CN101605914B - 用于形状复杂的部件的表层硬化的方法和装置 - Google Patents

用于形状复杂的部件的表层硬化的方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN101605914B
CN101605914B CN2007800488140A CN200780048814A CN101605914B CN 101605914 B CN101605914 B CN 101605914B CN 2007800488140 A CN2007800488140 A CN 2007800488140A CN 200780048814 A CN200780048814 A CN 200780048814A CN 101605914 B CN101605914 B CN 101605914B
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy
hardening
independent
temperature field
power density
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN2007800488140A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101605914A (zh
Inventor
B·布伦纳
S·邦斯
F·蒂茨
M·塞弗特
J·汉韦伯
S·库恩
U·卡森克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of CN101605914A publication Critical patent/CN101605914A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101605914B publication Critical patent/CN101605914B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • C21D10/005—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation by laser shock processing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

Abstract

本发明涉及机器零件，设备零件和装置零件以及工具的表层硬化。对于这样的对象而言，该应用是可能的且是适宜的，该对象为由可硬化的钢制成的、强烈地受到疲劳应力或磨损应力的部件，该部件具有复杂的形状且其表面必须有选择地在功能面处被加以硬化，或者，在该部件中该功能表面具有多维的形状。用于形状复杂的部件的表层硬化的方法借助于能量作用区而被执行，根据本发明，其特征在于，能量作用区在不同的、空间和时间上相分开的轨道上并借助于协同工作的运动系统而以如下方式被引导，即，通过单独温度场的叠加而产生统一的、完全包括部件的功能面的温度场，在所述温度场内，部件的稍后的硬化区的各表面元件至少一次地到达所选择的奥氏体化温度范围ΔTa，且单独温度场3.1至3.n的最高温度Tmaxn之间的时间上的间隔Δt小于为在其冷却阶段期间低于马氏体开始温度MS而所需的时间ΔtmS。根据本发明，可用于会执行根据本发明的方法的装置的特征在于，能量成形单元与用于光学的或电磁的辐射的一个或多个能量源相连接且相应地各自紧固在分开的但协同工作的运动系统处。

