CN103498144A

CN103498144A - 提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法

Info

Publication number: CN103498144A
Application number: CN201310396980.7A
Authority: CN
Inventors: 季永清
Original assignee: Jiangsu Next Illuminate Energy Science And Technology Development Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Next Illuminate Energy Science And Technology Development Co Ltd
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2014-01-08

Abstract

本发明公开一种提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法，其包括如下步骤：a）依据铰刀实际工作角度的大小，对铰刀刀头表面进行角度分析，控制激光束的加工走向；b）采用同轴送粉的方式，利用激光器所发出的激光束，使基材表面迅速融化，并通过添加钴基陶瓷合金粉末在基材表面形成一层熔覆层；c）对熔覆后的铰刀刀头进行后期机加工。该激光熔覆方法的优点如下：熔覆之后的铰刀刀头获得了较高的耐磨性，提高了铰刀的刚性，减小了铰制孔的尺寸误差。延长了铰刀的使用寿命。

Description

提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法

技术领域

本发明属于激光加工制造领域，特别是指一种提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法。

背景技术

激光具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性的特点，现在正被越来越多的领域所使用，激光熔覆就是表面处理技术中的一种。概括的说，激光熔覆的原理就是利用高能激光束照射金属材料表面，基材表面被迅速融化，液态的金属形成一个小规模的熔池，同时填注新的粉末材料，在这个熔池中，原本的金属材料与被添加的粉末相互混合，形成一层新的液态金属层。待激光光束经过以后，液态金属层迅速冷却由此在金属表面形成一层固态的熔覆层。激光熔覆可及大的改变该关键部位的金属性能，如硬度、耐磨性、耐热性、抗腐蚀性等。

铰刀是一种用以切除已加工孔表面金属的旋转刀具，经铰削加工后的孔可获得精准的尺寸和形状，其铰刀的最主要作用也就是为了提高孔的加工精度，降低其表面的粗糙度，是用于精加工和半精加工的刀具，其加工余量一般很小。

目前，由于机械化程度发展的步伐较快，在应用于机械加工中对孔的加工精度要求较高，其铰刀的应用率就很高了，在实际操作过程中，铰刀都是需要通过连接到电机主轴上才能进行旋转加工，所以就手动铰刀来说，对机用铰刀的刚性和耐磨性的要求就比较高。现国内绝大所数的厂家生产的铰刀均存在如下问题：1）孔径增大，误差大；2）孔径缩小；3）铰出的内孔不圆；4）孔的内表面有明显的棱面；5）内孔表面粗糙度值高；6）铰出的孔位置精度超差；7）铰刀刀齿崩刃；8）铰刀后孔的中心线不直；9）铰刀的使用寿命低。

发明内容

本发明提供了一种提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法。熔覆之后的铰刀刀头获得了较高的耐磨性，提高了铰刀的刚性，减小了铰制孔的尺寸误差。延长了铰刀的使用寿命。

为了达到以上目的，本发明所提供的技术方案如下：

a.铰刀在加工工件时，为了保证工件的加工质量，对铰刀刀头的工作角度有一定的要求限制。在激光熔覆时，通过本行业通用专业设备工业PC，对铰刀工作部分的倒锥度进行角度分析,控制激光束的加工走向；

b.铰刀材料为硬质合金钢，选用激光发生器，采用同轴送粉方式对铰刀刀头进行激光熔覆，其中合金粉末配方为钴基陶瓷合金粉末。激光熔覆过程中，对激光熔覆区域进行惰性气体保护；

　　c.激光熔覆后，对铰刀外形尺寸或表面精度未符合设计要求的部位进行后期机加工。

　　作为一种优选方案，铰刀在对工件进行加工的过程中，工件的材质，工艺流程等要求的不同，铰刀的实际工作角度也不尽相同，其工作角度（如图3）范围为：主偏角κr =3°～45°，前角γ0=0°～10°，后角αo =6°～8°,刃倾角λs=0°～20°。在对铰刀工作部分进行激光熔覆时，需结合铰刀刀头工作角度的特殊性，在铰刀刀头端侧与刀齿处作为熔覆开始时的起始位置，对刀锋相临的两个面进行激光熔覆。激光束从起始点开始，往刀柄方向，做横向往复进给运动。该激光束的走向能够使铰刀刀头表层冷却凝固成一层均匀的熔覆层，便于车刀的后期机加工处理。

