно не будет соответствовать первичному пятну, и наоборот.
Таким образом, необязательно использовать действующее пятно для осуществления всего нагрева, который необходимо выполнить во время термической обработки объекта. Однако по меньшей мере часть термической обработки выполняют с использованием действующего пятна, описанного выше. Например, может быть предпочтительно, чтобы в течение по меньшей мере 50%, 70%, 80% или 90% времени, в ходе которого пучок проецируют на объект, в результате этого проецирования формировалось действующее пятно, как описано выше, то есть путем повторяемого перемещения первичного пятна в соответствии с первым маршрутом сканирования.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения во время перемещения действующего пятна относительно поверхности объекта динамически регулируют двухмерное распределение энергии действующего пятна. Таким образом, можно осуществлять изменение действующего пятна в области нагреваемого в текущий момент объекта, например в случае коленчатого вала, для предотвращения перегрева области, прилегающей к отверстию для подвода масла. Выражение «динамическое регулирование» подразумевает, что регулирование может происходить динамически во время перемещения действующего пятна. Для достижения такого рода динамического регулирования можно использовать различные средства, некоторые из которых упомянуты ниже. Например, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения для достижения динамического регулирования можно приводить в действие сканер (например, путем управления работой зеркал с гальваническим покрытием или иного сканирующего средства для изменения первого маршрута сканирования и/или скорости перемещения первичного пятна по маршруту сканирования или по одному или большему количеству его сегментов или участков), и/или можно регулировать мощность пучка и/или размер первичного пятна. Динамическое регулирование можно осуществлять с применением управления с разомкнутым или замкнутым контуром. Динамическое регулирование может влиять на характер распределения энергии в заданной области действующего пятна и/или на фактическую форму действующего пятна и, таким образом, на форму нагреваемой области в любой отдельно взятый момент (независимо от того, что первичное пятно перемещается, с учетом лишь действующего пятна). Например, во время процесса обработки можно динамически регулировать длину и/или ширину действующего пятна.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения регулирование двухмерного распределения энергии действующего пятна осуществляют путем регулирования энергии пучка, например путем выборочного включения и выключения пучка. Это подразумевает прерывание испускания пучка из его источника, а также прочие варианты, такие как прерывание пучка путем ввода помехи на пути распространения пучка, например посредством заслонки, и сочетание перечисленного. Например, при использовании лазера, такого как волоконный лазер, лазерный пучок можно включать и выключать очень быстро, в результате чего обеспечивается возможность получения требуемого распределения энергии путем включения и выключения лазерного пучка при следовании по маршруту сканирования. Таким образом, нагрев можно осуществлять путем включения лазерного пучка на определенных линиях или частях линий маршрута сканирования. Например, можно применить подход с разбиением на мелкие элементы, в соответствии с которым двухмерное распределение энергии задают посредством состояния включения/выключения лазера на различных участках или сегментах первого маршрута сканирования.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения регулирование двухмерного распределения энергии действующего пятна осуществляют путем изменения первого маршрута сканирования.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения регулирование двухмерного распределения энергии действующего пятна осуществляют путем изменения скорости перемещения первичного пятна по меньшей мере по части первого маршрута сканирования.
Таким образом, двухмерное распределение энергии можно изменять путем регулирования, например, мощности пучка, например путем переключения между разными состояниями потребления мощности, такими как включенное состояние и выключенное состояние; и/или путем изменения маршрута сканирования, например путем добавления или исключения сегментов, или путем изменения ориентации сегментов, или путем полной замены одного маршрута на другой; и/или путем регулирования скорости перемещения пучка по маршруту сканирования, например по одному или большему количеству его сегментов. Выбор между различными средствами регулирования двухмерного распределения энергии можно делать на основе факторов, таких как возможности оборудования быстро переключать состояния потребления мощности пучка и возможности сканера изменять маршрут и/или скорость перемещения первичного пятна по маршруту сканирования.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения динамически изменяют фокус пучка во время перемещения первичного пятна по первому маршруту сканирования и/или во время перемещения действующего пятна относительно изготавливаемого объекта. Например, при использовании лазерного пучка фокус лазера вдоль оптической оси можно динамически изменять во время процесса обработки, например для изменения или сохранения неизменным размера первичного лазерного пятна во время его перемещения по первому маршруту сканирования и/или во время перемещения действующего лазерного пятна относительно поверхности объекта. Например, оптический фокус можно регулировать для сохранения неизменным размера первичного пятна при перемещении первичного пятна по поверхности объекта (например, для учета изменения расстояний между источником лазерного излучения или сканером и первичным лазерным пятном на поверхности объекта).
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения динамически изменяют размер первичного пятна во время перемещения первичного пятна по первому маршруту сканирования и/или во время перемещения действующего пятна относительно поверхности объекта для изменения двухмерного распределения энергии и/или размера действующего пятна.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения во время по меньшей мере одной стадии способа действующее пятно содержит передний участок, характеризующийся более высокой плотностью энергии, нежели задний участок действующего пятна (эта конфигурация может быть предпочтительной в случае необходимости быстрого достижения определенной температуры с последующим обеспечением достаточной входной энергии, например для удержания требуемой температуры материала в течение определенного промежутка времени), или действующее пятно содержит передний участок, характеризующийся более низкой плотностью энергии, нежели задний участок действующего пятна (эта конфигурация может быть предпочтительной, когда необходимо сначала предварительно нагреть материал в течение некоторого времени, перед тем как он достигнет определенной температуры). В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения действующее пятно содержит промежуточный участок, характеризующийся более высокой плотностью энергии, нежели передний участок или задний участок действующего пятна. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения действующее пятно характеризуется по существу равномерным распределением энергии с по существу постоянной плотностью энергии во всем действующем пятне.
Как указано выше, двухмерное распределение энергии можно регулировать динамически во время выполнения способа, например чтобы оно отличалось для разных участков поверхности объекта.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения усредненная либо средняя скорость перемещения первичного пятна по первому маршруту сканирования значительно выше усредненной либо средней скорости перемещения действующего пятна относительно поверхности объекта. Например, средняя скорость перемещения первичного пятна по первому маршруту сканирования может быть предпочтительно по меньшей мере в десять раз выше, предпочтительнее по меньшей мере в 100 раз выше, средней скорости перемещения действующего пятна относительно объекта. Благодаря высокой скорости перемещения первичного пятна в действующем пятне уменьшаются температурные колебания во время одного цикла перемещения первичного пятна по первому маршруту сканирования.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения пучок перемещают в соответствии с указанным первым маршрутом сканирования так, что перемещение пучка по указанному первому маршруту сканирования повторяют с частотой выше 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200 или 300 Гц (т.е. количество повторений маршрута сканирования в секунду). Благодаря высокой частоте повторения могут быть уменьшены или предотвращены нежелательные температурные колебания в областях, нагреваемых действующим пятном, между последовательными циклами сканирования, то есть между последовательными циклами перемещения пучка по первому маршруту сканирования. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения первый маршрут сканирования остается неизменным, а в соответствии с другими вариантами осуществления изобретения первый маршрут сканирования изменяют между некоторыми или всеми циклами перемещениями пучка по первому маршруту сканирования.
