RU2241765C2 - Method and apparatus for laser processing of conical threaded surface - Google Patents
Method and apparatus for laser processing of conical threaded surfaceInfo
- Publication number
- RU2241765C2 RU2241765C2 RU2003100897/02A RU2003100897A RU2241765C2 RU 2241765 C2 RU2241765 C2 RU 2241765C2 RU 2003100897/02 A RU2003100897/02 A RU 2003100897/02A RU 2003100897 A RU2003100897 A RU 2003100897A RU 2241765 C2 RU2241765 C2 RU 2241765C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- threaded
- optical system
- heating spot
- laser
- threaded surface
- Prior art date
Links
Landscapes
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, точнее к технологиям поверхностной термообработки высокоэнергетическими источниками, например, лазерами и, в частности, может быть использовано для упрочнения самоуплотняющихся конических резьб, работающих при больших контактных нагрузках.The invention relates to mechanical engineering, and more specifically to surface heat treatment technologies with high-energy sources, for example, lasers, and, in particular, can be used to harden self-sealing tapered threads operating under high contact loads.
Известен способ лазерной обработки резьбовых поверхностей, включающий формирование пятна нагрева на резьбовой поверхности и относительного перемещения луча и обрабатываемой поверхности (см. Григорьянц А-Г., Шиганов И.Н. Образование и технология лазерной обработки материалов. - М.: Высшая школа, 1990, с.36).A known method of laser processing of threaded surfaces, including the formation of a heating spot on the threaded surface and the relative movement of the beam and the surface to be treated (see Grigoryants AG, Shiganov IN Education and technology of laser processing of materials. - M .: Higher school, 1990 , p. 36).
Недостатком способа является невозможность обеспечения постоянной глубины упрочненного слоя вследствие изменения диаметра лазерного луча (пятна нагрева) и скорости его перемещения по обрабатываемой конической поверхности при изменении расстояния между поверхностью и фокусирующей линзой, ведущему к изменению плотности мощности излучения.The disadvantage of this method is the inability to provide a constant depth of the hardened layer due to changes in the diameter of the laser beam (heating spot) and its speed of movement along the machined conical surface when the distance between the surface and the focusing lens changes, leading to a change in the radiation power density.
Кроме того, сложность синхронизации скоростей и траектории перемещения фокусирующей линзы и обрабатываемой поверхности приводит к недостаточной точности позиционирования луча на обрабатываемой поверхности, что, в свою очередь, приводит к увеличению глубины закалки выступов и их охрупчиванию и даже плавлению, делающее невозможным герметизацию конического резьбового соединения вследствие искажения геометрии резьбы.In addition, the complexity of synchronizing the speeds and trajectories of the focusing lens and the machined surface leads to insufficient accuracy in positioning the beam on the machined surface, which, in turn, leads to an increase in the hardening depth of the protrusions and their embrittlement and even melting, making it impossible to seal the conical threaded connection due to distortion of the geometry of the thread.
Наиболее близким по технологической сущности и достигаемому результату является способ лазерной обработки конической резьбовой поверхности, включающий формирование пятна нагрева на дне резьбовой канавки лазерным лучом, перемещение лазерного луча вдоль образующей резьбовой поверхности при одновременном вращении изделия относительно продольной оси (см. а.с. №1360205, МКИ С 210 1/09, 1999).The closest in technological essence and the achieved result is a method of laser processing of a conical threaded surface, including the formation of a heating spot on the bottom of the threaded groove with a laser beam, moving the laser beam along the forming threaded surface while rotating the product relative to the longitudinal axis (see AS No. 1360205 , MKI S 210 1/09, 1999).
Способ осуществлен с помощью лазерной установки, содержащей источник лазерного излучения, оптическую систему с корпусом и систему вращения изделия.The method is implemented using a laser installation containing a laser radiation source, an optical system with a housing and a rotation system of the product.