Description

用于形状复杂的部件的表层硬化的方法和装置
本发明涉及机器零件，设备零件和装置零件以及工具(Werkzeugen)的表层硬化(Randschichthaertung)。对于这样的对象而言，其应用是可能的且是适宜的，即，该对象为由可硬化的钢制成的、强烈地受到疲劳应力或磨损应力的部件，该部件具有复杂的形状且其表面必须有选择地在功能面(Funktionsflaechen)处被加以硬化，或者，在该部件中，功能面具有多维的形状。尤其有利的是，本发明针对这种部件被加以利用，在这种部件上，功能面的几何形状沿着部件以三维的方式变化。这种部件例如为大型工具，切割工具和修边工具以及用于汽车车身加工的压模，用于蒸汽透平的低压部分的透平叶片，凸轮盘，工具的机架等等。其它的利用情况为诸如几何形状复杂的部件的表层扩散退火，表层回火或表层调制等的局部的热处理。
现有技术
表层硬化是一种用以提高由可硬化的钢制成的部件的耐磨性和疲劳极限的、在技术上广泛传播的方法，作为能量源(Energiequellen)可采用——按照功率密度和3D能力升序排序——火焰，感应能，电子射束和激光光束(Laserstrahl)。
很多时候，待硬化的功能面包括在一定角度下彼此对接的两个面，就如在切割工具或在成形工具中那样。在这种情况下，两个面必须以优化的方式同时被硬化，以防止所谓的回火区(Anlasszonen)。所述回火区通过在前产生的硬化轨迹的、达奥氏体转变的开始的高度的再次的温度加载(由于在后的轨迹的温度场所致)而形成。这造成的后果是之前所产生的轨迹的区域的一定程度的短时间回火，其使得在多种载荷情况下的耐磨性和疲劳强度急剧恶化。
为避免这种回火区，在感应淬火(induktionshaertung)情况下，采用相应地成形的感应器，即所谓的二面-感应器，该感应器在其轮廓中大致相应于该彼此对接的面的几何形状的阴模(Negativ)。针对平面的2D部件，也已知了多件式分段式的感应器(参看M Bott所著的、发表于Informationsdienst Wissenschaft，2006，09，28中的文章“LeichtereAutomobile durch Laserstrahlschweissen”)，所述感应器允许在两维的部件上产生弯曲的回火区的轨迹。原则上，由此，在平面的部件上，弯曲的硬化轨迹也是可能的。此处，该感应器以机械的方式借助于型模(Matrize)而在部件上被引导。
在激光光束硬化情况下，已知了射束分裂单元，所述射束分裂单元在其设计形式中，以最高的灵活性而被装备以两个激光射束扫描器系统(见“International Congress on Applications of Laser andElectro-Optics”会议论文集，圣地亚哥，加利福尼亚，美国，15-18 11 1999，第87f卷，第1-10页中的、由D M Seifert，B Brenner，F Tietz，EBeyer所著的“Pioneering laser sanning system for hardening of turbineblades”)。具体地，该系统包括用于CO2激光的激光光束的光束分裂光学系统，两个抛物线状弯曲的聚焦镜和两个在光路中布置在其后的激光扫描系统。通过光束分裂镜的位置的移动，光束分裂镜，聚焦镜，扫描镜之间的间距，以及扫描角度的变化，可事先调节射束冲击角以及射束尺寸(宽度，长度)。由此，带有以角度α(该角度在约为10°.α.80°的角度范围中)而彼此对接的两个功能面的部件可同时地且以不产生回火区的方式进行硬化。
借助于二面-形状感应器(Forminduktor)或借助于多件式分段式感应器而用于感应淬火的组件的缺点和利用射束分配器及可调节的射束成形系统来进行激光光束硬化的组件的缺点在于，无法用于这样的部件的硬化，即，在该部件上，角度α或待硬化的面的形状沿着两个功能面的对接缘(Stosskante)而变化。典型地，作为这种部件的具体化形式，需提及透平叶片(该透平叶片应在其进气边缘的区域中被硬化)或切割工具，(该切割工具的切割边缘具有3D弯曲的形状)。其理由在于，在这两种情况下，能量成形单元(Energieformungseinheit)的几何形状无法在加工期间与该两个功能面相匹配(anpassen)且由此功率密度分布无法在加工期间与该两个功能面相匹配。
本发明的目的在于，提出一种新的，灵活的方法和相应的装置，该方法和装置允许，即使是复杂地成形部件的功能面也可以适应负荷(beanspruchungsgerecht)而又不会出现回火区的方式被硬化。尤其地，该方法和装置还适合于这样的部件的表层硬化，在该部件上，相邻的两个功能面之间的对接缘具有三维的走向，且/或相邻的功能面之间的角度α沿着其对接缘而变化。
本发明以如下任务为基础，即，提出一种方法和装置，该方法和装置允许，能够以如下方式灵活地调节所期望的温度场，即，在加工期间可沿着以多维方式弯曲的功能面的对接缘而与局部的散热条件和局部的磨损及载荷条件、以及几何变化相匹配。
根据本发明，该目的利用如在独立权利要求1和9以及所属的从属权利要求2至8或10至17中所给出的、用于形状复杂的部件的表层硬化的方法和所属装置来加以解决。
如在权利要求1中所描述的那样，为了产生均匀的，无回火区的被硬化的表层(该表层在整个功能面上延伸)，借助于适合的能量成形单元所产生的多个能量作用区(Energieeinwirkungszonen)在不同的、空间和时间上相分开的轨道(Bahnkurven)上被引导经过功能面。根据本发明，这一点通过多个协同工作(kooperierend arbeitenden)的运动系统而发生。作为运动系统，可使用机器人，CNC-，NC-，机械或液压控制的设备或者它们的组合。在此，各个轨道(其由单独的运动系统所驶过)以如下方式布置，即，使得由单独的能量作用区所产生的温度场叠加，以使得待硬化的区中的每个表面元件至少一次达到所选择的奥氏体化温度范围(Austenitisierungstemperaturintervall)ΔTa。根据本发明，对于各个能量作用区而言，这一点无需同时发生，而是可在相邻的能量作用区的相应最高温度Tmax n的到达之间的时间差Δtms内发生，该时间差Δtms短于如下时间，在该时间内，之前产生的单独温度场(Einzeltemperaturfelder)的区域被冷却至马氏体开始温度(Martensitstarttemperatur)。