2
2
2
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения размер (то есть площадь) действующего пятна, такой как средний размер действующего пятна во время процесса обработки или размер действующего пятна во время по меньшей мере одного момента процесса обработки, такой как максимальный размер действующего пятна во время процесса обработки, более чем в 4, 10, 15, 20 или 25 раз больше размера первичного пятна. Например, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения для создания действующего пятна размером более 10 мм, таким как более 50 или 100 мм или больше, можно использовать первичное пятно размером порядка 3 мм. Размер действующего пятна можно динамически регулировать во время процесса обработки, но для увеличения эффективности зачастую может быть предпочтительно использовать пятно с большим средним размером, и для увеличения эффективности во время по меньшей мере части процесса обработки может быть полезно использовать пятно с большим максимальным размером.
Способ можно выполнять под управлением электронного управляющего средства, такого как компьютер.
Как указано выше, первый маршрут сканирования задают, по меньшей мере частично, как путь для перемещения пучка посредством сканера, то есть он представляет собой маршрут сканирования пучком. Кроме того, на него оказывает влияние приспособление для отклонения пучка. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения первый маршрут сканирования и/или маршрут сканирования пучком представляют собой многоугольный маршрут сканирования, содержащий множество линий. Например, маршрут сканирования (первый маршрут сканирования и/или маршрут сканирования пучком) может представлять собой многоугольник, такой как треугольник, квадрат или прямоугольник, пятиугольник, шестиугольник, семиугольник, восьмиугольник и т.п. Прямоугольник необязательно должен быть идеальной формы; например, линии, образующие многоугольник, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления могут быть более или менее изогнутыми, а вершины многоугольника в точках пересечения этих линий, могут быть скругленными и т.п.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения первый маршрут сканирования и/или маршрут сканирования пучком содержат множество линий, такое как множество прямых или изогнутых линий, которые в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения расположены по существу параллельно друг другу. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения количество этих линий составляет две, три, четыре или больше.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения первый маршрут сканирования и/или маршрут сканирования пучком содержат по меньшей мере три сегмента, и указанное сканирование посредством пучка энергии осуществляют так, что указанный пучок и/или первичное пятно перемещается по меньшей мере по одному из указанных сегментов чаще, чем по меньшей мере по другому из указанных сегментов. Преимущество этой конфигурации состоит в том, что она увеличивает гибкость, с которой можно использовать маршрут сканирования для обеспечения требуемого при необходимости симметричного или по существу симметричного распределения энергии. Например, один из указанных сегментов можно использовать в качестве пути или перемычки для перемещения по нему пучка, движущегося между двумя другими сегментами, чтобы перенос пятна, проецируемого пучком, между разными участками (такими как начало и конец) маршрута сканирования можно было осуществлять с использованием сегментов (таких как промежуточные сегменты) маршрута сканирования для переноса, благодаря чему перенос зачастую можно осуществлять без выключения пучка и без нарушения симметрии двухмерного распределения энергии, когда требуется такая симметрия.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения маршрут сканирования содержит по меньшей мере три по существу параллельные прямые или изогнутые линии, расположенные друг за другом в первом направлении и в основном проходящие во втором направлении, причем указанные по меньшей мере три линии содержат первую линию, по меньшей мере одну промежуточную линию и последнюю линию, расположенные друг за другом в указанном первом направлении, при этом сканирование пучком осуществляют так, что пучок и/или первичное пятно перемещаются по промежуточной линии чаще, чем указанный пучок перемещается по указанной первой линии и/или указанной последней линии. Таким образом, например, пучок может в среднем перемещаться по промежуточной линии в два раза чаще, нежели по указанной первой линии и указанной последней линии; например, пучок может перемещаться по промежуточному участку каждый раз при перемещении от первой линии к последней линии, и наоборот. Таким образом, промежуточная линия или промежуточные линии могут служить своего рода перемычкой, по которой перемещается пучок и/или проецируемое пятно при движении между первой и последней линиями.
Было выяснено, что эта конфигурация является удобной и простой в реализации, и было выяснено, что требуемые распределения энергии зачастую можно получить путем регулирования скорости сканирования и по существу без изменения мощности пучка. Кроме того, можно изменять мощность пучка во время сканирования для регулирования распределения энергии, но быстрое переключение мощности не всегда возможно или желательно, и действие пучка, такого как лазерный пучок, при низком уровне мощности или выключение пучка на значительные промежутки времени цикла сканирования могут приводить к неоптимальному использованию возможностей оборудования, что может быть существенным недостатком в случае применения оборудования, такого как лазерное оборудование, для термической обработки объекта. Таким образом, зачастую желательно использовать пучок без его выключения, чтобы в полной мере воспользоваться доступной мощностью.
Зачастую желательно использовать три или большее количество линий, расположенных таким образом, то есть друг за другом в направлении, отличном от направления, в котором проходят эти линии, такого как перпендикулярное, чтобы действующее пятно по существу проходило не только в направлении вдоль этих линий, но также и в другом направлении, и было подходящим для нагрева достаточно большой области до достаточно высокой температуры и поддержания температуры на требуемом уровне или требуемых уровнях в течение достаточного времени в условиях перемещения действующего пятна с относительно высокой скоростью, что позволяет обеспечить высокую эффективность. Таким образом, тот факт, что действующее пятно проходит по существу в двух измерениях, зачастую является преимуществом.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения первый маршрут сканирования или маршрут сканирования пучком содержит по меньшей мере три по существу параллельные линии или три параллельных сегмента, расположенных друг за другом в первом направлении, таком как направление, в котором во время процесса обработки перемещается действующее пятно, при этом указанные линии проходят во втором направлении, таком как направление, перпендикулярное первому направлению. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения указанные по меньшей мере три линии содержат первую линию, по меньшей мере одну промежуточную линию и последнюю линию, расположенные друг за другом в указанном первом направлении, и сканирование пучком осуществляют так, что пучок и/или проецируемое пятно перемещаются по указанным линиям в порядке, в соответствии с которым пучок и/или пятно после перемещения по указанной первой линии перемещаются по указанной промежуточной линии, указанной последней линии, указанной промежуточной линии и указанной первой линии.
Вышеприведенное описание не подразумевает, что сканирование должно начинаться с первой линии, а лишь указывает порядок, в соответствии с которым пучок и/или пятно перемещаются по вышеупомянутым линиям маршрута сканирования. Кроме того, оно не исключает, что между перемещением по некоторым или всем вышеуказанным линиям (например, до или после перемещения) пучок и/или пятно могут перемещаться по другим линиям, таким как линии, соединяющие между собой первую, последнюю и промежуточную линии и/или дополнительные промежуточные линии.
