CN111286596A

CN111286596A - 薄刀片刃口的淬火强化工艺

Info

Publication number: CN111286596A
Application number: CN202010149426.9A
Authority: CN
Inventors: 吴旭浩; 王爱华; 徐乐; 杨明烨; 吴斌
Original assignee: Zhejiang Jiuxuan Optoelectronics Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Jiuxuan Optoelectronics Technology Co ltd
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2020-06-16

Abstract

本发明公开了一种薄刀片刃口的淬火强化工艺，其特征在于将薄刀片采用传统淬火工艺整体淬火后，将整体淬火后的薄刀片进行粗磨开刃；将粗磨开刃的薄刀片进行高速移动，其相对移动速度为100‑400mm/s，薄刀片移动时采用高功率密度激光光斑照射刃口，其功率密度≥150W/mm²，使得刃口形成激光淬火层，最后进行精磨，得到具有刃口淬火强化的薄刀片。这种采用高功率密度激光器配以快速移动的薄刀片，以保护薄刀片刃口不被熔化的同时达到淬火效果，使得薄刀片的锋利度、耐磨度以及使用寿命得以提高，发挥薄刀片材料的最佳性能。

Description

薄刀片刃口的淬火强化工艺

技术领域

本发明涉及一种薄刀片刃口的强化淬火工艺，属于热处理领域。

背景技术

薄刀片采用高碳工具钢制成，如常见的美工刀、修脚刀、模切刀等。目前国内对这种薄刀片都是采用高频淬火或网带炉淬火等传统工艺进行热处理，然后进行磨削加工制成，对于这类薄刀片来说整体淬火存在以下问题：1. 刀片会被整体淬硬，整体被淬硬的刀片在使用过程中容易产生断刀或蹦口的现象，可能危及对使用者的人身安全；2. 为了防止产生断刀或蹦口的现象，往往通过回火降低产品硬度，造成产品的锋利度和耐磨度降低，缩短产品的使用寿命。3. 采用传统淬火工艺的薄刀片在整体淬火后进行磨削开刃，磨削时产生的高温即使用冷却液进行同步冷却，还是会使刃口出现回火现象，降低了刃口的硬度，同样造成产品的锋利度和耐磨度降低，缩短产品的使用寿命。

查中国专利数据库，得到公布号为CN110093480A，名称为数控刀具刀刃激光表面强化工艺方法的发明专利申请，公开了如下内容：数控刀具刀刃激光表面强化工艺方法，其特征在于，其包括下述步骤：1）对需要强化的刀具刀刃部位进行表面清理；2）选用激光光斑可调的激光头，并设定激光器作业参数；3）控制激光器按照上移步骤中设定的参数到刀具刀刃部位进行扫描；4)激光器一次完成扫描并快速冷却形成均匀的激光淬火层。其中还公开了激光器作业参数设定如下：功率2KW，扫描速度为17mm/s，激光光斑为7*10mm，选用的激光器的功率范围为2.5KW-8KW。由于数控刀具是一种厚度较大的产品，采用高功率激光器进行淬火处理可以获得较好的效果，按照以上参数可以计算得到该专利采用的激光光斑的能量密度为28.6W/mm²。而本发明涉及的薄刀片厚度只有0.5-1.2mm，其刃口更薄，材料的热容量很小，因此，如果采用上述强化工艺，其刃口的热积累很容易使得薄刀片的刃口熔化烧损，故而，上述公开的这种强化工艺不能适用于薄刀片的刃口强化。

另查中国专利数据库，得到公告号为CN 202317270名称为“刃部激光淬火的切割刀具”的实用新型专利，公开了如下内容：刃部激光淬火的切割刀具，由同种材质制成一体的基体和刃部，其特征是：对所述的刃部实施激光淬火在刃部的表面形成淬硬层。对所述的基体上邻接所述刃部的2mm 以内的部分进行激光淬火形成淬硬层。所述的刃部为刀刃、锯齿中的一种。该技术方案是对刃部的2mm以内的部分进行激光淬火，实际应用时由于材料非常薄，连续激光淬火后材料容易翘曲变形，为了控制变形一般采用脉冲激光进行间歇淬火处理，采用脉冲激光淬火时由于出光是非连续的，为了保证在刃口上得到连续的淬火层，必须通过降低淬火速度使光斑达到一定的重叠率，淬火的效率很低，以最高脉冲频率100Hz、最大光斑尺寸0.5mm、光斑重叠率50%为例，淬火最大速度仅为25mm/s，无法适应刀片流水线的最低100mm/s的高速生产要求，对于薄刀片这类低价格、低附加值的产品不具备实际的应用价值。

发明内容

鉴于背景技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种大幅提高薄刀片刃口锋利度、耐磨度，同时又能适应生产流水线的速度要求的、高效率的、完整的薄刀片刃口淬火强化工艺。