由于在复杂地成形的部件上或功能区上，对整个硬化区(Haertungszone)的宽度和硬化深度的要求以及散热条件从一处到另一处可能有所变化，所以，在权利要求2中提出，单独的能量作用区的功率密度分布并非恒定的，而是在硬化过程期间相应于局部的要求而加以选择。
在硬化区的整个宽度上的所需要的统一的奥氏体化温度范围ΔTa的到达除了以单独温度场的合适的空间和时间上的叠加为前提以外，还以单独的能量作用区内的、具有足够高的功率密度和可调节的功率密度分布的、可合适地被控制的能量源为前提。因此，有利的是，如在权利要求3和权利要求5中所阐明的那样，使用激光辐射(Laserstrahlung)或感应场作为能量源。
在此，针对使用激光光束作为能量源的情况，适当地部分散焦的(teildefokussierter)激光光束的震荡(Oszillation)则是一种尤其灵活且良好地可控的、用于以依赖于地点的方式调节功率密度分布的可能性，就如其在权利要求4中所叙述的那样。在此，振动函数(Schwingfunktionen)可以依赖于地点的方式而变化且通过运动系统的控制而被操控或产生。尤其地，功率密度分布的控制的这种类型包含如下可能，即，通过横向于能量作用区的进给方向的非谐和的振动函数的使用而设定非对称的功率密度分布。如果功能面沿着边缘或刃口而延伸，则这一点尤其有利。
如果热能由感应能量场所产生，则可如权利要求6中所描述那样，通过多个不相同地成形的感应器的同时的应用来进行功率密度分布的匹配，在其中，感应器至部件的耦合间距和/或其相互间的间距或其相互间的重叠(Ueberlappung)以与依赖于地点的方式而被调节。这可通过运行针对单独的感应器的不同的运动程序(Bewegungsprogramme)从而简单且有利地被实现。
针对带有形状复杂的、较大的待硬化的功能面的部件，权利要求7公开了新的工艺过程方面的可能性，其中，在同一硬化过程中，统一的(einheitliche)温度场通过激光能和感应能的同时的作用而产生。对于功能面内的感应器无法接近的凹形部分或者激光光束能量的单独使用不够经济的应用而言，这种不同能量源的使用的变型尤其有利。
权利要求8构成了根据本发明的、针对这样的部件的解决方案，在其中，功能面部分地被钻孔、凹部、凹槽或类似的结构特征所打断或者对于针对特定的长度而散开成彼此分开地放置的多个功能面。
根据本发明的工艺过程的解决方案如其在独立的装置权利要求9中所叙述地在这样的装置中被实现。该装置大致上包括多个协同工作的运动系统，能量成形单元法兰连接到该运动系统处。由此确保了，由一个或多个能量源所供能的能量成形单元可在不同的轨道上运动。
针对如在权利要求10中所实现的、能量源为激光的情况，权利要求11至13给出了尤其有利的设计方案。尤其灵活地且廉价地，该解决方案体现为，使用纤维耦接式(fasergekoppelte)高功率二极管激光器作为能量源，且使用激光光束扫描器(Laserstrahlscanner)作为射束成形单元(Strahlformungseinheiten)。
然而，针对较大的功能面或较大的所需硬化深度，则也可如权利要求14中所阐述那样，使用感应发生器(Induktionsgeneratoren)并使用感应器作为场成形单元。
若如在权利要求16中所阐明的那样，利用机器人作为协同工作的运动系统，则可形成尤其灵活且廉价的装置变型。权利要求17中，再一次地阐明根据本发明的用于实行根据本发明的方法的装置的应用。
该根据本发明的解决方案并非局限于表层硬化的目的。局部的回火过程或扩散退火过程可同样被执行。对此，以不破坏本发明的思想的方式，仅需针对该方法而用短时间回火的温度范围ΔTan或可时效硬化的钢的表层扩散退火温度范围ΔTL代替奥氏体化温度范围ΔTa。此外，针对短时间回火，还将时间差ΔtmS由Δt180来代替。
实施例
将根据下文中的实施例进一步阐述本发明。这些实施例将根据图1至图5而详细地描述。在图中，相同的特征设以相同的参考标号。
其中：
图1示出了根据本发明的操作方法，用于切割工具的三维地变化的切割边缘的表层硬化。
图2示出了带有两个相协作的机器人的硬化设备。
图3示出了用于借助于两个纤维耦接式的高功率二极管激光器而将压缩机叶片进气边缘硬化的功率密度分布的设计和硬化区的布置。
图4示出了用于带有在两个彼此对接的功能面之间的变化的角α的工具边缘的硬化的感应器和硬化区的布置。
图5示出了用于硬化心轴的装置，该心轴带有被引入以用于滚动轴承的滚珠的导轨。
例1：
一种切割工具(见图1a)应当以适应负荷且与传统技术相比变形更小的方式而被表层硬化。同时，应当达到更高的耐磨性。该切割工具由钢X155CrMoVl2.1制成且在正常调质状态下具有为300HV的硬度。两个功能面之间的角度α为约85°。其中示出了，为了实现适应负荷的硬化，两个与切割边缘相邻的面必须被硬化。但是，为了避免切割边缘的脆性折裂，该边缘则不允许被淬透(durchgehaertet)。
该面的适应负荷的感应淬火或激光光束硬化很难实现。利用形状感应器的感应淬火无法实现这样的区域中的优化的硬化，在该区域中，一个或两个单独硬化区24.1或24.2的曲率较大。利用传统的激光光束硬化，则必须将功能面24.1和24.2逐个地进行硬化。这会由于单独硬化区24.1的重新回火而导致回火区28(见图1a)，在该回火区28内，表层硬度从大约800HV下降至大约420HV。后果就是，无法充分地改善耐磨性。
激光光束硬化的另一变型在于，将部件相对于激光光束以如下方式定位，即，使得，激光光束正好对称地冲击至两个功能面，使该激光光束沿着对接缘27运动，并使其与进给方向垂直地进行扫描。尽管这种变型实现了适应负荷的硬化，然而，其也很难做到将功能面的所有区域优化地加以硬化。问题尤其出现在如下区中，在这些区中，对接缘在一个或多个平面中强烈地弯曲。在此，难以在没有垂熔(Anschmelzungen)的情况下在硬化区的整个表面上确保相同的奥氏体化温度。