Недостатком способа является невысокая точность позиционирования луча на дне резьбовой канавки, вследствие отсутствия механизма синхронизации поступательного перемещения обрабатываемой поверхности с изменяющейся скоростью ее вращения, в результате чего возможно смещение луча со дна на выступы резьбовой поверхности и их охрупчивание или оплавление.The disadvantage of this method is the low accuracy of the positioning of the beam at the bottom of the threaded groove, due to the lack of a synchronization mechanism for the translational movement of the processed surface with a variable speed of rotation, as a result of which the beam can be displaced from the bottom to the protrusions of the threaded surface and embrittlement or fusion.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности резьбового соединения с конической резьбой, в условиях больших контактных нагрузок, путем повышения точности позиционирования луча на дне резьбовой канавки в процессе обработки.The technical result of the invention is to increase the reliability of a threaded connection with a tapered thread, under high contact loads, by increasing the accuracy of positioning the beam at the bottom of the threaded groove during processing.
Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки, включающем формирование пятна нагрева на дне резьбовой канавки лазерным лучом, перемещение лазерного луча вдоль образующей резьбовой поверхности при одновременном вращении изделия относительно продольной оси, центр пятна нагрева совмещают с серединой резьбовой канавки, диаметр пятна выбирают равным шагу резьбы, а перемещение луча поддерживают равным величине шага резьбы за один оборот вращения резьбовой поверхности изделия.The technical result is achieved by the fact that in the laser processing method, comprising forming a heating spot at the bottom of the threaded groove with a laser beam, moving the laser beam along the forming threaded surface while rotating the product relative to the longitudinal axis, the center of the heating spot is aligned with the middle of the threaded groove, the diameter of the spot is chosen equal to the pitch of the thread, and the movement of the beam is maintained equal to the magnitude of the pitch of the thread per revolution of rotation of the threaded surface of the product.
При этом в лазерной установке для обработки конической резьбовой поверхности, содержащей источник лазерного излучения, оптическую систему с корпусом и систему вращения изделия, установка снабжена устройством механического взаимодействия оптической системы с системой вращения изделия, выполненным в виде подпружиненного относительно корпуса оптической системы тяги с наконечником, взаимодействующим с резьбовой поверхностью изделия.Moreover, in a laser installation for processing a conical threaded surface containing a laser radiation source, an optical system with a housing and a product rotation system, the installation is equipped with a device for mechanical interaction of the optical system with the product rotation system, made in the form of a traction spring-loaded relative to the housing of the optical system with a tip interacting with threaded surface of the product.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где изображен фрагмент общего вида лазерной технологической установки.The essence of the invention is illustrated in the drawing, which shows a fragment of a General view of a laser processing unit.
Способ лазерной обработки конической резьбовой поверхности состоит в следующем. Известно, что в процессе лазерной обработки поверхности основная часть тепла отводится в тело обрабатываемого изделия.The method of laser processing of a conical threaded surface is as follows. It is known that in the process of laser surface treatment the bulk of the heat is transferred to the body of the workpiece.
Однако существует множество случаев, когда возможность теплоотвода внутрь изделия ограничена. К таким случаям относится и резьбовая поверхность, где лимитирован теплоотвод от резьбовых выступов по сравнению с цилиндрической поверхностью. В этих условиях становится очевидной невозможность формирования пятна нагрева лазерного луча на вершине резьбовых выступов, ибо это влечет за собой перекаливание и охрупчивание выступов с возможностью хрупкого разрушения или даже к его оплавлению и искажению геометрии профиля резьбы, что делает невозможным герметизацию такого резьбового соединения.However, there are many cases where the possibility of heat removal into the product is limited. A threaded surface also applies to such cases, where the heat sink from the threaded protrusions is limited in comparison with a cylindrical surface. Under these conditions, the impossibility of the formation of a laser beam heating spot on the top of the threaded protrusions becomes apparent, because this entails the overhanging and embrittlement of the protrusions with the possibility of brittle fracture or even its fusion and distortion of the geometry of the thread profile, which makes it impossible to seal such a threaded connection.