　　作为一种优选方案，采用工业PC控制激光束的加工走向，同时驱动伺服电机实现定位，保证激光加工头与铰刀刀头的工作角度。

　　作为一种优选方案，选用的激光发生器有二氧化碳激光发生器，等离子激光发生器以及光纤激光发生器等。

　　作为一种优选方案，采用的钴基陶瓷合金粉末配方为：包含12-14%的三氧化二铝，0.2-0.3%的碳，1-3%的氟化钙，3-5%的氮化硅，3-4%的硼，0.2-0.6%的钒，3-5%的硅，6-8%的铁，18-20%的钼,余量为Co基和不可避免的杂质；其中，以上各种元素的含量为重量百分比含量。B和Si本身具有脱氧造渣、除气和良好的浸润性能，且能与大多数合金元素形成低熔点共晶，使合金的熔点降低。

作为一种优选方案，激光熔覆过程中的惰性气体为氮气或氩气。

作为一种优选方案，采用的激光发生器的参数选用范围为：激光功率为2000～5000W，激光多道次搭接率为30～60%，激光与熔覆层的夹角为80°～85°，激光扫描宽度为2～6mm，激光扫描速度为1～2m/min，送粉量为8～20g/min。

作为一种优选方案，所获得的熔覆层厚度为0.5～3mm。

作为一种优选方案,激光熔覆后的工件，外形尺寸和表面精度均未符合设计要求，所以对铰刀需要进行后期机加工，保证铰刀达到工业生产化的标准。用铣床对激光熔覆后的铰刀表面进行铣削，除去凹凸不平的一层熔覆层，然后对铣削过后的铰刀表面进行抛光处理，提高铰刀表面的精度。最后，在刀柄与铰刀头处开设有过渡段，提高刀柄与铰刀头的连接强度，延长铰刀的使用寿命。

该激光熔覆方法所获得的有益效果为：

1）铰刀刀头表层获得了较高的耐磨性、抗疲劳强度和刚性，延长了铰刀的使用寿命；

　　2）在后期机加工时，主要是对铰刀刀头表面的一层熔覆层进行机加工，与未进行激光

　　熔覆的刀头相比，铰刀刀头不容易产生裂纹；

3）提高了铰刀刀头内部的综合力学性能，获得了良好的组织性能；

4）铰刀刀头能够一次成型使用；

　　节省硬质合金刀头的制造成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明

图1为本发明提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法中所述的机用直柄铰刀。

图2为本发明提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法中所述的机用直柄铰刀的刀

齿。

图3为本发明提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法中所述的机用直柄铰刀刀头

的几何角度。

图4为图3C-C的剖面图。

附图中所标注的序列号含义如下：

1.刀柄部分、2铰刀刀头、3端侧、4刀齿、5前角、6后角。

具体实施方式

通过具体实施例对本发明进行如下详细说明。

以机用直柄铰刀刀头为例，对铰刀刀头进行激光熔覆步骤如下：

1.熔覆前检查机器设备的良好，采用光纤激光发生器，能够减少激光在传输过程中的能量损失。

2.熔覆前对光路系统进行调制。把光斑形状调制成方形光斑，控制激光束光斑能量均匀方向成90°角行走。

3.熔覆前将铰刀刀头表面预处理，除去铰刀刀头的表面油渍和铁锈。

4.激光熔覆过程中的惰性气体为氮气。

5.对机用直柄铰刀刀头进行激光熔覆时的工作角度做出如下两种方案：

实施方案一：

选用固体激光发生器，激光发生器的工艺参数为：激光功率为2000W，激光多道次搭接率为30%,激光束的角度为80°，激光扫描宽度为6mm，激光扫描速度为1m/min，送粉量为8g/min。