为了根据本发明解决该目的，使用了两个激光光束17.1和17.2，它们由两个纤维耦接式高功率二极管激光器12.1和12.2所发出。激光光束通过各一光导纤维13.1和13.2而被引导至各一射束成形单元9.1和9.2中。借助于可通过运动机器的程序而被操控的两个激光光束扫描器14.1和14.2，其与进给方向垂直地被扫描。利用依赖于地点的振动函数对扫描器14.1和14.2的振动镜进行操控。由此产生了可分开地针对两个单独硬化区24.1和24.2而优化地进行匹配的功率密度分布16.1和16.2。两个运动系统6.1和6.2以如下方式编程(programmiert)，即，使得被扫掠的两个激光光束17.1和17.2的光轴29.1和29.2垂直或几乎垂直地竖立在两个能量作用区2.1和2.2的表面上并相应地具有至两个功能面21.1和21.2的对接缘27的、大小为1/2b1或1/2b2的间距。为实现该不同的运动过程，该两个运动系统6.1和6.2实现了完全不同的两个轨道。功率密度分布16.1和功率密度分布16.2以如下方式调节，即，使得在对接缘27的弯曲处的以及在对接缘附近的较低的散热性这样地被补偿，即，横向于待硬化的功能面21.1和21.2地得到了恒定的表面硬度。所要求的硬化深度t1和t2由能量作用持续时间所确定，且通过进给方向上的激光光束光斑的适合的长度所而调节。表面温度通过两个激光器12.1和12.2的功率的高温计调控而保持恒定。
由材料试样处的测试，温度场计算或列线图而获取所需要的两个激光光束的理论进给速度。在如下位置处，即，在该位置处两个激光光束17.1和17.2中的一者需经过较长的路程，则焦点间距(Fokusabstand)被增大且激光功率被提高。由此确保，温度场3.1和温度场3.2的最高温度的到达之间的时间差Δtn小于最高温度的到达和马氏体开始温度MS的开始之间的时间差ΔtmS。由此，可靠地避免了回火区。
作为结果，产生了连续的、适应负荷的、优化地被硬化的硬化区8，其带有为800HV的恒定的硬度而无回火区。
例2：
为了在技术上实现在例1中所叙述的用于达到适应负荷的硬化的解决方案，使用一种根据权利要求9和16所述的，如在图2中示出的装置。
运动系统6.1和运动系统6.2包括机器人18.1和18.2，它们彼此之间构造相似。其彼此协同工作，也就是说，两个运动系统以如下方式彼此配合，即，使得，其在几何方面和时间方面精确地彼此协调地运行。两个工具几乎同步(quasi synchron)地运动，并且，与单个的机器人的轨道变化无关地，总是在相同的时间到达下一个端点。此外，取向可相对彼此固定，以使得，在空间上一个系统的工具位置的变化自动地由第二系统加以补偿，这大大简化了调整过程。
于它们之间存在有单独的转轴30，该转轴30与机器人18.1相关。在两个机器人的臂处紧固有两个射束成形单元9.1和9.2。其容纳两个光导纤维13.1和13.2，该光导纤维13.1和13.2可通过两个可弯曲的CFK杆而跟随机器人18.1和18.2的运动，而不会小于临界曲率半径(kritischen Biegeradius)。两个射束成形单元9.1和9.2包括各一准直模块和聚焦模块。于聚焦模块之后存在有各一激光光束扫描器14.1或14.2。于激光光束扫描器和聚焦模块之间存在有倾斜放置的半透明的镜，该镜可让激光光束透过。由部件1所发出的热辐射被反射，且被提供给高温计，该高温计提供用于温度调控的输入信号。待硬化的部件1在部件夹具中被紧固，该部件夹具位于转轴30的三爪卡盘处。为了将功能面21.1和功能面21.2表层硬化，该部件有利地如此地转动，即，使得对接缘27指向上。
机器人18.1如此地被编程，即，使得其行经用于功能面21.1的轨道(在部件坐标系统中在x平面和y平面中的运动)。机器人18.2行经沿着功能面21.2的另一轨道(在部件坐标系统中：x轴，y轴，z轴，以及在C-轴中的旋转运动)。如果两个机器人轨道的编程连同理论进给速度一起而得到了以下这点，即，在两个轨道的任何位置处其同步的偏差ΔT1都不会大于最高温度Tmax1，2和马氏体开始温度MS之间的冷却时间Δtms，则运动程序可以如此被使用。相反，如果在任一部件位置处有Δtms＞Δtmax1，2，则两个进给速度22.1和22.2在局部以如下方式重新编程，直至重新符合条件Δtms＜Δtmax1，2。于在其中进行了这种干涉的编程步骤上，激光光束的散焦以及激光功率被改变，以进行补偿。
例3：
由于腐蚀性磨损而强烈地遭受磨损的透平叶片(见图3a)应得到叶片进气边缘的与负荷相匹配的保护。粒子几乎垂直地冲击到叶片进气边缘上。其由钢X20Cr13制成且被调质至230HV的硬度，以实现相当坚韧的组织状态。但是，这种高度回火的状态不适合于抵抗点蚀磨损应力(Tropfenschlagverschleissbeanspruchung)。已知的是，激光光束硬化非常适合于显著地提高对点蚀磨损的抵抗力。然而，由于高周应力和应力裂缝风险的原因，叶片尖端不应被淬透。为了以适应负荷的方式设计硬化区8，其必须具有帽形形状(Kappenform)，该帽形形状与局部的叶片翼型相匹配。
沿着两个待硬化的功能面21.1和21.2的对接缘27，不仅叶身(Schaufelblatt)的连接，叶身厚度(见图3b，3c，3d)，叶片进气边缘的几何形状会发生变化，而且待硬化的帽形形状的硬化区8的理论轮廓也发生变化。在截面A-A中，该帽形形状应为几乎对称的、带有在对接缘27的附近的相对较大的淬透的宽度。在截面C-C中，相对理论硬化深度较小且硬化区8与表面的形状更加匹配。
为了实现硬化区几何形状的这种分布和这种设计，必须在激光光束硬化期间改变多个参数：两个激光光束17.1和17.2的扫描宽度，功率密度分布16.1和16.2，两个激光光束17.1和17.2彼此间的倾角(角度β)以及相对于叶片表面的倾角的倾角，激光光束17.1和17.2的作用持续时间，激光功率及进给速度22.1和22.2。此外，由于叶片横截面的非对称，运动系统16.2的轨道无法从运动系统16.1的轨道的镜象中得出。出于这些原因，根据现有技术利用一个运动系统来实现该硬化目的是非常不利的。
因此，为了产生优化的硬化区几何形状，根据本发明利用了两个可分开地被调节但协同工作的运动系统6.1和6.2。一种有利的具体化形式在图2中进行描述，其布置同样可很好地用于透平叶片的进气边缘的硬化。
由于硬化目的非常复杂且存在很多参数调节的自由度，所以，有利的功率密度分布(针对足够数量的叶身几何形状)通过FEM温度场仿真而加以计算。通过独立的程序，从所希望的功率密度分布中获得针对所选的震荡幅度与射束直径关系的激光光束的为此所需的振动函数。
通过示教编程(teach-in-Programmierung)输入两个激光光束17.1和17.2与叶身中线之间的倾角并由此输入两个激光光束的光轴之间的角度β。接着，从中制定出两个机器人18.1和18.2的运动程序。通过在材料试样处的试样硬化而获得在所给参数组下所需的激光功率。