本发明采用如下技术方案来实现的：一种薄刀片刃口的淬火强化工艺，其特征在于具有如下步骤：

a）将薄刀片进行整体淬火后回火；

b）将整体淬火后的薄刀片进行粗磨开刃；

c）在薄刀片高速移动过程中，用高功率密度激光光斑照射刃口，其相对移动速度为100-400mm/s，其功率密度≥150W/mm²，使得刃口形成激光淬火层；

d）将刀片进行精磨开刃，得到具有刃口淬火强化的薄刀片。

所述步骤b）中，将整体淬火后的薄刀片进行粗磨开刃，刃口顶部保留0.1-0.2mm的厚度进行精磨开刃。

所述步骤c）中，高功率密度激光光斑在时间上分布是连续的，是由连续波激光器产生的。

所述步骤c）中，用高功率密度激光光斑照射刃口时，其激光束与薄刀片横向轴线的夹角在正负30度之间。

所述步骤c）中，高功率密度激光光斑照射刃口后，辅以惰性气体对刃口予以吹气过程，使得薄刀片刃口的加工区域得以快速冷却。

所述步骤c）中，刃口形成激光淬火层有效深度为0.05～0.3mm。

所述激光器的激光头上设置温度测量装置，所述温度测量装置用来检测薄刀片刃口淬火区域的淬火温度，且所述温度测量装置与激光器连接。

所述薄刀片在高速移动中辅以限位器，以控制薄刀片的横向跳动幅度。

所述限位器为两个并列布置的滑轮构成，所述薄刀片从两个滑轮之间穿过而高速移动。

本发明采用一种整体淬火+回火+粗磨开刃+激光淬火+精磨开刃的复合淬火强化方式，激光淬火工序可以无缝嵌入到现有的薄刀生产线中，在增加有限的生产成本情况下，大大提高了产品的性能，这种工艺生产的刀片整体具有极好的韧性不容易断刀和蹦口，同时刃口又具有极高的硬度。其激光淬火速度达到了超高速100-400mm/s范围，本发明采用的激光功率密度≥150W/mm²，这种工艺开创性采用高能量密度、超高速激光淬火工艺，实现与现有生产线同步，保护薄刀片刃口不被熔化，同时达到淬火强化效果，其刀刃在经过该工艺加工后锋利度和耐磨度比起传统工艺得出的结果有显著提升，以发挥薄刀片材料的最佳性能。