Таким образом, в соответствии с этими вариантами осуществления после перемещения по первой линии пучок и/или пятно перед повторным перемещением по первой линии всегда дважды перемещаются по указанной промежуточной линии. Хотя может быть осуществлен более простой подход к сканированию, при котором после перемещения по указанной последней линии пучок и его проецируемое пятно возвращаются непосредственно к указанной первой линии, было выяснено, что следование порядку в соответствии с этими вариантами осуществления изобретения позволяет обеспечить симметричное распределение энергии вокруг оси симметрии, проходящей в указанном первом направлении.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения маршрут сканирования содержит множество указанных промежуточных линий. Количество линий может выбирать оператор или технолог или проектировщик оборудования в зависимости, например, от размера первичного пятна, проецируемого пучком, и требуемого размера действующего пятна, например в первом направлении. Например, минимальное количество линий в соответствии с некоторыми вариантами осуществления может составлять три линии, но в большинстве вариантов практической реализации при расчете первой, последней и промежуточных линий можно использовать большее количество линий, такое как четыре, пять, шесть, десять или большее количество линий. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения количество линий изменяют для регулирования распределения энергии по мере перемещения действующего пятна вдоль участка поверхности, где происходит нагрев.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения пучок и/или первичное пятно перемещают по меньшей мере по одной промежуточной линии с более высокой скоростью, нежели по указанным первой линии и последней линии. Это зачастую предпочтительно для обеспечения требуемого распределения энергии в указанном первом направлении по меньшей мере на протяжении некоторой части или значительной части процесса обработки. Более высокая скорость пучка при перемещении по промежуточным линиям или по меньшей мере при перемещении по одной или нескольким из них позволяет учитывать тот факт, что пучок перемещается по указанным промежуточным линиям в два раза чаще, нежели он перемещается по первой и последней линиям. Например, скорость перемещения пучка и/или первичного пятна по промежуточным линиям в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения может быть в два раза выше скорости перемещения пучка/пятна по первой и/или последней линиям. Для разных промежуточных линий скорость может отличаться. Скорость для каждой линии можно выбирать в соответствии с требуемым распределением энергии в первом направлении. В данном случае скорость, с которой действующее пятно перемещают по разным линиям или сегментам маршрута сканирования, можно динамически регулировать в процессе перемещения действующего пятна вдоль области, где происходит нагрев, например для регулирования распределения энергии с целью оптимизации параметров процесса обработки, например для улучшения качества изделия, например касательно упрочнения и/или отпуска.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения маршрут сканирования дополнительно содержит линии, проходящие в указанном первом направлении между концами первой, последней и промежуточных линий, в результате чего пучок и/или первичное пятно перемещаются по указанным линиям, проходящим в указанном первом направлении, при переходе между указанной первой линией, указанными промежуточными линиями и указанной последней линией. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения пучок/пятно перемещают по указанным линиям, проходящим в первом направлении, с более высокой скоростью, нежели по указанной первой линии и указанной последней линии, по меньшей мере во время части процесса обработки.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения пучок перемещают по маршруту сканирования без включения и выключения пучка и/или по существу без изменения мощности пучка. Это дает возможность осуществлять сканирование с высокой скоростью независимо от возможностей оборудования, такого как лазерное оборудование, по обеспечению переключения между разными уровнями потребляемой мощности, такими как включенное и выключенное состояния, и это дает возможность применять оборудование, не обладающее возможностями очень быстрого переключения между уровнями потребляемой мощности. Кроме того, это обеспечивает эффективное использование доступной выходной мощности, то есть возможностей оборудования касательно снабжения питанием.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения первый маршрут сканирования можно реализовать в соответствии со сведениями из документа WO-2014/037281-А2, например в соответствии с данными, содержащимися на его фигурах 9-11.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения оптический путь содержит первую часть, проходящую между сканером (например, последним сканирующим зеркалом или фокусирующей линзой сканера) и приспособлением для отклонения пучка, и вторую часть, проходящую между приспособлением для отклонения пучка и первичным пятном, причем вторая часть меньше указанной первой части. Таким образом, приспособление для отклонения пучка расположено ближе к первичному пятну, нежели к сканеру. Как указано выше, зачастую необходимо, чтобы сканер располагался на значительном расстоянии от поверхности, на которую проецируют первичное пятно, для обеспечения протяженного первого маршрута сканирования и/или высокой скорости перемещения первичного пятна по маршруту сканирования без высокоамплитудных и быстрых угловых перемещений компонентов сканера, отклоняющих пучок, таких как зеркало или зеркала сканера. Напротив, зачастую требуется, чтобы приспособление для отклонения пучка было расположено относительно близко к участкам поверхности, подвергаемым термической обработке; например, в случае коленчатого вала может быть предпочтительно располагать приспособление для отклонения пучка так, чтобы во время вращения коленчатого вала оно находилось между противовесами или стенками, прилегающими к шейкам, в результате чего пучок можно направлять от приспособления для отклонения пучка и на стенки, на галтели, а также на шейку коленчатого вала под углом, как можно более близким к 90 градусам, предпочтительно более 30 градусов и предпочтительнее более приблизительно 45 градусов. В случае коленчатых валов для автомобилей, таких как легковые и грузовые автомобили, первая часть иногда может предпочтительно лежать в диапазоне от 200 до 1000 мм или больше, а вторая часть предпочтительно лежит в диапазоне от 10 до 100 мм, включая границы диапазонов. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, в которых объект представляет собой коленчатый вал, действующая поверхность приспособления для отклонения пучка (то есть, например, поверхность, от которой отражается пучок) предпочтительно расположена на расстоянии от поверхности нагреваемой шейки, причем это расстояние составляет не больше, чем 1, 1,5 или 2 ширины шейки (то есть длины шейки вдоль ее продольной оси).