在输入所有参数并进行温度控制系统的校准后，硬化过程开始。其结果为沿着叶片进气边缘的、以适应负荷的方式而设计的、呈帽形形状的硬化区8，该硬化区8使得透平叶片的磨损保护和疲劳极限的优化的关系成为可能。硬化区8在功能面21.2和21.2内在整个轨迹宽度上具有恒定的表面硬度。此外，通过优化地调节的奥氏体化温度及高的冷却速度，由于放弃了叶片进气边缘的淬透，钢的硬化能力充分地被利用。
例4：
一种具有这样的对接缘27——其角度α沿着该对接缘而变化(见图4a，和图4b至图4d)——的成形工具应以感应的方式被硬化。这利用形状感应器和单一个运动系统是不可能实现的。
根据本发明的解决方案作如下设置，即，使一感应器15.1与运动系统6.1相连接并使第二感应器15.2与运动系统6.2相连接。感应器15.1和15.2相应于不同的硬化宽度b1和b2以及不同的硬化深度t1和t2而以不同方式进行构造。
随着对接缘27的接近，散热性降低，且在加热期间直接位于对接缘27处可能出现过热。以如下做法来对此作反应，即，使得感应器底侧面并不布置成与功能面的表面平行，而是以如下方式倾斜，即，使得其在对接缘27的方向上具有较大的耦合间距。此外，在感应器端部和对接缘27之间设定需通过预先实验来设定的间距。对于两个感应器而言，这两种做法同样地发生。沿着硬化轨道(见在图4b，c，d中的截面A-A，截面B-B，截面C-C)，随着两个功能面之间角度α的增加，感应器底侧面对功能面的表面的倾角以及感应器端部与对接缘27之间的间距都减小。该两个修正运动被叠加以由部件的CAD数据所生成的运动程序。利用设备配置(如在例2中所阐述的那样)，以两个分开的运动系统来产生所需的运动过程。两个感应器之间的时间上的间隔非常重要。一方面，感应器彼此之间不允许过于紧的靠在一起，以保证两个感应场不会相互影响；另一方面，为了避免回火区的形成，间距不允许过大。因此，在带有最佳散热性(最大的角度α)的位置处对冷却速度进行测量并用此方式确定两个感应器之间的间距。作为进一步的条件，针对所需的外部激冷的情况，需要注意以下一点，即，在低于马氏体开始温度MS之前使用水冲洗。
根据本发明的组件优点在于，由此
·多种复杂地成形的部件可使用该廉价的感应淬火而不会形成回火区，
·感应淬火设备的灵活性得以提高
·复杂地成形的部件可以适应负荷的方式被硬化，
·可通过感应器之间的相对位置的调节而灵活地在部件上产生各种硬化区几何形状、硬化区、硬化宽度和硬化深度。
例5：
如图5所示，带有圆形横截面、纵向引导部33和倾斜地布置在圆柱体侧面32上的球导轨(Kugellaufbahn)34的引导心轴31应完全地被表层硬化。其由球轴承钢100Cr6加工而成。球导轨34具有圆形的横截面，以扩大滚珠和球导轨之间的接触角。为了降低裂纹倾向，且为了避免软的回火区，彼此相继的、分开地进行的圆柱体侧面32、纵向引导部33和球导轨34的硬化是不允许的。该任务通过以下方式解决，即，在进给中以统一的温度场4将整个待硬化的部件表面加以硬化。该统一的温度场4由两个单独温度场3.1和3.2的、根据本发明在时间和空间上协调的叠加所产生，该单独温度场3.1和3.2在本例中相应于权利要求15由作为能量源10.1的激光器12.1和作为能量源10.2的感应发生器26.1所产生。
在此，感应器15.1将圆柱体侧面32和纵向引导部33进行硬化，而激光光束17.1则对球导轨34进行硬化。为此，感应器15.1构造为形状感应器，该形状感应器包围圆柱体侧面32和纵向引导部33的两个侧面。与之相反，激光光束17.1用于球导轨34的硬化。为此，又使用了激光光束扫描器14.1，该激光光束扫描器14.1将激光光束垂直于其进给方向进行扫掠。
运动系统6.1包括简单的液压轴，该液压轴使很长的引导心轴31以恒定的进给速度运动穿过感应器15.1。运动系统6.2为简单的NC轴或CNC轴，其使射束成形单元9.2在圆形轨道状的轨道5.2上运动。手动的进给元件用于调节激光光束17.1和感应器15.1之间的相对位置。
运动系统6.2中的射束成形单元9.2的运动速度22.2和运动方向如此地被调节成相对于感应器15.1而通过运动系统6.1的部件1的运动速度22.1，即，使得它们的在部件1的进给方向上的分量大小相同。为了有效地实施激光光束加热，则激光光束硬化在感应加热之后进行。出于能量方面原因，此处，在感应器15.1下最大奥氏体化温度Tmax1的到达与在激光光束17.1下最大奥氏体化温度的到达之间的时间上的间隔Δt1，2在此被选择成比马氏体形成开始之前的时间间隔Δtms短得多。该激光光束17.1直接定位于感应器15.1后。此处温度仍高于800℃。这具有以下优点，即，通过能量的分工，仅需要在其它情况下的通常的激光光束功率的一部分。在激光光束作用的位置后面还布置了水冲洗。
通过两个运动系统6.1和6.2的协调的运动并通过两个不同能量源10.1和10.2的两个单独温度场3.1和3.2叠加成统一的、包括部件1的整个功能面21的温度场4，使得该部件的优化的、无回火区的硬化成为可能。
参考标号列表
1待硬化的部件
2能量作用区1至n
3单独温度场1至n
4统一温度场
5轨道1至n
6运动系统1至n
7表面元件
8硬化区
9能量成形单元1至n，射束成形单元1至n，场成形单元1至n
10能量源1至n
11部件夹紧部1至n
12激光器1至n
13光导纤维1至n
14激光光束扫描器1至n
15感应器1至n
16功率密度分布1至n
17激光光束1至n
18机器人1至n
19硬化宽度1至n
20硬化深度1至n
21待硬化的功能面1至n
22进给速度1至n
23聚焦光学系统1至n
24单独硬化区1至n
25运动系统控制单元1至n
26感应发生器1至n
27功能面之间的对接缘
28回火区
29激光光束的光轴1至n
30转轴
31引导心轴
32圆柱体侧面
33纵向引导部
34球导轨
ΔTa-奥氏体化温度范围
MS-马氏体开始温度
Tmaxn-单独温度场3.n的最高温度
tn-温度场3.n和温度场3.n+1的最高温度Tmaxn之间的时间间隔
ΔtmS-最高温度Tmaxn的到达和马氏体开始温度MS的开始之间的时间间隔
Δt180-最高温度Tmaxn的到达和可硬化的钢中的第一回火阶段的温度180℃的到达之间的时间间隔
α-彼此对接的两个功能面的表面之间的角
ΔTan-回火温度范围
ΔTL-扩散退火温度范围bn-单独硬化区n的硬化宽度
tn-单独硬化区n的硬化深度
b-整个硬化区的硬化宽度
t-整个硬化区的硬化深度
β-两个激光光束的光轴之间的角
A，B-待硬化功能面上的位置