附图说明

下面再结合附图进一步描述本发明的有关细节；

图1为本发明工艺的设备结构图。

图2为本发明薄刀片粗磨后的结构示意图；

图3为本发明表示淬火层深的结构示意图；

图4为本发明激光射线与薄刀片横向轴线的夹角为正30度的示意图；

图5为本发明激光射线与薄刀片横向轴线的夹角为0度的示意图；

图6为本发明激光射线与薄刀片横向轴线的夹角为负30度的示意图。

具体实施方式

这种薄刀片刃口的淬火强化工艺，于具有如下步骤：向将薄刀片2采用传统淬火工艺整体淬火后回火；所述采用传统淬火工艺指的是采用高频淬火工艺或者网带炉淬火工艺整体淬火；将整体淬火后的薄刀片2进行粗磨开刃；将薄刀片2进行高速移动，其相对移动速度为100-400mm/s；将高功率密度激光光斑，对刃口5予以照射，其功率密度≥150W/mm²，使得刃口形成激光淬火层；其中激光器1的功率选择500-2000W中小功率的连续光纤激光器或者连续半导体激光器，相比脉冲激光器淬火能耗更低，维护成本更低，更有利于应用在大批量流水线加工的工件上。激光淬火本来就是一种快速加热快速自冷却的工艺，本实施例中这种高功率密度、超高速激光淬火的过程，单位面积热输入量极小，减少了刃口的热积累，避免刃口熔化烧损，同时，这种超高速激光扫描作用下，激光奥氏体化区域很浅，奥氏体冷却极快，形成超晶细粒的马氏体组织，具有极好的硬度和韧性，刀刃在经过该工艺加工后，锋利度和耐磨度比传统工艺得到的结果有显著提升。这种经过高功率密度和超高速淬火后的薄刀片，再经过精磨开刃，刃口具有极高硬度。其中，薄刀片采用高频淬火工艺或者网带炉淬火工艺整体淬火后进行整体回火，形成回火马氏体，降低材料整体的硬度，提高材料整体的韧性。将整体淬火后的薄刀片进行粗磨开刃，刃口顶部保留0.1-0.2mm的厚度t进行精磨开刃，刃口顶部保留这样的厚度t，既能保证刃口不会被激光熔化，又使得淬火有足够的层深，并且有效的控制了精磨的磨削量。其高功率密度激光光斑在时间上分布是连续的，是由连续波激光器产生的。用高功率密度激光光斑照射刃口7时，根据刀片的厚度和开刃的角度不同其激光束6与薄刀片横向轴线的夹角α可以在正负30度之间进行调整，取得最佳的入射角度，使得刃口保持均匀的淬火层深。这种工艺刃口形成激光淬火层其激光淬火层有效深度h为0.05-0.3mm，并且在激光淬火层和基材淬火层之间存在一个回火带，这个回火带有效的降低了激光淬火层的蹦口的风险。在上述步骤中，高功率密度的激光光斑对刃口7予以照射后，通过吹气管4辅以惰性气体对刃口予以高速吹气过程，其吹气速度大于20L/min，使得薄刀片刃口7的加工区域得以更加快速冷却，使得淬火后的刃口马氏体晶粒更加细小。同时，所述薄刀片在高速移动中辅以限位器，所述限位器为两个并列布置的滑轮3构成，所述薄刀片从两个滑轮之间穿过而高速移动，以控制薄刀片的横向跳动幅度，使得薄刀片横向跳动控制在激光光斑加工范围内，且不让薄刀片在流水线作业上传动时卡住，保持加工的流畅。这种工艺中，在所述激光器的激光头上设置温度测量装置5，所述温度测量装置5用来检测薄刀片刃口加工区域的温度，且所述温度测量装置与激光器连接。所述的温度测量装置采用同轴或者旁轴红外测温技术，测得薄刀片加工区域的温度后，实时反馈给激光器，激光器根据测得的工作区域温度来实时控制激光器的功率变化以保证高速加工过程中加工区域的温度稳定性，保证激光辐照刃口保持的加热温度稳定在±5℃范围内，从而保证刃口不熔化的同时达到淬火效果，也保证了产品加工过程中的一致性。以下以修脚刀和美工刀为例，施以不同的参数得到的结果：以修脚刀为例，修脚刀采用的材料为65Mn，其整体淬火+回火后基材的硬度为HRC55左右，采用额定功率为1000W连续激光器，激光功率密度为306W/mm²，薄刀片移动速度为166mm/s，激光对刃口的入射角为-10度，用以上工艺参数进行激光淬火，得到修脚刀刃口的淬火硬度为HRC62-63，淬火层深为0.2mm。当激光功率密度为222W/mm²，薄刀片移动速度为140mm/s，激光对刃口的入射角为0度，同样也能得到上述的淬火硬度和淬火层深。以美工刀为例，美工刀的材料为SK2，其整体淬火回火后基材的硬度为HRC60左右，采用额定功率为2000W连续激光器，激光功率密度为380W/mm²，薄刀片移动速度为310mm/s，激光对刃口的入射角为0度，通过上述工艺得到美工刀刃口淬火硬度为HRC64-65，淬火层深0.12mm；当激光功率密度为233W/mm²，薄刀片移动速度为160mm/s，激光对刃口的入射角为+15度，通过上述工艺得到美工刀刃口淬火硬度为HRC63-64，淬火层深0.2mm；经过试验，其激光功率密度≥150W/mm²，薄刀片移动速度在100-400mm/s时，其淬火硬度都有满意的结果。

Claims

1.一种薄刀片刃口的淬火强化工艺，其特征在于具有如下步骤：

a)将薄刀片进行整体淬火后回火；

b)将整体淬火后的薄刀片进行粗磨开刃；

c)在薄刀片高速移动过程中，用高功率密度激光光斑照射刃口，其相对移动速度为100-400mm/s，其功率密度≥150W/mm²，使得刃口形成激光淬火层；

d)将刀片进行精磨开刃，得到具有刃口淬火强化的薄刀片。

2.根据权利要求1所述的薄刀片刃口的淬火强化工艺，其特征在于所述步骤b）中，将整体淬火后的薄刀片进行粗磨开刃，刃口顶部保留0.1-0.2mm的厚度进行精磨开刃。

3.根据权利要求1所述的薄刀片刃口的淬火强化工艺，其特征在于所述步骤c）中，高功率密度激光光斑在时间上分布是连续的，是由连续波激光器产生的。

4.根据权利要求1所述的薄刀片刃口的淬火强化工艺，其特征在于所述步骤c）中，用高功率密度激光光斑照射刃口时，其激光束与薄刀片横向轴线的夹角在正负30度之间。

5.根据权利要求1所述的薄刀片刃口的淬火强化工艺，其特征在于所述步骤c）中，高功率密度激光光斑照射刃口后，辅以惰性气体对刃口予以吹气过程，使得薄刀片刃口的加工区域得以快速冷却。

6.根据权利要求1所述的薄刀片刃口的淬火强化工艺，其特征在于所述步骤c）中，刃口形成激光淬火层有效深度为0.05～0.3mm。

7.根据权利要求1所述的薄刀片刃口的淬火强化工艺，其特征在于所述激光器的激光头上设置温度测量装置，所述温度测量装置用来检测薄刀片刃口淬火区域的淬火温度，且所述温度测量装置与激光器连接。

8.根据权利要求1所述的薄刀片刃口的淬火强化工艺，其特征在于所述薄刀片在高速移动中辅以限位器，以控制薄刀片的横向跳动幅度。

9.根据权利要求8所述的薄刀片刃口的淬火强化工艺，其特征在于所述限位器为两个并列布置的滑轮构成，所述薄刀片从两个滑轮之间穿过而高速移动。