CN103498152A

CN103498152A - 提高45°外圆车刀硬质合金刀头性能的激光熔覆方法

Info

Publication number: CN103498152A
Application number: CN201310396995.3A
Authority: CN
Inventors: 季培
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45°外圆车刀硬质合金刀头性能的激光熔覆方法，其包括如下步骤：a依据车刀实际工作角度的大小，对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对熔覆后的车刀进行后期机加工。该激光熔覆方法的优点如下：熔覆之后车刀刀头表层获得了较高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷，以及延长了车刀的使用寿命。

Description

提高45°外圆车刀硬质合金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45°外圆车刀硬质合金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。

硬质合金合金刀头是车刀中的关键部位，在国内，对于硬质合金合金刀头通常采用氮化钦镀层，从而来防止加工后的冷却翘曲。不过回火后，刀头的强度硬度会降低，塑性韧性升高，所以具体要求并不符合刀具的生产要求。

国内绝大多数的厂家采用回火炉对金属材料进行回火热处理，经过热处理的硬质合金刀头，一般用作两种用途，1）直接将热处理过后的硬质合金刀头焊接到刀架上，作为普通车床的车刀，在使用前，需进行人工磨刀，才能成型使用；2）经过一定的机械设备直接加工成型为车刀刀头，做为机架刀的（无需再加工）的刀头。综上所述，无论采用何种用途都要对刀头进行二次机加工，现代工业生产化中的车刀制造方法也无法增强其表面硬度，延长硬质合金刀头的使用寿命。

发明内容

本发明提供了一种提高45°外圆车刀硬质合金刀头性能的激光熔覆方法。熔覆之后车刀刀头表层获得了较高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷，以及延长了车刀的使用寿命。

为了达到以上目的，本发明所提供的技术方案如下：

a.车刀刀头在加工工件时，为了保证工件的加工质量，对车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，对刀头表面进行角度分析,控制激光束的加工走向。

b.车刀刀头材料为硬质合金钢，选用激光发生器，采用同轴送粉方式对车刀刀头表面进行激光熔覆，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45°外圆车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，车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，45°外圆车刀的实际工作角度也不尽相同，其工作角度范围为：前角γ0=10°～20°，后角α0=6°～12°,副后角α0’=5°～11°。在对45°外圆车刀硬质合金刀头进行激光熔覆，需结合车刀工作角度的特殊性，在前刀面、后刀面和副后刀面的夹角处作为熔覆开始时的起始位置，对主切削刃相连接的两个面先进行激光熔覆。激光熔覆作用于前刀面时，激光束从起始点开始做横向往复进给运动。该激光束的走向能够使车刀前刀面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。对后刀面和副后刀面进行激光熔覆时，同样也是从熔覆开始时的起始位置，对车刀表面进行横向往复进给运动。

　　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，保证激光加工头与车刀刀头的工作角度。

　　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：11-14%的碳化硅，0.1-0.3%的碳，5-7%的氟化钙，18-23%的铬，2-4%的硼，0.2-0.4%的钒，5-8%的铁，4-6%的硅，13-16%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，所以对车刀需要进行后期机加工，保证车刀达到工业生产化的标准。用铣床对激光熔覆后的车刀表面进行铣削，除去凹凸不平的一层熔覆层，然后对铣削过后的车刀表面进行抛光处理，提高车刀表面的精度。最后，在车刀前刀面上开断屑槽，减缓切屑通过此槽面时滑移平面的急剧变化，防止划伤切削已加工表面，及切屑缠绕在刀具上。

该激光熔覆方法所获得的有益效果为：

1）车刀刀头表层获得了较高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷，延长了车刀的使用寿命；

2）在后期机加工时，主要是对刀头表面的一层熔覆层进行机加工，与未进行激光熔覆的车刀刀头相比，车刀刀头不容易产生裂纹；

3）提高了车刀刀头内部的综合力学性能，获得了良好的组织性能；

4）车刀刀头能够一次成型使用；

　　5）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45°外圆车刀硬质合金刀头性能的激光熔覆方法中所提到的45°外

圆车刀的工作角度。

　　附图中所标注的序列号含义如下：

　　1 待加工表面、2 加工表面、3 已加工表面

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45°外圆车刀硬质合金刀头为例，对车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.熔覆前将车刀刀头表面预处理，除去车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45°外圆车刀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11%的碳化硅，0.1%的碳，5%的氟化钙，18%的铬，2%的硼，0.2%的钒，5%的铁，4%的硅，13%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）45°外圆车刀硬质合金刀头前角的大小为γ0=10°；