预制粉末：选用钴基陶瓷合金粉末配方包含12%的三氧化二铝，0.2%的碳，1%的氟化钙，3%的氮化硅，3%的硼，0.2%的钒，3%的硅，6%的铁，18%的钼,余量为Co基和不可避免的杂质；其中，以上各种元素的含量为重量百分比含量。

　　激光加工头与车刀表面的夹角参数：

a）机用直柄铰刀刀头主偏角的大小为κr =15°；

b）机用直柄铰刀刀头前角的大小为前角γ0=0°；

　　c）机用直柄铰刀刀头后角的大小为αo =6°；

　　d）机用直柄铰刀刀头刃倾角的大小为λs=0°；

　　在铰刀刀头端侧与刀齿处作为熔覆开始时的起始位置，对刀锋相临的两个面进行激光熔覆。激光束从起始点开始，往刀柄方向，做横向往复进给运动。直到铰刀整体总长的1/3处停止熔覆，然后激光束再次回到熔覆开始时的起始位置，逆时针旋转到下个端侧与刀齿处，进行第二个刀齿表面的激光熔覆，激光束行走方式仍然为横向往复直线运动。其中，横向往复进给运动是指：激光束从端侧与刀齿处为起始点开始，在激光熔覆刀齿两侧面时，激光束沿着铰刀轴线的，往刀柄方向运动，到达铰刀总长的1/3处，接着激光束偏移三分之二的激光扫描宽度，往回做平行于轴线的激光束加工运动，如此，在铰刀表面形成S形激光束加工走向，完成激光束作用于铰刀表面的横向往复进给运动。

用铣床对激光熔覆后的铰刀表面进行铣削，除去凹凸不平的一层熔覆层，然后对铣削过后的铰刀表面进行抛光处理，去报刀刃的锋利。最后，在刀柄与铰刀头处开设有过渡段，提高刀柄与铰刀头的连接强度，延长铰刀的使用寿命。

获得熔覆层的熔覆厚度达到3mm。

熔覆后检测并记录，不允许有裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

　　根据实施方案一，在生产过程中，前角的角度便于控制。铰孔质量适用于精铰。无刃倾角，所以不能使切削过程平稳，也不能显著提高铰孔质量。

实施方案二：

选用光纤激光发生器，激光发生器的工艺参数为：激光功率为5000W，激光多道次搭接率为60%,激光束的角度为85°，激光扫描宽度为2mm，激光扫描速度为2m/min，送粉量为20g/min。

预制粉末：选用钴基陶瓷合金粉末配方包含14%的三氧化二铝，0.3%的碳，3%的氟化钙，5%的氮化硅，4%的硼，0.6%的钒，5%的硅，8%的铁，20%的钼，余量为Co基和不可避免的杂质；其中，以上各种元素的含量为重量百分比含量。

激光加工头与车刀表面的夹角参数：

a）机用直柄铰刀刀头主偏角的大小为κr =45°；

b）机用直柄铰刀刀头前角的大小为前角γ0=10°；

　　c）机用直柄铰刀刀头后角的大小为αo =8°；

　　d）机用直柄铰刀刀头刃倾角的大小为λs=20°；

　　铰刀刀头端侧与刀齿处作为熔覆开始时的起始位置，对刀锋相临的两个面进行激光熔覆。激光束从起始点开始，往刀柄方向，做横向往复进给运动。直到铰刀整体总长的1/3处停止熔覆，然后激光束再次回到熔覆开始时的起始位置，逆时针旋转到下个端侧与刀齿处，进行第二个刀齿表面的激光熔覆，激光束行走方式仍然为横向往复直线运动。