Claims (17)

1.一种用于借助于多个能量作用区而将形状复杂的部件表层硬化的方法，其特征在于，能量作用区(2)在不同的、空间和时间上相分开的轨道(5)上借助于协同工作的运动系统(6)以如下方式被引导，即，使得，通过单独温度场(3)的叠加，产生统一的、完全包括所述部件(1)的功能面(21)的温度场(4)，在所述温度场(4)内，所述部件(1)稍后的硬化区(8)的每个表面元件(7)至少一次达到所选择的奥氏体化温度范围ΔTa，且单独温度场3.1至3.n(3)的最高温度Tmaxn之间的时间上的间隔Δt小于最高温度Tmaxn和马氏体开始温度MS之间的时间差Δtms。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，单独的能量作用区(2)的功率密度分布(16)相应地独立地与局部散热条件和所期望的硬化宽度(19)及硬化深度(20)相匹配。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用激光辐射以产生所述单独温度场(3)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述功率密度分布(16)与所述局部散热条件和所期望的硬化宽度(19)及硬化深度(20)的匹配通过合适的部分散焦的激光光束(17)的震荡来进行，且用于激光光束震荡的振动函数以依赖于地点的方式通过运动系统(6)的控制而被操控或产生。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用感应能以产生所述单独温度场(3)。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述功率密度分布(16)与所述局部散热条件和所期望的硬化宽度(19)及硬化深度(20)的匹配通过单独的感应器(15)之间的重叠或间距的调节和/或所述单独的感应器(15)至所述部件(1)的耦合间距的调节来进行且通过运动系统(6)的运动程序来实现。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述统一的温度场(4)通过激光辐射和以感应的方式所产生的功率密度分布的同时的作用而实现。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，针对部分地在空间上分开地布置的或分叉的功能面(21)的情况，所述功率密度分布(16)以如下方式调节，即，使得其分开地包括所述功能面的相应的部分面，并且在所述部分面的不同的路径长度的情况下，单独的进给速度(22)以如下方式调节，即，使得所述分开的功能面的单独温度场(3)在达到其结合点时具有时间间隔Δtn＜Δtms。
9.一种用于借助于多个能量成形单元而将形状复杂的部件表层硬化的装置，其特征在于，所述能量成形单元(9)与用于光学的或电磁的辐射的一个或多个能量源(10)相连接且相应地各自紧固在分开的但协同工作的运动系统处并且包含允许在3D轨道运动期间改变能量源的功率密度分布的技术器件，其中，相应地各自紧固在分开的但协同工作的运动系统处的能量成形单元(9)通过横向于能量作用区的进给方向的非谐和的振动函数的使用而产生非对称的功率密度分布。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，用于光学辐射的所述能量源(10)为激光器(12)。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述激光器(12)借助于光导纤维(13)相应地与一个或多个射束成形单元(9)相连接。
12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述能量源(10)为纤维耦接式高功率二极管激光器。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述射束成形单元(9)含有激光光束扫描器(24)且该激光光束扫描器(24)与所述运动系统的控制单元(25)相连接。
14.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，用于电磁辐射的所述能量源(10)为感应发生器(26)，且所述能量成形单元(9)为感应器(15)。
15.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述能量源(10)为激光器(12)和/或感应发生器(26)。
16.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，使用机器人(18)作为所述协同工作的运动系统。
17.根据权利要求9至16中任一项所述的装置，其特征在于，该装置被使用以用于执行根据权利要求1至8中的任一项所述的方法。
CN2007800488140A 2006-10-27 2007-10-10 用于形状复杂的部件的表层硬化的方法和装置 Active CN101605914B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006050799.1 2006-10-27
DE102006050799A DE102006050799A1 (de) 2006-10-27 2006-10-27 Verfahren und Vorrichtung zum Randschichthärten formkomplizierter Bauteile
PCT/EP2007/008787 WO2008049513A1 (de) 2006-10-27 2007-10-10 Verfahren und vorrichtung zum randschichthärten formkomplizierter bauteile

