RU2104136C1

RU2104136C1 - Device for laser strengthening of cutting edges of strip-like tools

Info

Publication number: RU2104136C1
Application number: RU96119428A
Authority: RU
Inventors: Владимир Алексеевич Васин; Виктор Александрович Невровский; Леонид Леонидович Сухих; Виктор Михайлович Рубан
Original assignee: Владимир Алексеевич Васин; Виктор Александрович Невровский; Леонид Леонидович Сухих; Виктор Михайлович Рубан
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 1998-02-10

Abstract

FIELD: cutting-tool strengthening technology. SUBSTANCE: this is intended for strengthening of sections of strip-like cutting tools, for example in manufacture of high-strength cutting edges of various-purpose tools possessing self-grinding property. In device, installed subsequently in parallel to moving direction of table 4 are thermostat 5 and cooling unit 6 which embrace treatable section of strip-like tool at both sides. Face of blank is heated by means of laser 1 with its optical axis passing through focusing unit 3 and directed to treatable section of blank of strip-like cutting tool. Device allows for creating hard and wear-resistant edges of strip-like cutting tool possessing self-grinding property in process of operation for cheaper and more simple application of tool. EFFECT: high efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для упрочнения участков поверхности пластинчатого режущего инструмента, например, при изготовлении высокотвердых режущих кромок пластинчатых инструментов различного назначения, обладающих эффектом самозатачивания, что найдет широкое применение не только в машиностроении, но и в пищевой, химической, легкой, деревообрабатывающей промышленностях, медицине и др. The invention relates to mechanical engineering and can be used to harden surface sections of a blade cutting tool, for example, in the manufacture of high hard cutting edges of blade tools for various purposes, with the effect of self-sharpening, which will find wide application not only in mechanical engineering, but also in food, chemical, light, woodworking industries, medicine, etc.

Известно устройство для лазерной термообработки массивных стальных деталей, в том числе, и с целью упрочнения их поверхностей /1/, состоящее из импульсного или непрерывного лазера, узла крепления упрочняемой детали и поворотного зеркала. A device for laser heat treatment of massive steel parts, including, and with the aim of hardening their surfaces / 1 /, consisting of a pulsed or continuous laser, the mounting unit of the hardened parts and a swivel mirror.

Недостатком известного устройства является то, что осуществляемый на нем технологический процесс не вполне подходит для упрочнения кромок тонких пластин. Указанный недостаток обусловлен тем, что необходимая для закалки высокая скорость остывания нагретого лазерным излучением участка детали обусловливается теплопроводностью вглубь детали. В случае тонких деталей, подобных, например, полотну ножа, теплоотдача в окружающую среду менее интенсивна, чем вглубь металла в объемной детали, поэтому скорость остывания в последнем случае невелика. A disadvantage of the known device is that the process carried out on it is not quite suitable for hardening the edges of thin plates. This drawback is due to the fact that the high cooling rate of the part of the part heated by laser radiation necessary for hardening is due to the thermal conductivity deep into the part. In the case of thin parts, such as, for example, a blade of a knife, the heat transfer to the environment is less intense than deep into the metal in the bulk part, so the cooling rate in the latter case is low.

Наиболее близким техническим решением является устройство для лазерной закалки тонких листовых материалов /2/, состоящее из импульсного или непрерывного лазера, поворотного зеркала, фокусирующего узла, подвижного стола для перемещения заготовки листового материала под лучом лазера. The closest technical solution is a device for laser hardening of thin sheet materials / 2 /, consisting of a pulsed or continuous laser, a rotary mirror, a focusing unit, a movable table for moving a sheet of material under the laser beam.

Недостатком известного устройство является невозможность создания переменной по сечению тонкого листа твердости, которая необходима, например, для получения эффекта самозатачивания режущей кромки инструмента при его работе. По условиям охлаждения нагретого участка детали все сечение тонкого листа остывает практически с одинаковой скоростью, фазовое превращение различных участков детали при закалке совершается с одинаковой глубиной и твердость по толщине получается одинаковой. A disadvantage of the known device is the inability to create a variable over the cross section of a thin sheet of hardness, which is necessary, for example, to obtain the effect of self-sharpening the cutting edge of the tool during its operation. According to the cooling conditions of the heated portion of the part, the entire cross section of the thin sheet cools at almost the same speed, the phase transformation of various parts of the part during quenching occurs with the same depth and the hardness in thickness is the same.