获得熔覆层的熔覆厚度达到0.5mm。

熔覆后检测并记录，不允许有裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

根据实施方案二，适用于粗铰和铰盲孔时，加工韧性材料时，可以减小切屑变形，可以使铰削时切屑向前排出，不致于划伤已加工表面。在加工盲孔时，可在这种带刃倾角的铰刀前端开出一较大的凹坑，以容纳切屑。

　　以上所述的实施例仅为本发明的优选方案，并不用于限制本发明，对于所属领域的技术人员来说，本发明在上述所说的基础上，可以有各种更改和变化。在此无法对所有实施方式进行一一列举。凡在本发明原则之内，或者由本发明的精神所引申出的显而易见的变动均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法，其特征在于：

a.铰刀在加工工件时，为了保证工件的加工质量，对铰刀刀头的工作角度有一定的要求限制；

在激光熔覆时，通过本行业通用专业设备工业PC，对铰刀工作部分的倒锥度进行角度分析,控制激光束的加工走向；

b.铰刀材料为硬质合金钢，选用激光发生器，采用同轴送粉方式对铰刀刀头进行激光熔覆，其中合金粉末配方为钴基陶瓷合金粉末；

激光熔覆过程中，对激光熔覆区域进行惰性气体保护；

2.根据权利要求1所述的提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法，其特征a在于：铰刀在对工件进行加工的过程中，工件的材质，工艺流程等要求的不同，铰刀的实际工作角度也不尽相同，其工作角度范围为：主偏角κr =3°～45°，前角γ0=0°～10°，后角αo =6°～8°,刃倾角λs=0°～20°；在对铰刀工作部分进行激光熔覆时，需结合铰刀刀头工作角度的特殊性，在铰刀刀头端侧与刀齿处作为熔覆开始时的起始位置，对刀锋相临的两个面进行激光熔覆；

激光束从起始点开始，往刀柄方向，做横向往复进给运动；该激光束的走向能够使铰刀刀头表层冷却凝固成一层均匀的熔覆层，便于车刀的后期机加工处理。

3.根据权利要求1～2所述的提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法，其特征在于：采用工业PC控制激光束的加工走向，同时驱动伺服电机实现定位。

4.根据权利要求1所述的提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法，其特征 b中，选用的激光发生器有二氧化碳激光发生器，等离子激光发生器以及光纤激光发生器等。

5. 根据权利要求1所述的提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法，其特征 b中，采用的钴基陶瓷合金粉末配方为：包含12-14%的三氧化二铝，0.2-0.3%的碳，1-3%的氟化钙，3-5%的氮化硅，3-4%的硼，0.2-0.6%的钒，3-5%的硅，6-8%的铁，18-20%的钼,余量为Co基和不可避免的杂质；其中，以上各种元素的含量为重量百分比含量；

B和Si本身具有脱氧造渣、除气和良好的浸润性能，且能与大多数合金元素形成低熔点共晶，使合金的熔点降低；激光熔覆过程中的惰性气体为氮气或氩气。

6. 根据权利要求1所述的提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法，其特征b中，采用的激光发生器的参数选用范围为：激光功率为2000～5000W，激光多道次搭接率为30～60%，激光与熔覆层的夹角为80°～85°，激光扫描宽度为2～6mm，激光扫描速度为1～2m/min，送粉量为8～20g/min。

7.根据权利要求1～6所述的提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法，所获得的熔覆层厚度为0.5～3mm。

8.根据权利要求1～7所述的提高机用直柄铰刀刀头性能的激光熔覆方法，其特征c中，激光熔覆后的工件，外形尺寸和表面精度均未符合设计要求，所以对铰刀需要进行后期机加工，保证铰刀达到工业生产化的标准；用铣床对激光熔覆后的铰刀表面进行铣削，除去凹凸不平的一层熔覆层，然后对铣削过后的铰刀表面进行抛光处理，提高铰刀表面的精度；最后，在刀柄与铰刀头处开设有过渡段，提高刀柄与铰刀头的连接强度，延长铰刀的使用寿命。