СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КРОМОК РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
METHOD FOR LASER HARDENING OF WORKING SURFACES OF CUTTING TOOL EDGE

Изобретение относится к области закалки и может быть использовано при упрочнении рабочих поверхностей кромок режущего инструмента, изготовленного из стали и предназначенных для резки различных материалов.
Известен способ лазерной теромообработки сложных пространственных поверхностей крупногабаритных деталей (RU 2 425 894 C1, МПК C21D 1/09, опубликовано 10.08.2011). Известный способ включает воздействие непрерывным лазерным лучом на поверхность детали. Луч сфокусирован в световое пятно. На вертикальные или наклонные поверхности наносят параллельные дорожки упрочнения с перекрытием. Нанесение дорожек упрочнения осуществляют лучом, направленным на обрабатываемую поверхность под углом, и при увеличенном расходе технологического газа через сопло. Лазерный луч повернут от перпендикуляра к поверхности вверх в плоскости обработки детали на угол, равный 0,5-5°. Лазерная установка снабжена 5-координатной лазерной головкой. Дорожки наносят попеременно в различных полосах упрочнения, отстоящих друг от друга на расстоянии.
Из (RU 2 527 979 C2, МПК C21D 1/09, опубликовано: 10.09.2014 Бюл. № 25) известен стенд лазерной закалки опорной поверхности игл вращения высокоскоростных центрифуг. Стенд лазерной закалки опорной поверхности игл вращения высокоскоростных центрифуг содержит лазер параллельного пучка импульсного излучения с механизмом фокусировки оптической системы из собирающей и рассеивающей линз, корпус ванны с охлаждающей закалочной жидкостью внутри и герметичным боковым окном из кварцевого стекла по центру вертикальной стенки корпуса ванны для пропускания пучка лазерного излучения, кассету с незакаленными иглами, контейнер для сбора закаленных игл, насос охлаждающей закалочной жидкости и блок управления. В стенд дополнительно введены горизонтальная перегородка, разделяющая корпус ванны на верхнюю и нижнюю камеры, цилиндрическая обойма с первым и вторым торцами и сквозным внутренним осевым отверстием, сжимающий упор в виде швеллера с коническим отверстием в центре основания швеллера, осевой упор второго торца обоймы, механизм периодического линейного возвратно-поступательного перемещения обоймы между сжимающим и осевым упорами, держатель незакаленной иглы, подлежащей посадке внутрь обоймы, затвор кассеты с механизмом, обеспечивающим последовательную подачу незакаленных игл на держатель, фильтры тонкой очистки охлаждающей закалочной жидкости на входе и выходе насоса, решетка формирования ламинарного потока охлаждающей закалочной жидкости внутри швеллера. При этом окно из кварцевого стекла в вертикальной боковой стенке корпуса ванны выполнено в виде рассеивающей линзы. Выходные шины блока управления соединены с соответствующими входными шинами управления запуском лазера и двигателями насоса и механизмов фокусировки оптической системы, перемещения обоймы и привода затвора кассеты. Собирающая линза лазерного излучения, рассеивающая линза в окне из кварцевого стекла, коническое отверстие сжимающего упора первого торца обоймы, обойма с закаливаемой иглой, незакаленная игла на держателе и осевой упор второго торца обоймы установлены в горизонтальной последовательности по главной оптической оси лазера. Механизм фокусировки обеспечивает линейное перемещение собирающей линзы вдоль главной оптической оси лазера относительно рассеивающей линзы. Диаметр светового пятна лазерного излучения на опорной поверхности закаливаемой иглы соответствует ее диаметру.
Из патента RU 2 313 581 C2 (МПК C21D 1/09, опубликовано: 27.12.2007 Бюл. № 36) известен способ ручной плазменной закалки, в котором для получения закаленной поверхности без оплавления с достаточной глубиной упрочнения поверхностную закалку осуществляют путем перемещения по поверхности закаливаемого изделия плазменной дуги прямого действия на обратной полярности, когда электрод является анодом, а изделие - катодом.