Цель изобретения - создание на краю тонкой пластины закаленного слоя с твердостью, постепенно уменьшающейся внутрь материала к противоположной поверхности пластины, что позволяет получить пластинчатый инструмент с эффектом самозатачивания, повысить твердость и износостойкость кромки. The purpose of the invention is the creation on the edge of a thin plate of a hardened layer with a hardness gradually decreasing inside the material to the opposite surface of the plate, which allows to obtain a plate tool with a self-sharpening effect, to increase the hardness and wear resistance of the edge.

Цель достигнута тем, что устройство для лазерного упрочнения режущих кромок пластинчатого инструмента, содержащее лазер, поворотное зеркало, фокусирующий узел и подвижный стол для перемещения заготовки пластинчатого инструмента, дополнительно снабжено последовательно установленными друг за другом в направлении движения стола и с возможностью охвата обрабатываемого участка пластинчатого инструмента с обеих сторон термостатом и охлаждающим узлом, причем термостат размещен на заданном расстоянии от оптической оси фокусирующего узла. The goal is achieved in that the device for laser hardening of the cutting edges of the plate tool, containing a laser, a rotary mirror, a focusing unit and a movable table for moving the workpiece of the plate tool, is additionally equipped sequentially installed one after another in the direction of movement of the table and with the possibility of covering the processed area of the plate tool on both sides of the thermostat and the cooling unit, and the thermostat is placed at a predetermined distance from the optical axis of the focusing unit .

На чертеже изображена схема устройства для лазерного упрочнения режущих кромок пластинчатого инструмента. The drawing shows a diagram of a device for laser hardening of the cutting edges of a plate tool.

Устройство для лазерного упрочнения режущих кромок пластинчатого инструмента содержит импульсный или непрерывный лазер 1, поворотное зеркало 2, фокусирующий узел 3, подвижный стол 4, термостат 5, охлаждающий узел 6 и заготовку пластинчатого режущего инструмента 7 с зоной воздействия лазерного луча 8. The device for laser hardening of the cutting edges of the plate tool contains a pulsed or continuous laser 1, a rotary mirror 2, a focusing unit 3, a movable table 4, a thermostat 5, a cooling unit 6 and a blank of a plate cutting tool 7 with a laser beam 8.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Пластинчатый режущий инструмент 7, закрепленный на подвижном столе 4, передвигают в направлении к термостату 5 и охлаждающему узлу 6. Излучение, созданное лазером 1, проходит через поворотное зеркало 2 и фокусирующий узел 3 и попадает на кромку заготовки пластинчатого режущего инструмента 7. Фокус пучка лазерного излучения находится выше поверхности заготовки, чтобы избежать перегрева, способного расплавить ее. Кромку, подлежащую закалке, предварительно покрывают слоем углеродсодержащей пасты, которая играет двоякую роль - увеличивает коэффициент поглощения излучения пластинчатого режущего инструмента и служит источником углерода для насыщения поверхности инструмента. Устройство особенно эффективно при упрочнении сталей с малым и умеренным содержанием углерода (до 0,4). Под действием лазерного излучения пластинчатый режущий инструмент локально нагревают до температуры, превышающей температуру аустенитного превращения, но не выше температуры плавления поверхности материала инструмента. При такой температуре начинается насыщение приповерхностного слоя стали углеродом из углеродсодержащей пасты и диффузия его вглубь пластинчатого режущего инструмента. The plate cutting tool 7, mounted on a movable table 4, is moved towards the thermostat 5 and the cooling unit 6. The radiation generated by the laser 1 passes through the rotary mirror 2 and the focusing unit 3 and falls on the edge of the workpiece of the plate cutting tool 7. The focus of the laser beam radiation is located above the surface of the workpiece to avoid overheating, which can melt it. The edge to be hardened is preliminarily coated with a layer of carbon-containing paste, which plays a dual role - it increases the absorption coefficient of the radiation of a blade cutting tool and serves as a carbon source for saturating the surface of the tool. The device is especially effective in hardening steels with low and moderate carbon content (up to 0.4). Under the action of laser radiation, the plate cutting tool is locally heated to a temperature exceeding the temperature of the austenitic transformation, but not higher than the melting temperature of the surface of the tool material. At this temperature, the surface layer of steel becomes saturated with carbon from a carbon-containing paste and diffuses into the depth of the plate cutting tool.