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения приспособление для отклонения пучка представляет собой зеркало. Зеркало является приспособлением для отклонения пучка, подходящим для перенаправления, например светового пучка, такого как лазерный пучок.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения приспособление для отклонения пучка содержит множество участков, а стадия приведения в действие сканера содержит направление пучка на по меньшей мере два разных участка указанного множества участков, причем каждый из указанного множества участков соответствует по меньшей мере одной части указанного первого маршрута сканирования. Указанные участки могут, например, содержать разные участки криволинейного зеркала или различные плоские или по существу плоские участки или сегменты зеркала, ориентированные относительно сканера под разными углами. Таким образом, во время сканирования пучком для перемещения первичного пятна по маршруту сканирования пучок можно отклонять посредством приспособления для отклонения пучка к различным участкам объекта; например, на протяжении одного участка первого маршрута сканирования пучок можно отклонять к шейке и/или галтелям коленчатого вала, а на протяжении других участков первого маршрута сканирования пучок можно отклонять к галтелям и/или стенкам, прилегающим к галтелям.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения зеркало содержит по меньшей мере три по существу плоских участка поверхности с разными пространственными ориентациями, то есть ориентированных под разными углами к сканеру, чтобы каждый из этих участков поверхности мог перенаправлять пучок к выбранной части или области объекта. Благодаря этому во время сканирования лазерным пучком посредством сканера пучок может последовательно отклоняться сначала одним из указанных участков, потом другим из указанных участков и затем третьим из указанных участков, в результате чего он будет перенаправляться на разные части объекта, подвергаемого термической обработке. Использование плоских участков зеркала иногда может быть предпочтительно для уменьшения искажения формы первичного пятна. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, в которых объектом является коленчатый вал, указанные три различных по существу плоских участка поверхности содержат первый участок поверхности, второй участок поверхности и третий участок поверхности, а способ содержит использование первого участка поверхности для направления пучка на шейку коленчатого вала, использование второго участка поверхности для направления пучка на галтель и/или стенку на первом конце шейки и использование третьего участка поверхности для направления пучка на галтель 1004 и/или стенку на втором конце шейки. Было выяснено, что таким образом можно обеспечить нагрев как шейки, так и стенок, а также галтелей посредством пучка, направляемого на соответствующие участки поверхности под требуемым углом, особенно посредством пучка, явно не параллельного этим участкам поверхности, что позволяет решить проблему, описанную со ссылкой на Фиг. 5. Например, при расположении приспособления для отклонения пучка рядом с шейкой, например на расстоянии от шейки, близком ширине шейки, можно поддерживать угол более 30 градусов, предпочтительно более 45 градусов.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения второй участок поверхности и третий участок поверхности обращены друг к другу под углом более 100 градусов и менее 170 градусов. В связи с этим каждый из указанных участков можно использовать для направления пучка на самую дальнюю от него галтель, то есть левый из этих участков поверхностей может перенаправлять пучок направо, а правый из этих участков поверхностей может перенаправлять пучок налево, в результате чего пучок падает на галтель и/или стенку под углом, максимально близким к прямому, предпочтительно более 45 градусов.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения зеркало содержит по меньшей мере один криволинейный участок для отклонения пучка. Зеркало с ненулевой кривизной, такое как зеркало, поперечное сечение которого имеет форму сегмента круга, например по существу U-образное или параболическое зеркало, может характеризоваться определенными преимуществами, например оно может обеспечивать перенаправление пучка без резких переходов, которые могут происходить при перемещении пучка с одного из плоских участков на другой из плоских участков вышеописанных вариантов осуществления из-за резкой границы между двумя плоскими участками, расположенными под углом друг к другу. Однако недостаток криволинейного зеркала состоит в том, что оно может искажать форму первичного пятна. Это может быть нежелательно.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения объект представляет собой коленчатый вал 1000, и приспособление для отклонения пучка расположено так, что при выполнении способа по меньшей мере в некоторые моменты приспособление для отклонения пучка находится между двумя стенками или противовесами коленчатого вала. Преимущество вышеописанного сочетания сканера и приспособления для отклонения пучка состоит в том, что в соответствии с некоторыми вариантами осуществления приспособление для отклонения пучка можно располагать в непосредственной близости к шейке коленчатого вала, подвергаемого термической обработке. Приспособление для отклонения пучка может, например, иметь относительно малый размер и очень простую конструкцию, например иметь вид зеркала с двумя или большим количеством отражающих поверхностей, расположенных под углом друг к другу, или зеркало может иметь лишь одну кривую поверхность.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения приспособление для отклонения пучка и сканер перемещают синхронно друг с другом. Например, приспособление для отклонения пучка может быть непосредственно или опосредованно прикреплено к сканеру или соединено со сканером с возможностью перемещения вместе со сканером, или приспособление для отклонения пучка может быть выполнено с возможностью перемещения отдельными приводными средствами, например синхронизированными со средствами сканера. Приспособление для отклонения пучка и сканер могут работать как единый блок, и их можно перемещать относительно объекта как единый блок, например перед запуском термической обработки участка объекта, например для расположения сканера и приспособления для отклонения пучка в необходимом положении в продольном направлении вдоль объекта, например в соответствии с выбранной шейкой коленчатого вала; и/или во время указанной термической обработки, например для поддержания расстояния до поверхности шатунной шейки во время вращения коленчатого вала вокруг оси коренных шеек.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения приспособление для отклонения пучка не двигается относительно сканера. Это подразумевает, что приспособление для отклонения пучка активно не используют для перемещения первичного пятна. Напротив, перемещением первичного пятна управляет сканер. Приспособление для отклонения пучка служит лишь для отклонения пучка, поступающего от сканера. Приспособление для отклонения пучка может содержать множество участков для перенаправления пучка на различные части или фрагменты объекта. Таким образом, для отдельно взятого приспособления для отклонения пучка первый маршрут сканирования по существу задан характером перемещения пучка посредством сканера. В соответствии с другими вариантами осуществления изобретения приспособление для отклонения пучка может быть выполнено подвижным, например с возможностью движения, синхронизированного со сканированием, осуществляемым сканером, для обеспечения перемещения первичного пятна по первому маршруту сканирования.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения сканер приводят в действие для сканирования пучком в двух измерениях для обеспечения действующего пятна, характеризующегося шириной в первом направлении и длиной во втором направлении. Таким образом, и указанная ширина, и указанная длина могут быть по существу больше наибольшего диаметра первичного пятна. Преимущество такого рода подхода объяснено выше.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения действующее пятно перемещают относительно поверхности путем вращения объекта. Например, когда объектом является коленчатый вал, коленчатый вал могут поворачивать вокруг его продольной оси, чтобы действующее пятно перемещалось вдоль шеек и, необязательно, галтелей и прилегающих участков стенок в окружном направлении шейки. Таким образом, например, упрочнение шейки, в том числе галтелей и частей стенок, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления можно достигать путем осуществления циклов перемещения действующего пятна вокруг шейки в окружном направлении.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения во время перемещения указанного действующего пятна динамически регулируют двухмерное распределение энергии для предотвращения перегрева более теплочувствительной области, такой как область, прилегающая к отверстию для подвода масла коленчатого вала.
Другой аспект изобретения относится к устройству для термической обработки объекта, например коленчатого вала. Устройство содержит:
- средства для поддержки объекта,
- средства для создания пучка энергии,
- сканер для направления пучка энергии на поверхность объекта для создания на указанной поверхности первичного пятна, причем сканер выполнен с возможностью повторяемого сканирования пучком в двух измерениях для перемещения первичного пятна в соответствии с первым маршрутом сканирования для формирования на поверхности объекта действующего пятна, причем указанное действующее пятно характеризуется двухмерным распределением энергии,
- средства для перемещения указанного действующего пятна относительно поверхности объекта (например, путем перемещения поверхности объекта относительно сканера, или наоборот, или и так и так; например, в случае коленчатого вала коленчатый вал могут поворачивать, чтобы обращать различные участки окружной поверхности шейки к сканеру) для постепенного нагрева указанного по меньшей мере одного выбранного участка объекта (то есть действующее пятно могут перемещать, пока не будет нагрет выбранный участок объекта)
- и приспособление для отклонения пучка, выполненное с возможностью приема пучка от сканера и перенаправления пучка на объект.
Преимущества этой конфигурации понятны из вышеприведенного описания способа. Приспособление для отклонения пучка предпочтительно расположено так, что на оптическом пути от сканера, например от последнего сканирующего зеркала или фокусирующей линзы, до места на поверхности, на которую проецируют первичное пятно, например до шейки коленчатого вала, первая часть соответствует части от сканера до приспособления для отклонения пучка, а вторая часть соответствует части от приспособления для отклонения пучка до поверхности объекта, то есть до первичного пятна. Первая часть предпочтительно длиннее второй части, например в два раза, три раза или большее количество раз. Например, в многих вариантах практического применения, связанных с коленчатыми валами вообще и коленчатыми валами для легковых или грузовых автомобилей в частности, первая часть равна или больше 200 мм, например от 200 до 1000 мм или больше, а вторая часть равна или больше 10 мм, но не больше 100 мм.