Смещая центр пятна нагрева в сторону резьбовой канавки, можно добиться уменьшения глубины термоупрочненного слоя резьбового выступа. Формирование пятна нагрева на середине резьбовой канавки обеспечивает минимально возможную при заданной плотности мощности излучения глубину закаленного слоя резьбового выступа.By shifting the center of the heating spot toward the threaded groove, it is possible to reduce the depth of the heat-strengthened layer of the threaded protrusion. The formation of a heating spot in the middle of the threaded groove provides the minimum possible depth for the hardened layer of the threaded protrusion at a given radiation power density.
Ограниченный теплоотвод от резьбовых выступов диктует и выбор диаметра пятна нагрева лазерного луча. Увеличение диаметра до размера, превышающего расстояние между серединами выступов, т.е. шаг резьбы, опять ведет к увеличению глубины закаленного слоя на выступах и их охрупчиванию, что недопустимо при наличии высоких контактных нагрузок.The limited heat removal from the threaded protrusions also dictates the choice of the diameter of the laser beam heating spot. Increasing the diameter to a size exceeding the distance between the middle of the protrusions, i.e. the thread pitch, again leads to an increase in the depth of the hardened layer on the protrusions and their embrittlement, which is unacceptable in the presence of high contact loads.
Уменьшение диаметра пятна нагрева до величины меньшего шага резьбы делает возможным появление не упрочненных участков резьбовых выступов, что приведет к быстрому износу не упрочненных участков и потере герметичности резьбы.Reducing the diameter of the heating spot to a smaller thread lead makes it possible for uncured sections of the threaded protrusions to appear, which will lead to rapid wear of the uncured sections and loss of tightness of the thread.
Необходимо отметить, что равенство диаметра пятна нагрева шагу резьбы не дает автоматически требуемой сплошности закаленного слоя - необходимо экспериментально подобрать соответствующую скорость перемещения пятна нагрева луча по обрабатываемой поверхности, с учетом конкретного шага резьбы, мощности лазерного излучения и геометрии профиля резьбы.It should be noted that equality of the diameter of the heating spot to the thread pitch does not automatically give the required continuity of the hardened layer - it is necessary to experimentally select the appropriate speed of the beam heating spot moving along the surface to be treated, taking into account the specific thread pitch, laser radiation power and thread profile geometry.
Перемещение пятна нагрева производят таким образом, чтобы траектория перемещения не пересекала резьбовых выступов, исключая их перекаливание, охрупчивание или плавление, для чего синхронизируют частоту вращения обрабатываемой поверхности со скоростью перемещения луча вдоль ее образующей, т.е. перемещение луча поддерживают равным величине шага резьбы за один оборот вращения обрабатываемой поверхности.The heating spot is moved in such a way that the trajectory does not intersect the threaded protrusions, excluding their overheating, embrittlement, or melting, which synchronizes the rotational speed of the workpiece with the speed of the beam along its generatrix, i.e. the movement of the beam is maintained equal to the magnitude of the pitch of the thread per revolution of the workpiece.
Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью лазерной технологической установки, изображенной на чертеже, которая содержит источник лазерного излучения 1, оптическую систему 2 с корпусом 3, систему вращения изделия 4 с конической резьбовой поверхностью 5.The proposed method can be implemented using a laser processing unit shown in the drawing, which contains a laser radiation source 1, an optical system 2 with a housing 3, a rotation system of the product 4 with a conical threaded surface 5.