В результате движения пластинчатого инструмента прогретый участок попадает в термостат, длина которого в направлении движения инструмента при заданной скорости определяет длительность процесса насыщения заготовки инструмента углеродом. В простейшем случае термостат выполнен из теплоизоляционного материала. В более сложной конструкции применяют подогрев для компенсации оттока тепла из нагретой лазером зоны пластинчатого режущего инструмента в направлении, перпендикулярном кромке. При скорости движения пластинчатого режущего инструмента около 1 см/с и длине термостата порядка 2-3 см времени для диффузии углерода оказывается достаточно для насыщения инструмента углеродом на глубину в несколько десятков мкм, причем глубина определяется температурой, до которой лазерный луч первоначально нагрел кромку инструмента. As a result of the movement of the plate tool, the heated section enters the thermostat, the length of which in the direction of tool movement at a given speed determines the duration of the process of saturation of the tool blank with carbon. In the simplest case, the thermostat is made of insulating material. In a more complex design, heating is used to compensate for the outflow of heat from the laser-heated zone of the blade cutting tool in the direction perpendicular to the edge. When the speed of the blade cutting tool is about 1 cm / s and the length of the thermostat is about 2-3 cm, the time for carbon diffusion is enough to saturate the tool with carbon to a depth of several tens of microns, and the depth is determined by the temperature to which the laser beam initially heated the edge of the tool.

Далее обрабатываемая кромка движущегося пластинчатого инструмента поступает в охлаждающий узел 6, где происходит быстрое охлаждение нагретой зоны в холодной закалочной среде. В простейшем случае закалочная среда, например, масло, вода или эмульсия, может подаваться в верхнюю половину охлаждающего узла 6, омывать инструмент и собираться в нижней половине узла. При быстром остывании пластинчатого режущего инструмента его верхняя поверхность, насыщенная углеродом, приобретает в результате закалки более высокую твердость и износостойкость, чем нижняя, содержание углерода в которой осталось практически таким же, как в исходной стали. Соответственно твердость нижней поверхности - это твердость закаленной малоуглеродистой стали, а верхней - закаленной высокоуглеродистой. Между этими поверхностями твердость меняется плавным образом. Next, the processed edge of the moving plate tool enters the cooling unit 6, where there is rapid cooling of the heated zone in a cold quenching medium. In the simplest case, a quenching medium, for example, oil, water or an emulsion, can be fed into the upper half of the cooling unit 6, wash the tool and collect in the lower half of the unit. When the blade cutting tool cools quickly, its upper surface, saturated with carbon, acquires higher hardness and wear resistance as a result of quenching than the lower one, the carbon content of which remains almost the same as in the original steel. Accordingly, the hardness of the lower surface is the hardness of the hardened mild steel, and the upper is the hardened high carbon steel. Between these surfaces, hardness changes smoothly.

Поскольку насыщение поверхности углеродом идет без ее оплавления, форма кромки заготовки и качество поверхности в ходе лазерной обработки не нарушается. Для создания первоначальной заостренности инструментов, таких, например, как ножи для обработки древесных материалов, туш животных и т.п., можно предварительно кромке заготовки придать клиновидность, как это показано на чертеже. В этом случае на ребре клина концентрация углерода в стали перед закалкой максимальна, как и на остальной поверхности подвергнутой лазерному воздействию. Таким образом, после закалки самая твердая часть заготовки образуется непосредственно на режущей кромке. Since the surface is saturated with carbon without being melted, the shape of the edge of the workpiece and surface quality are not violated during laser processing. To create the initial sharpness of tools, such as, for example, knives for processing wood materials, carcasses of animals, etc., you can preliminarily give the edge of the workpiece a wedge-shaped shape, as shown in the drawing. In this case, on the edge of the wedge, the carbon concentration in the steel before hardening is maximum, as on the rest of the surface subjected to laser irradiation. Thus, after hardening, the hardest part of the workpiece is formed directly on the cutting edge.

Использование предложенного устройства позволяет создавать твердые и износостойкие кромки пластинчатого режущего инструмента, обладающие эффектом самозатачивания в процессе эксплуатации, что удешевляет и облегчает применение инструмента. Using the proposed device allows you to create solid and wear-resistant edges of the blade cutting tool with the effect of self-sharpening during operation, which reduces the cost and facilitates the use of the tool.

Кроме того, применение одностороннего лазерного диффузионного насыщения поверхности стального пластинчатого режущего инструмента с последующей закалкой ее позволяет использовать в качестве заготовок дешевую сталь с малым и умеренным содержанием углерода вместо дорогой инструментальной стали. In addition, the use of one-sided laser diffusion saturation of the surface of a steel plate cutting tool with its subsequent hardening makes it possible to use cheap steel with a low and moderate carbon content instead of expensive tool steel as billets.

Claims

A device for laser hardening of the cutting edges of a plate tool, containing a laser, a rotary mirror, a focusing unit and a movable table for moving the workpiece of the plate tool, characterized in that it is equipped with sequentially installed one after another in the direction of movement of the table and with the possibility of covering the processed section of the plate tool with both sides of the thermostat and the cooling unit, and the thermostat is placed at a predetermined distance from the optical axis of the focusing unit.