В патенте RU 2 031 146 C1 (МПК C21D 9/18, опубликовано: 20.03.1995) описан способ изготовления ножей сельскохозяйственных машин. Способ осуществляют мощным источником энергии - газоплазменной струей, направляемой под углом 34-37° к поверхности заготовки, при этом в качестве материала для ножей используют стали, способные закаливаться на воздухе, преимущественно кремниймарганцовистые стали. Происходит одновременное формирование кромок ножей, их заточка и термическое упрочнение - закалка.
В качестве ближайшего аналога предлагается способ и система для лазерного упрочнения поверхности обрабатываемой детали (RU 2 661 131 C2, МПК C21D 9/30, Опубликовано: 11.07.2018 Бюл. № 20). Способ лазерного упрочнения рабочей поверхности стальной детали, включает обработку поверхности детали перпендикулярным сфокусированным сканирующим лазерным лучом.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и ресурса при эксплуатации режущего инструмента, а также повышение производительности и понижение себестоимости при обработке изделий.
Получаемый при этом технический результат заключается в обеспечении высокоскоростной обработки рабочих поверхностей кромок деталей со скоростью перемещения лазерного луча до 21,5 м/сек и получения гомогенного упрочненного слоя толщиной от 0,01 до 3 мм.
Основные преимущества по сравнению с традиционными методами упрочения (азотирование, термическая закалка, напыление покрытия, закалка ТВЧ):
2
- Высокая производительность до 3 м/мин;
- Равномерная структура упрочненного слоя;
- Твердость упрочненного слоя выше на 20 - 30% (и выше);
- Стоимость процесса минимальна;
- Полная автоматизация процесса с возможностью контроля за чрезмерным перегревом зон поверхности детали.
Желаемый технический результат достигается тем, что в способе лазерного упрочнения рабочих поверхностей кромок режущего инструмента проводят обработку поверхностей лучом, сфокусированным таким образом, что диаметр его пятна составляет от 0,3 до 3 мм, который перемещают со скоростью до 21,5 м/сек при осуществлении локального нагрева и охлаждения поверхности для непрерывной закалки, при этом при обработке поверхностей используют волоконный источник лазерного излучения мощностью от 700 до 10000 Вт и сканирующую оптическую систему с переменным фокусным расстоянием.
Благодаря высокой скорости локального нагрева и охлаждения, поверхностный упрочненный слой без оплавления приобретает мелкодисперсную структуру с повышенной твердостью.
Способ заключается в непрерывной обработке рабочей поверхности кромок режущего инструмента сканирующим лазерным лучом с переменным фокусным расстоянием. Траектория сканирования представляет собой совокупность параллельных прямых или не прямых линий, длина которых соответствует геометрии зоны термической обработки детали. Конфигурация линий сканирования, а также их толщина и расстояние между ними, задается при программировании зоны обработки детали. Сфокусированный лазерный луч с диаметром пятна от 0,3 до 3 мм перемещается по рабочей поверхности детали со скоростью до 21,5 м/сек, осуществляя непрерывную закалку с помощью высокой скорости локального нагрева и охлаждения поверхности. Для генерации излучения используется волоконный источник лазерного излучения мощностью от 700 до 10000 Вт и сканирующая оптическая система с переменным фокусным расстоянием.
Пример
Перед выполнением упрочнения рабочих поверхностей кромок деталей из таких сплавов, например, как: 9Г, 40Х, 75Г методом лазерной закалки сканирующим лучом новое изделие крепится в специальной оснастке позиционирования для обеспечения жесткой фиксации и повторяемости процесса при обработке. По предварительно смоделированной программе траекторного перемещения пилотного луча проверяется наличие отклонений от заданной траектории и при необходимости проводится корректировка программы перемещения. В программно-аппаратных средствах шкафа управления установки лазерной закалки задаются параметры упрочения в зависимости от типа и марки стали детали режущего инструмента:
- Мощность лазерного излучения: от 700 Вт до 10000 Вт;
- Диаметр сфокусированного лазерного пятна: от 0,3 до 3 мм;
- Скорость перемещения лазерного луча: до 21,5 м/сек.
После упрочнения деталь остывает на воздухе до комнатной температуры и изымается из оснастки позиционирования.