Оптическая система 2 включает размещаемые в корпусе 3 комплект отклоняющих зеркал 6, фокусирующую линзу 7, выполненную с возможностью перемещения как относительно корпуса 3, с помощью регулирующего устройства 8, так и вместе с ним, и винты 9, регулирующие направление луча 10 изменением угла наклона зеркал 6. Корпус 3 оптической системы 2 смонтирован на каретке 11, перемещающейся по направляющей 12, расположенной параллельно оси вращения изделия 4, и снабжен подпружиненной относительно корпуса 3 тягой 13 с наконечником 14, взаимодействующим с резьбовой поверхностью 5 обрабатываемого изделия 4. Система вращения 15 изделия 4 включает привод 16, задающий вращение патрону 17, зажимающему изделие 4.The optical system 2 includes a set of deflecting mirrors 6 housed in the housing 3, a focusing lens 7, which can be moved relative to the housing 3 using the adjusting device 8, and with it, and screws 9 that control the direction of the beam 10 by changing the angle of inclination of the mirrors 6. The housing 3 of the optical system 2 is mounted on the carriage 11, moving along a guide 12 located parallel to the axis of rotation of the product 4, and is equipped with a rod 13 spring-loaded relative to the housing 3 with a tip 14 interacting with the threads the surface 5 of the workpiece 4. The rotation system 15 of the product 4 includes a drive 16, which sets the rotation of the cartridge 17, clamping the product 4.
Обработку осуществляют следующим образом.The processing is as follows.
После закрепления изделия 4 в патроне 17 вводят в зацепление с резьбовой поверхностью 5 наконечник 14 тяги 13 оптической системы 2 (см. чертеж). Включают источник излучения 1 и с помощью винтов 9, меняя положение одного из зеркал 6, луч 10 позиционируют на середине резьбовой канавки обрабатываемой конической поверхности 5 серией последовательных кратковременных воздействий лазерным лучом 10 меньшей мощности. Фокусирующую линзу 7 регулировочным устройством 8 перемещают относительно корпуса 3 оптической системы 2 в такое положение, в котором тепловой след луча 10 (пятно нагрева) на резьбовой поверхности 5 будет касаться двух смежных вершин резьбовых выступов.After fixing the product 4 in the cartridge 17 is introduced into engagement with the threaded surface 5, the tip 14 of the thrust 13 of the optical system 2 (see drawing). The radiation source 1 is turned on and with the help of screws 9, changing the position of one of the mirrors 6, the beam 10 is positioned in the middle of the threaded groove of the machined conical surface 5 by a series of sequential short-term effects of a lower-power laser beam 10. The focusing lens 7 is adjusted by the adjusting device 8 relative to the housing 3 of the optical system 2 to a position in which the thermal trace of the beam 10 (heating spot) on the threaded surface 5 will touch two adjacent vertices of the threaded protrusions.
В этом положении диаметр пятна нагрева станет равным шагу резьбы.In this position, the diameter of the heating spot becomes equal to the thread pitch.
Далее выводят установку на номинальную мощность и включают привод 16. Деталь 4 (см. чертеж) начинает вращаться. Поскольку оптическая система 2 не может вращаться, взаимодействие резьбовой поверхности 5 с наконечником 14 тяги 13 приводит к поступательному перемещению всей оптической системы 2 с кареткой 11 по направляющим 12, а луч 10 будет точно позиционироваться по обрабатываемой резьбовой поверхности 5 на всей длине резьбы.Next, the installation is brought to rated power and drive 16 is turned on. Part 4 (see drawing) starts to rotate. Since the optical system 2 cannot rotate, the interaction of the threaded surface 5 with the tip 14 of the rod 13 leads to the translational movement of the entire optical system 2 with the carriage 11 along the guides 12, and the beam 10 will be accurately positioned along the machined threaded surface 5 along the entire length of the thread.