b）45°外圆车刀硬质合金刀头后角的大小为α0=6°；

c）45°外圆车刀硬质合金刀头副后角的大小为α0’=5°；

前刀面、后刀面和副后刀面的夹角处作为激光熔覆时开始的起始位置，对主切削刃相连接的两个面先进行激光熔覆。激光熔覆作用于前刀面时，激光束从起始点开始做横向往复进给运动,直到车刀整体总长的1/5处停止熔覆，然后激光束再次回到熔覆开始时的起始位置，准备对后刀面进行激光熔覆，激光束在后刀面上的加工走向也为横向往复进给运动。激光束完成激光加工走向后，再次回到激光熔覆开始时的起始位置，准备对副后刀面进行激光熔覆，其激光束加工走向与前刀面和后刀面一样，均为横向往复进给运动。其中，横向往复进给运动是指：激光束从起始点开始，在激光熔覆前刀面和后刀面时，激光束沿着主切削刃运动，到达主切削刃的另一端点，接着激光束偏移三分之二的激光扫描宽度，往回做平行于主切削刃的激光束加工运动，如此，在车刀表面形成S形激光束加工走向，完成激光束作用于车刀表面的横向往复进给运动。在激光熔覆副后刀面时，激光束是沿着副切削刃，在车刀表面做横向往复进给运动，完成车刀副后刀面的激光熔覆。

用铣床对激光熔覆后的车刀表面进行铣削，除去凹凸不平的一层熔覆层，然后对铣削过后的车刀表面进行抛光处理，确保主刀刃的锋利。最后，在车刀前刀面上开断屑槽，减缓切屑通过此槽面时滑移平面的急剧变化，防止划伤切削已加工表面，及切屑缠绕在刀具上。

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。

根据实施方案一激光熔覆出来的车刀，适用于粗车外圆：即背吃刀量较大，刀尖高于工件中心的场合。这种激光熔覆的方法减小了车刀的前角，能够提高车刀前刀面的抗疲劳强度，并承受较大的冲击载荷。

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14%的碳化硅，0.3%的碳，7%的氟化钙，23%的铬，4%的硼，0.4%的钒，8%的铁，6%的硅，16%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）45°外圆车刀硬质合金刀头前角的大小为γ0=20°；

b）45°外圆车刀硬质合金刀头后角的大小为α0=12°；

c）45°外圆车刀硬质合金刀头副后角的大小为α0’=11°；

前刀面、后刀面和副后刀面的夹角处作为激光熔覆时开始的起始位置，对主切削刃相连接的两个面先进行激光熔覆。激光熔覆作用于前刀面时，激光束从起始点开始做横向往复进给运动,直到车刀整体总长的1/5处停止熔覆，然后激光束再次回到熔覆开始时的起始位置，准备对后刀面进行激光熔覆，激光束在后刀面上的加工走向也为横向往复进给运动。激光束完成激光加工走向后，再次回到激光熔覆开始时的起始位置，准备对副后刀面进行激光熔覆，其激光束加工走向与前刀面和后刀面一样，均为横向往复进给运动。

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。

根据实施方案二激光熔覆出来的车刀，适用于精车外圆：即背吃刀量较小时，刀尖低于工件中心的场合。这种激光熔覆的方法增大了车刀的后角，提高了后刀面的耐磨性。

　　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45°外圆车刀硬质合金刀头性能的激光熔覆方法，其特征在于：

a.车刀刀头在加工工件时，为了保证工件的加工质量，对车刀刀头的工作角度有一定的要求限制， 2. 在激光熔覆时，通过本行业通用专业设备工业PC，对刀头表面进行角度分析,控制激光束的加工走向；

b.车刀刀头材料为硬质合金钢，选用激光发生器，采用同轴送粉方式对车刀刀头表面进行激光熔覆，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45°外圆车刀硬质合金刀头性能的激光熔覆方法，其特征a在于：车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，45°外圆车刀的实际工作角度也不尽相同，其工作角度范围为：前角γ0=10°～20°，后角α0=6°～12°,副后角α0’=5°～11°，在对45°外圆车刀硬质合金刀头进行激光熔覆，需结合车刀工作角度的特殊性，在前刀面、后刀面和副后刀面的夹角处作为熔覆开始时的起始位置，对主切削刃相连接的两个面先进行激光熔覆，激光熔覆作用于前刀面时，激光束从起始点开始做横向往复进给运动，该激光束的走向能够使车刀前刀面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；对后刀面和副后刀面进行激光熔覆时，同样也是从熔覆开始时的起始位置，对车刀表面进行横向往复进给运动。

3. 根据权利要求1～2所述的提高45°外圆车刀硬质合金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45°外圆车刀硬质合金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45°外圆车刀硬质合金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：11-14%的碳化硅，0.1-0.3%的碳，5-7%的氟化钙，18-23%的铬，2-4%的硼，0.2-0.4%的钒，5-8%的铁，4-6%的硅，13-16%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45°外圆车刀硬质合金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45°外圆车刀硬质合金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45°外圆车刀硬质合金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，所以对车刀需要进行后期机加工，保证车刀达到工业生产化的标准；用铣床对激光熔覆后的车刀表面进行铣削，除去凹凸不平的一层熔覆层，然后对铣削过后的车刀表面进行抛光处理，提高车刀表面的精度；最后，在车刀前刀面上开断屑槽，减缓切屑通过此槽面时滑移平面的急剧变化，防止划伤切削已加工表面，及切屑缠绕在刀具上。