Краткое описание чертежей
Для дополнения описания и обеспечения лучшего понимания изобретения представлен ряд чертежей. Указанные чертежи являются неотъемлемой частью описания и иллюстрируют варианты осуществления изобретения, при этом они не ограничивают объем изобретения, а просто являются примерами того, как изобретение может быть реализовано. Чертежи содержат нижеследующие фигуры.
На Фиг. 1 представлен схематический вид в перспективном изображении коленчатого вала известного уровня техники.
На Фиг. 2А-2С схематически проиллюстрировано регулирование распределения энергии действующего лазерного пятна при упрочнении области вокруг отверстия для подвода масла в соответствии со способом, известным из документа WO-2014/037281-A2.
На Фиг. 3 представлен схематический вид поперечного сечения вдоль продольной оси двух шеек коленчатого вала после лазерного упрочнения поверхности шейки между галтелями.
На Фиг. 4 представлен схематический вид поперечного сечения вдоль продольной оси двух щеек коленчатого вала после лазерного упрочнения поверхности, проходящей от точки над одной из галтелей, вдоль шейки, до точки над второй галтелью.
На Фиг. 5 представлен схематический вид в перспективном изображении коленчатого вала, на который проецируют лазерный пучок в соответствии со сведениями из документа WO-2014/037281-А2, в результате чего путем перемещения первичного пятна по маршруту сканирования создают действующее лазерное пятно.
На Фиг. 6 представлен схематический вид в перспективном изображении системы или устройства в соответствии с одним возможным вариантом осуществления изобретения.
На Фиг. 7 представлен вид в перспективном изображении приспособления для отклонения пучка в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.
На Фиг. 8 представлен вид сбоку, иллюстрирующий вариант расположения приспособления для отклонения пучка, показанного на Фиг. 7, для перенаправления пучка на заготовку.
На Фиг. 9A-9D схематически проиллюстрировано, как приспособление для отклонения пучка, показанное на Фиг. 7, отклоняет пучок, падающий на различные участки коленчатого вала во время цикла перемещения первичного лазерного пятна по первому маршруту сканирования.
На Фиг. 10 представлен вид в перспективном изображении приспособления для отклонения пучка в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
На Фиг. 11А и 11В представлены схематические виды в перспективном изображении части устройства в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
На Фиг. 12А и 12В представлены схематические виды в перспективном изображении части устройства в соответствии с этим вариантом осуществления изобретения во время двух различных стадий перемещения первичного пятна по первому маршруту сканирования.
На Фиг. 13А и 13В представлены подробные схематические виды в перспективном изображении устройства во время стадий, проиллюстрированных на Фиг. 12А и 12В соответственно.
На Фиг. 14 схематически проиллюстрировано действующее лазерное пятно, создаваемое с использованием маршрута сканирования, содержащего множество параллельных линий.
На Фиг. 15А и 15В проиллюстрирован один вариант маршрута сканирования пучком, содержащий множество параллельных линий.
На Фиг. 16А и 16В проиллюстрирован маршрут сканирования пучком для создания действующего лазерного пятна в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
На Фиг. 17А и 17В проиллюстрирован маршрут сканирования пучком для создания действующего лазерного пятна в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
На Фиг. 18 схематически проиллюстрирована взаимосвязь между маршрутом сканирования пучком и первым маршрутом сканирования в соответствии с одним возможным вариантом осуществления изобретения.
Описание способов осуществления настоящего изобретения
На Фиг. 6 проиллюстрировано устройство в соответствии с одним возможным вариантом осуществления изобретения. Устройство содержит несущую конструкцию, на которой размещен источник лазерного излучения (схематически проиллюстрированный с обозначением 100), выполненный с возможностью передачи лазерного излучения посредством светового волновода 24 в сканер 2, установленный на каретке 101 для сканера, выполненной с возможностью перемещения в вертикальном направлении параллельно оси Z устройства первым приводным средством 102 каретки для сканера, например серводвигателем или любым другим подходящим приводным средством. Кроме того, сканер 2 можно перемещать в горизонтальном направлении параллельно горизонтальной оси X устройства вдоль горизонтальной направляющей 104 вторым приводным средством 103 каретки для сканера, таким как другой серводвигатель или иное подходящее приводное средство.
Кроме того, устройство содержит две каретки 200 для заготовок, причем каждая каретка для заготовок выполнена с возможностью размещения на ней параллельно двух заготовок 1000 (в соответствии с этим вариантом осуществления заготовки представляют собой коленчатые валы) и содержит приводные средства (не показаны) для вращения каждой заготовки вокруг центральной оси (в соответствии с этим вариантом осуществления центральная ось является продольной осью, проходящей через центры коренных шеек коленчатого вала), причем указанная ось параллельна оси X устройства. Кроме того, каждая каретка 200 для заготовок связана с приводным средством 201 каретки для заготовок (таким как серводвигатель или любые другие приводные средства), выполненным с возможностью перемещения каретки для заготовок в горизонтальном направлении параллельно оси Y устройства, перпендикулярно оси X.
Ссылки на горизонтальное и вертикальное направления приведены только для упрощения объяснения, и, очевидно, любая другая ориентация осей возможна и входит в объем изобретения.
В данном случае источник 100 лазерного излучения и сканер 2 сначала используют для упрочнения соответствующих частей поверхности одной из заготовок 1000 в первой из кареток 200 для заготовок, после чего их используют для упрочнения соответствующих частей поверхности второй заготовки 1000 в указанной первой из кареток 200 для заготовок, а затем сканер перемещают вдоль направляющей 104 и обращают рабочей стороной ко второй из кареток 200 для заготовок для упрочнения поверхностей установленных в ней заготовок 1000. Пока сканер 2 обрабатывает заготовки во второй из кареток для заготовок, заготовки в первой из кареток для заготовок можно вынуть и заменить на новые заготовки для последующей обработки сканером.
Очевидно, что возможно множество иных вариантов. Например, в каждой каретке для заготовок может быть установлена лишь одна заготовка, или в каждой каретке для заготовок может быть установлено больше двух заготовок. На каждой каретке для заготовок может быть установлен один сканер (то есть на направляющей 104 может находиться еще одна каретка с соответствующим сканером). Кроме того, параллельно могут быть установлены несколько конфигураций, таких как проиллюстрированная на Фиг. 6, или ее варианты. Кроме того, на каждой каретке 101 для сканера может быть установлено больше одного сканера 2 для обеспечения возможности лазерной упрочняющей обработки в каретке для заготовок нескольких заготовок одновременно. Соотношение количества сканеров, количества кареток для заготовок и количества заготовок можно выбирать для оптимизации применения более дорогостоящих частей системы и оптимизации эффективности, например посредством обеспечения возможности установки и снятия заготовок без остановки работы системы. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения можно применять множество сканеров для направления нескольких лазерных пучков одновременно на один коленчатый вал, например для одновременного воздействия на разные шейки коленчатого вала или на одну и ту же шейку коленчатого вала.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения во время термической обработки шатунной шейки 1002, центральная ось которой радиально смещена от центральной оси коренных шеек, в процессе поворота соответствующей заготовки коленчатого вала 1000 в каретке 200 для заготовок сканер 2 перемещают в вертикальном направлении параллельно оси Z, а каретку 200 для заготовок перемещают в горизонтальном направлении параллельно оси Y для поддержания постоянного расстояния между сканером и поверхностью, на которую проецируют лазерный пучок. В соответствии с другими вариантами осуществления изобретения коленчатые валы можно перемещать параллельно осям Z и Y. Кроме того, или в ином варианте, сканер может быть выполнен с возможностью перемещения параллельно осям Z и Y.
Работой первого приводного средства 102 и второго приводного средства 103 каретки для лазера, а также работой приводного средства 201 каретки для заготовок и приводными средствами вращения заготовок 1000 в каретках 200 для заготовок можно управлять электронными управляющими средствами, такими как компьютер, компьютерная система или программируемый логический контроллер (ПЛК) (не показаны на Фиг. 6).
Сканер содержит элементы для изменения направления лазерного пучка. Такие сканеры известны в данной области техники и зачастую содержат одно или большее количество сканирующих зеркал, углы которых можно изменять в соответствии с функциями сканирования, такими как функции синуса, функции треугольника и т.п., под управлением компьютера. Для перемещения лазерного пучка параллельно оси X, то есть перпендикулярно направлению перемещения поверхности заготовки 1000 относительно сканера 2 при повороте заготовки 1000, можно применять одноосевой сканер (например, сканер со сканирующим зеркалом, выполненным с возможностью поворота вокруг одной оси, или тому подобное). В результате быстрого сканирования соответствующего участка поверхности можно создавать виртуальное пятно, протяженность которого в направлении X значительно превышает протяженность пятна без сканирования; таким образом, исходное пятно превращают в более широкое виртуальное или действующее пятно (с большей протяженностью в направлении X), но с более низкой плотностью мощности вследствие распределения мощности пучка по большей области.
Посредством двухосевого сканера (например, сканера, содержащего двухосное зеркало или два одноосных зеркала) лазерный пучок можно перемещать в двух направлениях, например параллельно оси X и, кроме того, параллельно оси Y и в обоих этих направлениях. Таким образом, помимо сканирования поверхности перпендикулярно направлению перемещения поверхности относительно сканера, то есть помимо сканирования поверхности «вдоль» поверхности шеек в направлении оси X, лазерный пучок также может сканировать поверхность в направлении его перемещения, то есть параллельно оси Y; таким образом, поверхность шейки коленчатого вала можно сканировать еще и в окружном направлении шейки. Кроме того, лазерный пучок может описывать траектории, получаемые сочетанием движения в направлении X и направлении Y (то есть в окружном направлении в случае проецирования на круглую шейку коленчатого вала). Благодаря этому пучок может перемещаться по сложным фигурам, таким как прямоугольники, овалы, трапеции и т.п. Таким образом, использование возможностей сканера позволяет создавать виртуальное или эквивалентное действующее лазерное пятно, имеющее требуемую протяженность и форму, как в направлении X, так и в окружном направлении Y. В случае так называемого XYZ-сканера к средствам, позволяющим совершать перемещения в направлениях X и Y, добавлена фокусирующая линза, выполненная с возможностью перемещения в направлении Z какими-либо приводными средствами, в результате чего обеспечивается возможность динамического регулирования размера лазерного пятна. Таким образом, для оптимизации процесса упрочнения можно управлять положением пятна и его размером и изменять положение пятна и его размеры. Кроме того, в качестве альтернативы или дополнительно к перемещению фокусирующей линзы или тому подобного, размером лазерного пятна можно управлять или размер лазерного пятна можно изменять путем перемещения сканера параллельно оси Z с использованием первого приводного средства каретки для сканера. Кроме того, система может содержать средства изменения распределения мощности в лазерном пятне, как известно, например, из вышеупомянутого документа DE-3905551-A1.
Как показано на Фиг. 6, приспособление 3 для отклонения пучка прикреплено к сканеру. В соответствии с другими вариантами осуществления изобретения приспособление 3 для отклонения пучка выполнено отдельно от сканера, например оснащено собственным приводным средством для перемещения, например, синхронизированным со сканером.
На Фиг. 7 проиллюстрировано приспособление 3 для отклонения пучка в соответствии с одним возможным вариантом осуществления изобретения в виде зеркала с тремя различными плоскими или по существу плоскими участками 31, 32, 33 поверхности, характеризующимися разными пространственными ориентациями, то есть расположенными под разными углами относительно, например, сканера. Зеркало также содержит соединитель 34 для прикрепления к приспособлению для отклонения пучка и ввода охлаждающей текучей среды.
На Фиг. 8 представлен вид сбоку, схематически иллюстрирующий вариант расположения зеркала 3, такого как показано на Фиг. 7, под сканером (не показан) для отклонения и, следовательно, перенаправления пучка 1 на заготовку 1000.
На Фиг. 9A-9D проиллюстрировано использование указанных трех разных участков поверхности в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения для перенаправления пучка на разные участки коленчатого вала в области шейки 1001, подвергаемой термической обработке пучком, во время одного цикла перемещения первичного пятна по первому маршруту сканирования. На Фиг. 9А проиллюстрировано, как сканер (не показан) перенаправляет лазерный пучок для проецирования первичного пятна на поверхность коленчатого вала посредством приспособления для отклонения пучка. В данном случае пучок падает на правый верхний участок 33 поверхности зеркала, как показано стрелкой, в результате чего пучок перенаправляется на левую галтель 1004 шейки и стенку 1005. На Фиг. 9В показано, как пучок падает на нижний участок 31 поверхности зеркала, в результате чего пучок перенаправляется на поверхность шейки. Как показано на Фиг. 9С, первичное пятно все еще отклоняется нижним участком 31 поверхности зеркала и продолжает свое движение по первому маршруту сканирования, в результате чего оно все еще направляется на поверхность шейки. Как показано на Фиг. 9D, пучок отклоняется левым верхним участком 32 поверхности зеркала, в результате чего перенаправляется на правую галтель 1004 и стенку 1005.
Из Фиг. 9A-9D легко понять, как во время одного цикла перемещения первичного пятна по первому маршруту сканирования посредством соответствующего приведения в действие сканера пучок может падать на поверхность шейки 1001, на галтели 1004, а также на прилегающие участки стенок 1005 под относительно большим углом (таким как 45 градусов или больше), который по существу больше угла, под которым пучок падал бы на стенки в ситуации, проиллюстрированной на Фиг. 5. Очевидно, что конфигурация, приведенная на Фиг. 9A-9D, подразумевает, что в первом маршруте сканирования будут резкие переходы (например, между Фиг. 9А и 9В с левого участка шейки на правый), но это также относится и к множеству прочих маршрутов сканирования, в том числе ко многим известным из документа WO-2014/037281-A2.
Согласно документу WO-2014/037281-A2 первый маршрут сканирования можно динамически изменять во время перемещения действующего пятна вдоль окружной поверхности шейки для обеспечения отличающегося двухмерного распределения энергии в случае наличия отверстия 1003 для подвода масла по сравнению с ситуацией отсутствия такого отверстия для подвода масла в области, нагреваемой действующим пятном.
На Фиг. 10 схематически проиллюстрирован другой вариант осуществления приспособления 3А для отклонения пучка; в данном случае зеркало имеет продолговатую поверхность 35 и характеризуется поперечным сечением, соответствующим сегменту круга или тому подобному. Преимущество этого вида непрерывной поверхности зеркала (то есть не содержащей резких переходов, имеющихся в зеркале 3, проиллюстрированном на Фиг. 7, между указанными тремя участками 31, 32 и 33 поверхности) состоит в том, что в нем могут быть исключены резкие переходы или прерывания при направлении пучка. Однако кривая поверхность зеркала 3А способствует искажению формы первичного пятна, что в некоторых случаях может являться недостатком.
Очевидно, что существует бесчисленное множество вариантов, в которых может быть выполнено приспособление для отклонения пучка, например сочетанием плоских и кривых участков поверхности и/или сочетанием участков поверхности, характеризующихся разной и/или переменной кривизной. Специалист в данной области техники сможет выбрать приспособление для отклонения пучка с требуемыми геометрическими параметрами с учетом, например, особенностей обрабатываемого объекта.
На Фиг. 11А и 11В проиллюстрирован альтернативный вариант осуществления изобретения, в соответствии с которым использовано приспособление 3 для отклонения пучка, сходное с показанным на Фиг. 7, но у которого более широкий участок 31 поверхности расположен над более узкими участками 32 и 33 поверхности. На Фиг. 11А показано, как приспособление 3 для отклонения пучка прикреплено к сканеру 2 посредством простого L-образного крепежного устройства. Можно использовать любое иное подходящее крепежное устройство, и в соответствии с другими вариантами осуществления изобретения приспособление для отклонения пучка может быть отдельным от сканера, прикрепленным к другой части системы, например к отдельному приводному средству для перемещения приспособления для отклонения пучка синхронно со сканером 2. На Фиг. 11А и 11В показано, как схематически проиллюстрированный источник 24 лазерного излучения обеспечивает лазерный пучок 1, который после прохождения через коллимирующую линзу 25 проходит через сканер 2, где использованы два сканирующих зеркала 21 и 22 (показанные на Фиг. 11В) для сканирования лазерным пучком 1 в двух измерениях. От сканирующих зеркал лазерный пучок направляется через фокусирующую линзу 23 и на приспособление 3 для отклонения пучка, содержащее три отклоняющих участка 31, 32 и 33 поверхности. Приспособление для отклонения пучка выполнено с возможностью отклонения пучка 1 для падения на участок поверхности коленчатого вала для нагрева указанного участка с целью упрочнения. В этом случае участок указанный соответствует шатунной шейке 1002.
Лазерный пучок перемещают в соответствии с маршрутом сканирования пучком и отклоняют посредством приспособления для отклонения пучка так, что проецируемое первичное пятно следует по требуемому первому маршруту сканирования на поверхности заготовки. На Фиг. 12А и 13А показано, как во время сканирования пучком на одной стадии процесса обработки пучок направляют на участок 31 поверхности приспособления для отклонения пучка, от которого пучок отклоняется и падает на поверхность шейки, при этом первичное пятно 11 перемещается вдоль и/или поперек поверхности шейки 1002. На Фиг. 12В и 13В показан пучок 1, достигший поверхности участка 32, в результате чего он был перенаправлен на галтель 1004 и боковой участок стенки 1005 для нагрева этих участков. Таким образом, во время цикла перемещения пучка по маршруту сканирования пучком первичное пятно 11 перемещается по первому маршруту сканирования, в результате чего нагреваются и участок шейки 1002, и участок галтелей 1004 и стенок 1005 на обоих концах шейки.
Из этого описания и, например, из Фиг. 11А-13В легко понять, что правильное расположение устройства 3 для отклонения пучка позволяет проецировать пучок на соответствующие участки поверхности (шейку, галтель, стенку) под углом, например, от 45 до 90 градусов. Например, может быть предпочтительно расположить зеркало на расстоянии от шейки, составляющем порядка ширины шейки, предпочтительно не более одной указанной ширины или не более полуторной указанной ширины или двойной указанной ширины.
На Фиг. 12А показаны первая часть X1 оптического пути (между последним зеркалом 22 сканера или фокусирующей линзой 23 сканера и поверхностью приспособления для отклонения пучка) и вторая часть Х2 оптического пути (между поверхностью устройства 3 для отклонения пучка и первичным пятном, проецируемым на поверхность обрабатываемого объекта). Обычно первая часть X1 по существу больше второй части Х2, например более чем в два раза. Например, в случае упрочнения коленчатых валов для транспортных средств, таких как автомобили, X1 обычно можно выбирать предпочтительно из диапазона от 200 до 1000 мм или больше, причем Х2 обычно лежит в диапазоне от 10 до 100 мм.
Кроме того, из вышеописанного понятно, что первый маршрут сканирования, то есть маршрут сканирования, по которому следует пятно 11 на поверхности объекта, может существенно отличаться от маршрута сканирования, по которому следует пучок до приспособления для отклонения пучка.
Как объяснено выше, для отдельно взятого размера первичного пятна прохождение действующего пятна по существу в направлении перемещения можно достигать путем обеспечения маршрута сканирования, содержащего больше двух линий, расположенных друг за другом в направлении перемещения, например как схематически проиллюстрировано на Фиг. 14, причем действующее лазерное пятно 12 создают множеством параллельных линий, проходящих во втором направлении, перпендикулярном первому направлению относительного перемещения действующего лазерного пятна и обрабатываемой области поверхности (например, в соответствии с вышеописанными вариантами осуществления первое направление может представлять собой окружное направление W поверхности шейки коленчатого вала).
Такой маршрут сканирования можно создавать путем повторяемого перемещения первичного пятна во втором направлении, перпендикулярном первому направлению, в котором перемещается действующее пятно, путем перемещения пучка на малое расстояние в первом направлении после каждой стадии сканирования для следования по множеству параллельных линий. После завершения перемещения по маршруту сканирования первичное пятно возвращается в исходное положение для повторного перемещения по маршруту сканирования. Частота, с которой это происходит, предпочтительно высока для предотвращения нежелательных температурных колебаний в действующем пятне 12.
В зависимости от конструкции приспособления для отклонения пучка, например от формы его поверхности и от прерывистости указанной поверхности, маршрут сканирования пучком, по которому следует пучок до приспособления для отклонения пучка, может до некоторой степени отличаться от первого маршрута сканирования, по которому следует первичное пятно на поверхности объекта.
Лазерный пучок могут выключать в процессе его перемещения к новой линии маршрута и/или между окончанием перемещения по последней линии маршрута сканирования и возвратом к первой линии маршрута сканирования. Однако включение и выключение лазерных пучков занимает время и может приводить к уменьшению частоты сканирования. Кроме того, время, в течение которого лазерный пучок отключен, является потерянным временем в смысле эффективности применения лазера для нагрева.
На Фиг. 15А и 15В проиллюстрирован один возможный маршрут сканирования пучком, содержащий три основные линии а-с (показанные сплошными линиями) маршрута сканирования, и штриховые линии, изображающие путь следования лазерного пятна или пучка между указанными линиями. На Фиг. 15В стрелки схематически показывают направление перемещения фактического лазерного пятна/пучка по упрочняемой поверхности при следовании по маршруту сканирования.
В данном случае недостаток этого маршрута сканирования состоит в том, что если по нему будет следовать первичное пятно, распределение тепла не будет симметричным. То же самое относится к ситуации, при которой в конце маршрута после завершения перемещения по линии с (то есть с конца стрелки линии с на Фиг. 15В) лазерный пучок возвращается в вертикальном направлении к линии а.
В большей степени симметричное распределение энергии относительно оси W можно достичь с маршрутом сканирования, пример которого изображен на Фиг. 16А и 16В и который содержит три параллельные линии а-с, соединенные между собой линиями d, по которым следует фактическое лазерное пятно при перемещении между этими линиями. Как показано на Фиг. 16В, лазерный пучок начинает перемещаться по линии а и следует по такому маршруту: а-d1-b-d2-с-d3-b-d4.
Таким образом, пятно перемещается по промежуточной линии b в два раза чаще, чем по первой линии и последней линии: оно перемещается по промежуточной линии b дважды каждый раз после перемещения по первой линии а и последней линии с. Таким образом, можно получить полностью симметричный маршрут сканирования относительно оси W, то есть, например, относительно окружного направления шейки коленчатого вала.
Распределение энергии вдоль оси W можно задавать путем регулирования, например, расстояния между линиями а-с и скорости перемещения лазерного луча или пятна по этим линиям. Путем изменения скорости и/или маршрута сканирования можно динамически регулировать распределение энергии без включения и выключения лазерного луча или без существенного изменения мощности лазерного пучка. Таким образом, регулировать распределение энергии можно путем изменения расположения линий, таких как первая, последняя и промежуточные линии а-с, и путем изменения скорости перемещения пучка по различным сегментам a-d (в том числе d1-d4) маршрута сканирования. Расположение сегментов и скорость перемещения по сегментам можно динамически изменять в процессе перемещения действующего лазерного пятна вдоль упрочняемой области поверхности, такой как вокруг шейки коленчатого вала, для регулирования распределения энергии с целью предотвращения перегрева более теплочувствительных областей, таких как области, прилегающие к отверстиям для подвода масла, или ранее упрочненная область, к которой действующее лазерное пятно приближается в конце своего перемещения вокруг упрочняемой области окружной поверхности, такой как поверхность шейки коленчатого вала. Кроме того, маршрут сканирования можно изменять путем добавления или удаления сегментов во время перемещения действующего лазерного пятна вдоль упрочняемой поверхности.
Тот же принцип можно применять к другим маршрутам сканирования, таким как маршрут сканирования, показанный на Фиг. 17А и 17В и содержащий дополнительную промежуточную линию b. В данном случае фактическое лазерное пятно следует по такому маршруту: а-db-b-d2-b-d3-с-d4-b-d5-b-d6.
Как показано выше, маршрут сканирования пучком и первый маршрут сканирования могут отличаться, поскольку первый маршрут сканирования задается не только маршрутом сканирования пучком, но и приспособлением для отклонения пучка. Первый маршрут сканирования может быть разработан для оптимизации распределения энергии, и первый маршрут сканирования иногда ограничивается возможностями применяемого оборудования, например возможностями сканера. Как объяснено выше, иногда на практике может быть предпочтителен маршрут сканирования, позволяющий «не выключать» пучок на протяжении всего процесса обработки для эффективного использования возможностей, например применяемого лазерного оборудования. Настоящее изобретение представляет полезный инструмент для специалиста в данной области техники, который может разработать подходящее приспособление для отклонения пучка и/или маршрут сканирования пучком с учетом аспектов, таких как требуемый результат касательно первого маршрута сканирования, возможностей сканера, возможностей применяемого лазерного оборудования и т.п.
На Фиг. 18 схематически проиллюстрирована взаимосвязь между маршрутом сканирования пучком и первым маршрутом сканирования в соответствии с вариантом осуществления, в котором используется приспособление 3 для отклонения пучка, как показано на Фиг. 7. В соответствии с вариантом осуществления, проиллюстрированным на Фиг. 18, пучок перемещают в двух измерениях для нагрева не только поверхности шейки 1002 как таковой, но и поверхности, соответствующей галтели 1004 и стенке 1005 прямо над галтелью. Это достигают с использованием маршрута сканирования пучком, обозначенного сегментами А, В, С, D-E и F-G на приспособлении 3 для отклонения пучка. Первые три сегмента представляют собой три параллельных линии А, В и С, проецируемые на участок 31 поверхности зеркала 3, при этом сегмент D-E проецируют на участок 33 поверхности, а сегмент F-G на участок 32 поверхности. Пучок отклоняют так, чтобы он падал на коленчатый вал, при этом первичное пятно следует по маршруту сканирования на коленчатом вале, содержащему пять линий, то есть сегментов А', В' и С', проходящих вдоль поверхности шейки, например параллельно продольной оси шейки, и двух сегментов D'-E' и F'-G', проходящих перпендикулярно первым трем сегментам и в общем в окружном направлении шейки, в соответствии с галтелью 1004 и стенкой 1005.
Это лишь пример, и специалист в данной области техники может очевидным образом воспользоваться сведениями, представленными в настоящем документе, и выбрать маршрут сканирования и приспособление для отклонения пучка, наилучшим образом соответствующие конкретной поставленной цели. Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения специалист в данной области техники может, например, сочетать использование приспособления для отклонения пучка и прямого облучения. Например, пучок можно перемещать так, чтобы часть первого маршрута сканирования соответствовала прямому облучению поверхности, то есть без отклонения пучка с использованием приспособления для отклонения пучка, а другая часть первого маршрута сканирования соответствовала отклоняемому пучку. Например, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения шейку коленчатого вала можно нагревать путем направления пучка непосредственно на шейку, в то время как участки стенок, прилегающие к галтелям, и/или галтели можно нагревать на другом участке первого маршрута сканирования, где пучок направляют на приспособление для отклонения пучка, которое перенаправляет пучок.
Хотя изобретение раскрыто со ссылкой на конкретное изделие, а именно коленчатый вал, это лишь пример, и изобретение, очевидно, не ограничивается этим конкретным применением. Однако изобретение может быть особенно полезным применительно к изделиям, характеризующимся сложными поверхностями с участками, ориентированными по существу под разными углами относительно положения сканера.
В этом тексте термин «содержит» и его производные (такие как «содержащий» и т.п.) не подразумевают исключающий смысл, то есть эти термины не должны интерпретироваться как исключающие возможность того, что описанное и сформулированное может содержать дополнительные элементы, стадии и т.п.
Изобретение очевидным образом не ограничивается конкретным (-и) вариантом (-ами) осуществления, описанным (-и) в настоящем документе, а охватывает любые вариации, которые могут быть рассмотрены любым специалистом в данной области техники (например, касательно выбора материалов, размеров, компонентов, конфигурации и т.п.) и которые не отклоняются от общего объема изобретения, определенного формулой изобретения.