Пример. Для реализации способа лазерной обработки использовался непрерывный газовый лазер мощностью 1,5 КВт. Лазерной обработке подвергалась поверхность конической резьбы муфты для насосно-компрессорных труб по ГОСТ 633-80. Материал муфты - сталь 40Х с твердостью поверхности не более 22 HRC. Диаметр пятна нагрева - 2,5 мм, мощность излучения - 1 КВт, скорость перемещения луча по обрабатываемой поверхности - 20-25 мм/с.Example. To implement the laser processing method, a continuous gas laser with a power of 1.5 kW was used. The surface of the conical thread of the coupling for tubing in accordance with GOST 633-80 was subjected to laser processing. The coupling material is steel 40X with a surface hardness of not more than 22 HRC. The diameter of the heating spot is 2.5 mm, the radiation power is 1 kW, the speed of the beam moving along the treated surface is 20-25 mm / s.
В результате обработки на всей длине резьбы сформирован сплошной закаленный слой глубиной 0,15-0,2 мм на впадинах и 0,3-0,4 мм на вершинах выступов. Твердость закаленного слоя - 44-47 HRC. После закалки 14 опытных муфт были подвергнуты испытанию на стабильность геометрии резьбы при воздействии на нее больших моментов свинчивания с насосно-компрессорной трубой 150-180 кг/м. Испытания показали более чем тридцатикратное увеличение количества свинчиваний и последующих отвинчиваний, которое закаленные муфты могут выдерживать по сравнению с незакаленными.As a result of processing, a continuous hardened layer with a depth of 0.15-0.2 mm at the depressions and 0.3-0.4 mm at the tops of the protrusions is formed over the entire length of the thread. The hardness of the hardened layer is 44-47 HRC. After quenching, 14 experimental couplings were tested for stability of the thread geometry when exposed to large make-up moments with a tubing of 150-180 kg / m. Tests showed a more than thirty-fold increase in the number of screw-ups and subsequent unscrewing, which hardened couplings can withstand compared to un-hardened ones.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003100897/02A RU2241765C2 (en) | 2003-01-16 | 2003-01-16 | Method and apparatus for laser processing of conical threaded surface |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003100897/02A RU2241765C2 (en) | 2003-01-16 | 2003-01-16 | Method and apparatus for laser processing of conical threaded surface |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003100897A RU2003100897A (en) | 2004-07-27 |
RU2241765C2 true RU2241765C2 (en) | 2004-12-10 |
Family
ID=34387476
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003100897/02A RU2241765C2 (en) | 2003-01-16 | 2003-01-16 | Method and apparatus for laser processing of conical threaded surface |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2241765C2 (en) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2449029C1 (en) * | 2010-10-07 | 2012-04-27 | Республиканское унитарное предприятие "Минский тракторный завод" | Laser thermal strengthening method of surfaces of items from iron-carbon alloys |
RU2539137C1 (en) * | 2013-08-20 | 2015-01-10 | Сергей Георгиевич Бондарев | Method of resistance increase of wear of threaded surface of parts from alloy steel |
RU2545473C1 (en) * | 2013-11-28 | 2015-03-27 | Владимир Павлович Бирюков | Thread strengthening method |
RU2554244C1 (en) * | 2013-11-28 | 2015-06-27 | Владимир Павлович Бирюков | Thread strengthening method |
RU2599466C2 (en) * | 2014-11-28 | 2016-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ЛАЗЕРТЕРМ" | Method for laser surface treatment of threaded joints of low-alloyed steels |
RU2675884C1 (en) * | 2017-12-29 | 2018-12-25 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые технологии лазерного термоупрочнения" (ООО "НТЛТ") | Method of laser thermal treatment of thread connections |
RU2699697C1 (en) * | 2018-03-12 | 2019-09-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | Method for laser surface hardening of gears teeth |
RU2759200C1 (en) * | 2021-02-01 | 2021-11-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" | Method for hardening elements of conical threaded connection by laser radiation source (options) |
CN114350925A (en) * | 2021-12-30 | 2022-04-15 | 桂林电子科技大学 | Method for processing metal cylindrical curved surface by scanning electron beam |