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101605914A CN101605914A (zh) 2009-12-16
CN101605914B true CN101605914B (zh) 2013-11-20

Family

ID=38754732

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2007800488140A Active CN101605914B (zh) 2006-10-27 2007-10-10 用于形状复杂的部件的表层硬化的方法和装置

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9187794B2 (zh)
EP (1) EP2087141B1 (zh)
JP (1) JP5717341B2 (zh)
CN (1) CN101605914B (zh)
DE (1) DE102006050799A1 (zh)
HU (1) HUE047935T2 (zh)
PL (1) PL2087141T3 (zh)
WO (1) WO2008049513A1 (zh)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008060151A1 (de) * 2008-12-02 2010-06-10 Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit
JP5489812B2 (ja) * 2009-03-31 2014-05-14 Ｔｈｋ株式会社 レーザ焼入れ方法、運動案内装置
AT508130B1 (de) * 2009-05-18 2010-11-15 Stiwa Holding Gmbh Führungselement, schaltelement für ein kraftfahrzeuggetriebe und verfahren zur herstellung einer fügeverbindung
AT509597B1 (de) * 2010-06-30 2011-10-15 Ebner Ind Ofenbau Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines formbauteils
JP5756745B2 (ja) * 2011-12-28 2015-07-29 富士重工業株式会社 焼入れ方法および焼入れ装置
US8816259B2 (en) * 2012-04-06 2014-08-26 Siemens Aktiengesellschaft Pack heat treatment for material enhancement
CN104822849B (zh) * 2012-09-06 2017-05-17 Etxe-Tar有限公司 用于对工件的表面进行激光硬化的方法及系统
DE102014109535A1 (de) * 2013-07-30 2015-02-05 Rothenberger Ag Presswerkzeug sowie Verfahren zur Herstellung eines Presswerkzeuges
MX2017011964A (es) 2015-03-17 2018-06-15 Ikergune A I E Metodo y sistema para el tratamiento termico de chapa metalica.
RU2707166C2 (ru) * 2015-05-08 2019-11-22 Икергуне, А.И.Э. Способ и устройство для термической обработки объекта с использованием пучка энергии
DE102017121526A1 (de) * 2017-09-15 2019-03-21 Rollomatic S.A. Vorrichtung zur Ausrichtung und Positionierung eines Werkstücks relativ zu einem Laserstrahl einer Laserbearbeitungsmaschine
EP3983567A1 (en) * 2019-06-12 2022-04-20 Etxe-Tar, S.A. Method and system for heating using an energy beam
CN110732777B (zh) * 2019-10-18 2021-11-16 扬州镭奔激光科技有限公司 一种双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法
DE102022206235B3 (de) 2022-06-22 2023-10-26 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Verfahren zum Fügen von Bauteilen mittels Schrumpfen
CN116426721B (zh) * 2023-05-04 2024-01-02 广州泰格激光技术有限公司 一种曲面的激光淬火方法、装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4533400A (en) * 1983-06-29 1985-08-06 The Garrett Corporation Method and apparatus for laser hardening of steel
CN1394969A (zh) * 2002-07-22 2003-02-05 广州富通光科技术有限公司 齿轮的激光表面硬化工艺