RU2796168C1 (en) * | 2022-08-10 | 2023-05-17 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" | Method for hardening elements of a conical threaded joint with a laser source |
-
2003
- 2003-01-16 RU RU2003100897/02A patent/RU2241765C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2449029C1 (en) * | 2010-10-07 | 2012-04-27 | Республиканское унитарное предприятие "Минский тракторный завод" | Laser thermal strengthening method of surfaces of items from iron-carbon alloys |
RU2539137C1 (en) * | 2013-08-20 | 2015-01-10 | Сергей Георгиевич Бондарев | Method of resistance increase of wear of threaded surface of parts from alloy steel |
RU2545473C1 (en) * | 2013-11-28 | 2015-03-27 | Владимир Павлович Бирюков | Thread strengthening method |
RU2554244C1 (en) * | 2013-11-28 | 2015-06-27 | Владимир Павлович Бирюков | Thread strengthening method |
RU2599466C2 (en) * | 2014-11-28 | 2016-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ЛАЗЕРТЕРМ" | Method for laser surface treatment of threaded joints of low-alloyed steels |
RU2675884C1 (en) * | 2017-12-29 | 2018-12-25 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые технологии лазерного термоупрочнения" (ООО "НТЛТ") | Method of laser thermal treatment of thread connections |
RU2699697C1 (en) * | 2018-03-12 | 2019-09-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | Method for laser surface hardening of gears teeth |
RU2759200C1 (en) * | 2021-02-01 | 2021-11-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" | Method for hardening elements of conical threaded connection by laser radiation source (options) |
CN114350925A (en) * | 2021-12-30 | 2022-04-15 | 桂林电子科技大学 | Method for processing metal cylindrical curved surface by scanning electron beam |
CN114350925B (en) * | 2021-12-30 | 2023-08-04 | 桂林电子科技大学 | Method for treating metal cylindrical curved surface by scanning electron beam |
RU2796168C1 (en) * | 2022-08-10 | 2023-05-17 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" | Method for hardening elements of a conical threaded joint with a laser source |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2241765C2 (en) | Method and apparatus for laser processing of conical threaded surface | |
US4058699A (en) | Radiant zone heating apparatus and method | |
US20170120345A1 (en) | Laser augmented diamond drilling apparatus and method | |
TWI551384B (en) | Processing equipment and processing methods | |
EP2429961B1 (en) | Methods for cutting a fragile material | |
EP0147190A1 (en) | Method and apparatus for laser gear hardening | |
TWI395721B (en) | Glass sheet cutting by laser-guided gyrotron beam | |
RU2445378C2 (en) | Method for obtaining wear-resistant surface of metals and their alloys (versions) | |
TW201433397A (en) | Machining device and machining method | |
US20020033384A1 (en) | Laser machining apparatus | |
JP2008543576A (en) | Material drilling and removal equipment using laser beam | |
KR20100136471A (en) | On-the-fly manipulation of spot size and cutting speed for real-time control of trench depth and width in laser operations | |
US20050029330A1 (en) | Process and apparatus for friction stir welding | |
CN113441852B (en) | Laser spiral scanning blind hole manufacturing method | |
Pong-Ryol et al. | Laser micro-polishing for metallic surface using UV nano-second pulse laser and CW laser | |
CN111375913A (en) | Laser processing device and beam rotator unit | |
CN114227026A (en) | Ultrafast laser hole-controllable group hole precision machining device and method | |
KR20020038576A (en) | Method for producing a surface-alloyed cylindrical, partially cylindrical or hollow cylindrical component and a device for carrying out said method | |
CN114669882A (en) | Method and system for repairing infrared ultrafast laser diamond tool bit | |
JPH01316415A (en) | Laser beam heat treating method using polygon mirror and apparatus thereof | |
JP2011101904A (en) | Laser machining method | |
EP3812825B1 (en) | Lightguide device and laser processing device | |
CN116024565B (en) | Laser cladding repair equipment for gear tooth surface fatigue crack | |
KR20130138575A (en) | Method for processing material with laser | |
US20220072655A1 (en) | Laser processing device and laser processing method using same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120117 |