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2748733A1 (de) * 1977-10-29 1979-05-10 5090 Leverkusen Verfahren und einrichtung zum kontinuierlichen herstellen von blockfoermigem schaumstoff
US4270397A (en) * 1978-03-13 1981-06-02 Cam Gears Limited Rotatable sleeve rack
IT1179061B (it) * 1984-08-20 1987-09-16 Fiat Auto Spa Procedimento per l'effettuazione di un trattamento su pezzi metallici con l'aggiunta di un materiale d'apporto e con l'impiego di un laser di potenza
JPS63130295A (ja) * 1986-11-20 1988-06-02 Mitsubishi Electric Corp レ−ザ光によるワ−ク熱処理方法
JPS63293119A (ja) * 1987-05-27 1988-11-30 Nissan Motor Co Ltd カムシャフトの表面硬化処理方法
USRE38936E1 (en) * 1987-06-10 2006-01-17 Koyo Seiko Co., Ltd. Antifriction bearing and alternator incorporating same for use in vehicles
JPH01316416A (ja) * 1988-06-17 1989-12-21 Nippon Steel Corp レーザによる部分表面熱処理方法とその装置
JPH03188212A (ja) * 1989-12-15 1991-08-16 Nippon Steel Corp レーザ熱処理方法
EP0491075B1 (de) 1990-12-19 1995-07-05 Asea Brown Boveri Ag Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel aus einer Titan-Basislegierung
JPH04247822A (ja) * 1991-01-25 1992-09-03 Toyota Motor Corp 未処理プレス成形品の焼入れ方法
JPH06116630A (ja) * 1992-10-06 1994-04-26 Daihatsu Motor Co Ltd 自動車ボデーの焼入れ方法
JP3385886B2 (ja) * 1996-12-17 2003-03-10 トヨタ自動車株式会社 レーザ焼入れ方法
FR2786790B1 (fr) * 1998-12-04 2001-02-23 Ecole Polytech Procede de traitement par laser d'un objet en materiau a memoire de forme
FR2790007B1 (fr) 1999-02-19 2001-04-20 Renault Procede de traitement thermique d'une roue dentee en acier
JP2000239746A (ja) * 1999-02-23 2000-09-05 Toyota Motor Corp 表面硬化処理法
DE10030433C2 (de) * 1999-06-23 2002-06-06 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur Erzeugung verschleißbeständiger Randschichten an ausscheidungshärtbaren Werkstoffen
JP4554040B2 (ja) * 2000-07-10 2010-09-29 日立建機株式会社 レーザによる歯車の熱処理方法および装置
JP3597488B2 (ja) * 2001-04-20 2004-12-08 ヤマザキマザック株式会社 レーザ焼入れ装置
JP2002371319A (ja) * 2001-06-19 2002-12-26 Mazda Motor Corp 鋼板部材の製造方法及びその方法で製造された鋼板部材
DE10208216C1 (de) 2002-02-26 2003-03-27 Benteler Automobiltechnik Gmbh Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils
JP4179009B2 (ja) * 2002-06-27 2008-11-12 日産自動車株式会社 クランクシャフトの製造方法
JP2004035953A (ja) * 2002-07-03 2004-02-05 Thk Co Ltd レーザー光を利用した焼入れ方法及び装置
JP2006265606A (ja) * 2005-03-23 2006-10-05 Ntn Corp 高周波熱処理方法、高周波熱処理設備および高周波熱処理品

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4533400A (en) * 1983-06-29 1985-08-06 The Garrett Corporation Method and apparatus for laser hardening of steel
CN1394969A (zh) * 2002-07-22 2003-02-05 广州富通光科技术有限公司 齿轮的激光表面硬化工艺

Also Published As

Publication number Publication date
EP2087141B1 (de) 2019-08-28
PL2087141T3 (pl) 2020-03-31
DE102006050799A1 (de) 2008-05-08
US9187794B2 (en) 2015-11-17
JP2010507726A (ja) 2010-03-11
WO2008049513A8 (de) 2008-10-30
EP2087141A1 (de) 2009-08-12
WO2008049513A1 (de) 2008-05-02
CN101605914A (zh) 2009-12-16
JP5717341B2 (ja) 2015-05-13
HUE047935T2 (hu) 2020-05-28
US20100126642A1 (en) 2010-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101605914B (zh) 用于形状复杂的部件的表层硬化的方法和装置
Martínez et al. Analysis of the regimes in the scanner-based laser hardening process
US20170326681A1 (en) Additive manufacturing and integrated impact post-treatment
EP0276461B1 (en) Method for processing large cast iron dies, particularly for vehicle sheet-metal pressing, and the apparatus for its implementation
CN112501419B (zh) 利用能量束热处理含铁材料的方法和设备
EP2893048A2 (en) Method and system for laser hardening of a surface of a workpiece
EP3271486B1 (en) Method and system for heat treatment of sheet metal
CN113423847B (zh) 使用能量束进行加热的方法和系统
JP7101480B2 (ja) プレス硬化構成部材のレーザビーム熱処理の方法及びプレス硬化構成部材
CN105945104A (zh) 弯曲加工制品的制造方法及制造装置
JP3934679B2 (ja) 切断ダイおよびその製造方法
JP6393419B2 (ja) 長尺部材の焼き入れ装置及び長尺部材の焼き入れ方法
CN102808077A (zh) 一种保持精度等级的薄壁齿圈类零件淬火方法
CN101109033A (zh) 侧曲面激光淬火时光斑位姿的控制方法
Zenker et al. Electron beam surface hardening
CN105829550A (zh) 流水线式方法和流水线式制造设备
JP4113137B2 (ja) 蒸気タービン翼及びその製造方法
US20220258281A1 (en) Method and system for heating using an energy beam
CN116790849A (zh) 减速机齿轮的双相异构结构构建方法
CN117363844A (zh) 一种变功率多道次高斯激光离散硬化系统及加工方法
Ogawa et al. Tool Run-out Correction Technology Using Laser On-the-Machine Tool
CN103409598A (zh) 一种nc机床导轨表面激光仿生强化机器人及其强化方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant