RU2621245C1 - Method for laser processing cutting inserts made of oxide-carbide ceramics - Google Patents

Method for laser processing cutting inserts made of oxide-carbide ceramics Download PDF

Info

Publication number
RU2621245C1
RU2621245C1 RU2015154241A RU2015154241A RU2621245C1 RU 2621245 C1 RU2621245 C1 RU 2621245C1 RU 2015154241 A RU2015154241 A RU 2015154241A RU 2015154241 A RU2015154241 A RU 2015154241A RU 2621245 C1 RU2621245 C1 RU 2621245C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
sample
oxide
processing
cutting inserts
Prior art date
Application number
RU2015154241A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Викторович Кузин
Сергей Юрьевич Федоров
Михаил Юрьевич Федоров
Михаил Ростиславович Портной
Николай Ростиславович Портной
Евгений Анатольевич Остриков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН")
Priority to RU2015154241A priority Critical patent/RU2621245C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2621245C1 publication Critical patent/RU2621245C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/355Texturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/3568Modifying rugosity
    • B23K26/3576Diminishing rugosity, e.g. grinding; Polishing; Smoothing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/0036Laser treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/91After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics involving the removal of part of the materials of the treated articles, e.g. etching

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method for laser processing the cutting inserts made of oxide-carbide ceramic TiC+MgO+Al2O3, in which the surface of the cutting insert is subjected to the pulsed laser exposure, each pulse train forms a laser beam spot with a certain beam power on the sample with the laser beam spot overlapping ratio in the range of 0.1 to 0.9. Processing is carried out with a pulse repetition rate of 90 to 110 kHz, the number of pulses in the train is more than 60, and the beam power on the sample is of 7 to 8 W. Optimally, when the surface of the cutting insert is subjected to the pulsed laser exposure with the laser beam spot overlapping ratio in the range of 0.5 to 0.75.
EFFECT: increasing the durability of the cutting inserts.
2 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к инструментальной промышленности, а именно к способам обработки режущих пластин из оксидно-карбидной керамики (керамика на основе TiC+MgO+Al2O3).The invention relates to the tool industry, and in particular to methods of processing cutting inserts of oxide-carbide ceramics (ceramics based on TiC + MgO + Al 2 O 3 ).

Процессы абразивной обработки керамики алмазным инструментом имеют некоторые технологические ограничения, которые проявляются в том, что на поверхности керамики после шлифования формируется дефектный слой, склонный к хрупкому разрушению при эксплуатационных нагрузках. Перспективным технологическим процессом, способным управлять состоянием поверхностного слоя керамики с целью повышения физико-механических свойств, является лазерная модификация. Сущность процесса лазерной модификации состоит в формировании на поверхности керамики мелкозернистой структуры, состоящей из микроразмерных, оптимально-наноразмерных образований.The processes of abrasive processing of ceramics with a diamond tool have some technological limitations, which are manifested in the fact that a defective layer is formed on the ceramic surface after grinding, which is prone to brittle fracture under operational loads. A promising technological process capable of controlling the state of the surface layer of ceramics in order to increase the physicomechanical properties is laser modification. The essence of the laser modification process is the formation on the ceramic surface of a fine-grained structure consisting of micro-sized, optimal-nanoscale formations.

Известен способ формирования на керамических подложках структурных образований нано- и микроразмеров. Способ включает осаждение частиц вещества из газовой фазы с использованием локального нагрева области осаждения лазерным излучением. Вещество в газовой фазе диспергировано в виде аэрозоля. Осуществляют локальный нагрев области осаждения лазерным импульсным излучением и осуществляют припекание частиц аэрозоля к подложке. Длительность импульса лазерного излучения не менее той, при которой длина тепловой волны в частице больше размера частицы в направлении излучения. Известный способ демонстрирует высокую производительность нанесения покрытий с сохранением высокой разрешающей способности (патент RU №2452792 С2, С23С 4/12, В23К 26/14, 31.05.2010).A known method of forming on ceramic substrates the structural formations of nano and micro sizes. The method includes the deposition of particles of a substance from the gas phase using local heating of the deposition region by laser radiation. The substance in the gas phase is dispersed in the form of an aerosol. Localization of the deposition region by laser pulse radiation is carried out and aerosol particles are sintered to the substrate. The duration of the laser pulse is not less than that at which the thermal wavelength in the particle is greater than the particle size in the direction of radiation. The known method demonstrates high coating performance while maintaining high resolution (patent RU No. 2452792 C2, C23C 4/12, V23K 26/14, 05/31/2010).

Недостатком данного способа является увеличение технологической цепочки и удорожание процесса за счет создания дополнительного покрытия на поверхности керамического материала. Экономически целесообразно не наносить покрытия, а управляемо структурировать поверхностный слой на основе того материала, из которого изготовлена деталь, минуя промежуточные технологические стадии.The disadvantage of this method is the increase in the technological chain and the cost of the process by creating an additional coating on the surface of the ceramic material. It is economically feasible not to apply the coating, but to manage the surface layer in a controlled manner based on the material from which the part is made, bypassing the intermediate technological stages.

Известен способ и установка для лазерной обработки поверхности ситаллов (стеклокерамики). Способ включает лазерное облучение стеклокерамической пластины и ее последующее охлаждение, отличающийся тем, что осуществляют предварительный нагрев пластины до температуры 450-1100°C, проводят обработку, охлаждают образец до температуры 150-200°C совместно с печью, завершающую стадию охлаждения производят на воздухе. Обработку ведут на установке для лазерной обработки поверхности ситалла, содержащей CO2-лазер, систему зеркал, фокусирующую линзу, управляющий компьютер, рабочий стол с образцом, нагревателем образца, управляемой заслонкой, расположенной между фокусирующей линзой и нагревателем с возможностью горизонтального смещения, экраном с отверстиями, находящимися между заслонкой и образцом, устройством обдува, размещенным между линзой и поверхностью образца, оптической системой для сканирования пучка по поверхности образца (патент RU №2463267 С2, С03С 17/04, В23К 26/36).The known method and installation for laser surface treatment of glass (glass ceramics). The method includes laser irradiation of a glass-ceramic plate and its subsequent cooling, characterized in that the plate is preheated to a temperature of 450-1100 ° C, the treatment is carried out, the sample is cooled to a temperature of 150-200 ° C together with the furnace, the final stage of cooling is carried out in air. The processing is carried out on a laser processing machine for the surface of a glass containing a CO 2 laser, a mirror system, a focusing lens, a control computer, a desktop with a sample, a sample heater controlled by a shutter located horizontally between the focusing lens and the heater, a screen with holes located between the shutter and the sample, a blower placed between the lens and the surface of the sample, an optical system for scanning the beam along the surface of the sample (patent RU No. 2463267 C2, C0 3C 17/04, B23K 26/36).

Недостатком данного способа является то, что он применяется для повышения свойств ситаллов и неприемлем для обработки оксидно-карбидной керамики (TiC+MgO+Al2O3), имеющей более низкую теплопроводность и высокий температурный коэффициент линейного расширения, а также наличие в технологической цепи дополнительных термических операций и оборудования в виде нагревателя.The disadvantage of this method is that it is used to improve the properties of ceramic and is unacceptable for processing oxide-carbide ceramics (TiC + MgO + Al 2 O 3 ), which has a lower thermal conductivity and a high temperature coefficient of linear expansion, as well as the presence of additional thermal operations and equipment in the form of a heater.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является выбранный в качестве прототипа способ лазерной обработки режущих пластин из твердых неметаллических материалов, включая оксидно-карбидную керамику TiC+MgO+Al2O3, при котором рабочие участки поверхности режущей пластины подвергают импульсному лазерному воздействию, каждая пачка импульсов которого формирует пятно лазерного луча с определенной мощностью пучка на образце, с коэффициентом перекрытия пятна лазерного луча в диапазоне от 0,1 до 0,9 (патент RU №2394780 C1, С03В 33/00, 13.04.2009).The closest in technical essence to the claimed technical solution is the selected as a prototype method of laser processing of cutting inserts from solid non-metallic materials, including oxide-carbide ceramic TiC + MgO + Al 2 O 3 , in which the working sections of the surface of the cutting insert are subjected to pulsed laser irradiation, each burst of pulses of which forms a laser beam spot with a certain beam power on the sample, with a laser beam spot overlap factor in the range from 0.1 to 0.9 (RU patent 2394 780 C1, C03B 33/00, 04/13/2009).

Недостатками прототипа является следующее:The disadvantages of the prototype is the following:

- способом-прототипом решена только задача формообразования изделия без связи этого процесса с функциональным состоянием поверхностного слоя;- the prototype method solved only the problem of shaping the product without the connection of this process with the functional state of the surface layer;

- не определены значения и/или критерии выбора оптимальных технологических режимов обработки, в частности, в отношении мощности импульса, частоты следования импульсов и числа импульсов в пачке.- the values and / or criteria for selecting the optimal technological processing modes are not defined, in particular with respect to the pulse power, pulse repetition rate, and the number of pulses in a packet.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности обработки режущих пластин из оксидно-карбидной керамики TiC+MgO+Al2O3 на режимах, позволяющих оптимально модифицировать обработанную поверхность по критерию стойкости обработанных режущих пластин.The objective of the present invention is to provide the possibility of processing cutting inserts made of oxide-carbide ceramic TiC + MgO + Al 2 O 3 in modes that optimally modify the treated surface according to the criterion of durability of the treated cutting inserts.

Технический результат - повышение стойкости режущих пластин.EFFECT: increased resistance of cutting inserts.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки режущей пластины из оксидно-карбидной керамики TiC+MgO+Al2O3, при котором поверхность режущей пластины подвергают импульсному лазерному воздействию, каждая пачка импульсов которого формирует пятно лазерного луча с определенной мощностью пучка на образце, с коэффициентом перекрытия пятна лазерного луча в диапазоне от 0,1 до 0,9, обработку проводят с частотой следования импульсов от 90 до 110 кГц, числом импульсов в пачке более 60 и мощностью пучка на образце от 7 до 8 Вт, оптимально, когда поверхность режущей пластины подвергают импульсному лазерному воздействию с коэффициентом перекрытия пятна лазерного луча в диапазоне от 0,5 до 0,75.The problem is solved, and the claimed technical result is achieved by the fact that in the method of laser processing of a cutting insert of oxide-carbide ceramic TiC + MgO + Al 2 O 3 , in which the surface of the cutting insert is subjected to pulsed laser irradiation, each pulse packet of which forms a laser beam spot with a certain power of the beam on the sample, with a coefficient of overlap of the laser spot in the range from 0.1 to 0.9, the processing is carried out with a pulse repetition rate of 90 to 110 kHz, the number of pulses in a packet of more than 60 and generality of the beam on the sample of 7 to 8 W, optimally, when the surface of the cutting insert is subjected to pulsed laser irradiation from a laser beam spot overlap ratio in the range from 0.5 to 0.75.

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

- на Фиг. 1 представлены лазерная установка с ее составными элементами (а) и схема обработки (б);- in FIG. 1 shows a laser unit with its constituent elements ( a ) and processing scheme (b);

- на Фиг. 2 представлена пластина с обработанным участком поверхности для испытаний на износостойкость при трении;- in FIG. 2 shows a plate with a machined surface area for abrasion resistance tests;

- на Фиг. 3 представлен лабораторный стенд для трибологических испытаний на износостойкость при трении с его составными элементами;- in FIG. 3 shows a laboratory bench for tribological tests for wear resistance during friction with its constituent elements;

- на Фиг. 4 представлен пример измерения ширины участка износа после трения диском;- in FIG. 4 shows an example of measuring the width of a wear section after friction by a disk;

- на Фиг. 5 представлено влияние частоты следования импульсов при различных значениях мощности пучка на образце на ширину участка износа при трении;- in FIG. Figure 5 shows the effect of the pulse repetition rate at various values of the beam power on the sample on the width of the friction wear section;

- на Фиг. 6 представлено влияние числа импульсов в пачке при различных значениях мощности пучка на образце на ширину участка износа при трении;- in FIG. Figure 6 shows the effect of the number of pulses in a packet at various values of the beam power on the sample on the width of the friction wear section;

- на Фиг. 7 представлено влияние коэффициента перекрытия пятна лазерного луча при различных значениях мощности пучка на образце на ширину участка износа при трении;- in FIG. 7 shows the effect of the overlap coefficient of the laser beam spot at different values of the beam power on the sample on the width of the friction wear section;

- на Фиг. 8 представлены микрофотографии поверхностей оксидно-карбидной керамики после алмазного шлифования (а), излома исходной керамики (б), после лазерной модификации (в и г) на рациональном режиме лазерного излучения;- in FIG. 8 shows micrographs of the surfaces of oxide-carbide ceramics after diamond grinding ( a ), fracture of the initial ceramic (b), after laser modification (c and d) in the rational regime of laser radiation;

- на Фиг. 9 представлены зависимости «износ - время» при точении стали ШХ15 (55 HRC) резцами с пластинами из исходной керамики (1) и керамики с модифицированным поверхностным слоем (2) при ν=125 м/мин, S=0,05 мм/об и t=1 мм (а); при ν=150 м/мин, S=0,05 мм/об и t=1 мм (б); ν=150 м/мин, S=0,075 мм/об и t=1 мм (в); ν=150 м/мин, S=0,1 мм/об и t=1 мм (г).- in FIG. Figure 9 shows the wear – time relationships for turning steel ШХ15 (55 HRC) with cutters with plates from the original ceramic (1) and ceramic with a modified surface layer (2) at ν = 125 m / min, S = 0.05 mm / rev and t = 1 mm ( a ); at ν = 150 m / min, S = 0.05 mm / rev and t = 1 mm (b); ν = 150 m / min, S = 0.075 mm / rev and t = 1 mm (in); ν = 150 m / min, S = 0.1 mm / rev and t = 1 mm (g).

Оптимальные режимы способа определялись в процессе эксперимента, в рамках которого рабочие участки режущей пластины, включающие переднюю и заднюю поверхности, а также упрочняющую фаску, подвергали импульсному лазерному облучению. Оптимальные режимы обработки определялись по результатам испытаний обработанных режущих пластин на износостойкость при трении.The optimal modes of the method were determined during the experiment, in which the working sections of the cutting insert, including the front and rear surfaces, as well as the hardening facet, were subjected to pulsed laser irradiation. Optimum processing conditions were determined by the results of tests of machined cutting inserts for wear resistance during friction.

Экспериментальную обработку пластин выполняли с использованием технологического лазера мод. U-15 (RMI Laser LLC (США), имеющего твердотельный источник на основе кристалла Nd: YVO4 с длиной волны λ=1064 нм, длительностью импульса τ=7 нс, при частоте излучения 10 кГц. Поле обработки имеет площадь 100×100 мм. Настройкой оптимального фокусного расстояния линзы 163 мм обеспечивали диаметр пятна фокусировки dп=40 мкм. Лазерная установка состоит из головного модуля 1, управляющего контроллера 2, рабочего стола 3 и фокусирующего объектива 4 (Фиг. 1а). Лазерный луч перемещали по двум координатам (x и y), причем первоначально создали трек по координате х, затем луч перемещали по координате y и создавали следующий трек. За счет этих последовательных перемещений формировали обработанную площадку (Фиг. 1б). Практическую реализацию этой схемы обработки обеспечивает выбор величин коэффициента перекрытия пятна лазерного луча kп при неизменяемом dп=40 мкм.The experimental processing of the plates was performed using a technological laser mode. U-15 (RMI Laser LLC (USA), having a solid-state source based on an Nd: YVO 4 crystal with a wavelength of λ = 1064 nm, a pulse duration of τ = 7 ns, and a radiation frequency of 10 kHz. The processing field has an area of 100 × 100 mm . by setting the optimum focal distance of the lens 163 mm provided focusing spot diameter d f = 40 mm. The laser system consists of the head unit 1, the control of the controller 2, the working surface 3 and the focusing lens 4 (Fig. 1 a). The laser beam is moved in two coordinates (x and y), and initially created a track along the x coordinate, then the beam ne moved along the y coordinate and created the next track. Due to these successive movements, the processed area was formed (Fig. 1b). The practical implementation of this processing scheme provides the choice of the values of the overlap coefficient of the laser beam spot k p with unchanged d p = 40 μm.

Технологические режимы импульсного лазерного воздействия изменяли в диапазонах: мощность пучка на образце от 1 до 15 Вт, частоту следования импульсов от 10 до 170 кГц, число импульсов в пачке от 1 до 75 импульсов, коэффициент перекрытия пятна лазерного луча от 0,1 до 0,9. Неизменяемыми, постоянными параметрами была относительная скорость растрового сканирования (ν=100%) и диаметр пятна фокусировки dп=40 мкм. На торцевой поверхности образцов керамических пластин размером 12,7×12,7 формировали площадки размером 10×10 мм (Фиг. 2).Technological modes of pulsed laser exposure were varied in the ranges: the beam power on the sample from 1 to 15 W, the pulse repetition rate from 10 to 170 kHz, the number of pulses in a packet from 1 to 75 pulses, the overlap coefficient of the laser beam from 0.1 to 0, 9. The immutable, constant parameters were the relative scanning scanning speed (ν = 100%) and the diameter of the focusing spot d p = 40 μm. On the end surface of the samples of ceramic plates with a size of 12.7 × 12.7 formed the area of 10 × 10 mm (Fig. 2).

Исследование структуры поверхности обработанных в ходе эксперимента образцов проводили на сканирующем микроскопе VEGA3 LMH, программное обеспечение которого позволяет производить замеры ширины, высоты, диаметра и площади зерен. Для выявления оптимальных технологических режимов импульсного лазерного воздействия проводили испытания образцов на износ при трении. На основе изучения нормативной литературы выбрана наиболее рациональная схема сухого трения - «неподвижный образец - вращающийся диск».The surface structure of the samples processed during the experiment was studied using a VEGA3 LMH scanning microscope, whose software allows measurements of the width, height, diameter, and area of grains. To identify the optimal technological regimes of pulsed laser exposure, the samples were tested for wear during friction. Based on the study of normative literature, the most rational scheme of dry friction was chosen - “fixed sample - rotating disk”.

Схему трения реализовали на лабораторном стенде. Конструктивные особенности стенда показаны на Фиг. 3.The friction scheme was implemented at the laboratory bench. Design features of the stand are shown in FIG. 3.

Основание 1 стенда стационарно крепится к суппорту 2 токарного станка, что позволяет точно ориентировать зону контакта с использованием маховиков продольного и поперечного перемещения суппорта. На основании крепится осевая опора 3, на которую устанавливается равноплечий рычаг 4. На один край рычага монтируются тиски 5 с закрепленным в них керамическим образцом, на другой свободно подвешивается груз 6 с расчетным весом, под действием которого керамический образец с установленной силой Fн прижимается к вращающемуся диску 7. Диск крепится на оправке 8, закрепленной в токарном патроне 9, для обеспечения жесткости оправка поджимается задним центром 10.The base 1 of the stand is stationary attached to the support 2 of the lathe, which allows you to accurately orient the contact area using the flywheels of the longitudinal and transverse movement of the support. An axial support 3 is mounted on the base, onto which an equal-arm lever 4 is mounted. A vice 5 is mounted on one edge of the lever with a ceramic specimen fixed in them, and a load 6 with an estimated weight is freely suspended, under which a ceramic specimen with a set force F n is pressed against rotating disk 7. The disk is mounted on a mandrel 8, mounted in a turning chuck 9, to ensure rigidity, the mandrel is pressed by the rear center 10.

Анализ результатов позволил идентифицировать ширину участка износа (hиз) на образцах, имеющих исходную и модифицированную поверхность. На фиг. 4 показан пример измерения ширины участка износа.An analysis of the results made it possible to identify the width of the wear section (h of ) on samples having an initial and modified surface. In FIG. 4 shows an example of measuring the width of a wear section.

Влияние частоты следования импульсов при различных значениях мощности пучка на образце на ширину участка износа при трении проиллюстрировано на Фиг. 5. Установлено, что наименьшее значение hиз при всех значениях мощности пучка на образце зафиксировано при частоте следования импульсов а диапазоне от 90 до 110 кГц. Минимальное значение hиз отмечали при значении мощности пучка на образце между 7 Вт и 8 Вт (7,5 Вт).The effect of the pulse repetition rate at various values of the beam power on the sample on the width of the friction wear section is illustrated in FIG. 5. It was found that the smallest value of h from for all values of the beam power on the sample was recorded at a pulse repetition rate in the range from 90 to 110 kHz. The minimum value of h from was noted at a beam power on the sample between 7 W and 8 W (7.5 W).

Влияние числа импульсов в пачке при различных значениях мощности пучка на образце на ширину участка износа проиллюстрировано на Фиг. 6. Установлено, что с увеличением числа импульсов в пачке от 60 импульсов и более ширина участка износа интенсивно уменьшается при всех значениях мощности пучка на образце. Минимальное значение hиз отмечали при мощности пучка на образце около 7,5 Вт.The effect of the number of pulses in a packet at different values of the beam power on the sample on the width of the wear section is illustrated in FIG. 6. It was found that with an increase in the number of pulses in a packet from 60 pulses or more, the width of the wear section decreases rapidly at all values of the beam power on the sample. The minimum value of h from was noted at a beam power on the sample of about 7.5 watts.

Влияние коэффициента перекрытия пятна лазерного луча при различных значениях мощности пучка на образце на ширину участка износа при трении проиллюстрировано на Фиг. 7. Установлено, что наименьшее значение hиз при всех значениях мощности пучка на образце зафиксировано при коэффициенте перекрытия пятна kп от 0,5 до 0,75. Минимальное значение отмечали при значении мощности пучка на образце 7,5 Вт.The effect of the overlap coefficient of the laser beam spot at different values of the beam power on the sample on the width of the friction wear section is illustrated in FIG. 7. It was found that the smallest value of h from for all values of the beam power on the sample was recorded at a spot overlap coefficient k p from 0.5 to 0.75. The minimum value was noted at a beam power on the sample of 7.5 watts.

Установлено, что рациональными режимами лазерного излучения по критерию минимального значения участка износа при трении являются: частота следования импульсов от 90 до 110 кГц, число импульсов в пачке более 60, мощность пучка на образце от 7 до 8 Вт и коэффициент перекрытия пятна от 0,5 до 0,75. При соблюдении указанного комплекса режимов зафиксировано уменьшение параметра износа на 24% по сравнению со шлифованной поверхностью пластины из оксидно-карбидной керамики.It has been established that rational laser radiation conditions according to the criterion of the minimum value of the friction wear section are: pulse repetition rate from 90 to 110 kHz, number of pulses in a packet over 60, beam power on a sample from 7 to 8 W and spot overlap coefficient from 0.5 up to 0.75. Subject to the specified set of modes, a decrease in the wear parameter by 24% is recorded in comparison with the polished surface of the oxide-carbide ceramic plate.

На Фиг. 8 представлены микрофотографии поверхности оксидно-карбидной керамики после алмазного шлифования (Фиг. 8а) и после лазерной модификации (Фиг. 8б и г) на рациональном режиме лазерного излучения.In FIG. 8 shows micrographs of the surface of oxide-carbide ceramics after diamond grinding (Fig. 8 a ) and after laser modification (Fig. 8b and d) in a rational regime of laser radiation.

На шлифованной поверхности (Фиг. 8а) отмечен рыхлый дефектный слой, сформированный пластически деформированными зернами, порами различных форм, во внутреннем объеме пор просматриваются зерна размерами до 2,8 мкм. После лазерной обработки поверхностный слой сформирован равномерными частицами размельченных зерен керамики неправильной геометрической формы. Диапазон изменения размеров частиц составляет от 0,3 до 2,2 мкм. Границы между частицами плотные, поверхность имеет ровный рельеф без картеров и выступов. Отсутствие на поверхности чешуйчатых структур говорит о том, что поверхностный слой не был интенсивно оплавлен, трещины и поры отсутствуют. Описанные признаки поверхностного слоя позволяют говорить о реализации механизма лазерной модификации.On the polished surface (Fig. 8 a ), a loose defective layer formed by plastically deformed grains, pores of various shapes is marked, grains up to 2.8 microns in size are visible in the inner pore volume. After laser treatment, the surface layer is formed by uniform particles of crushed ceramic grains of irregular geometric shape. The range of particle size ranges from 0.3 to 2.2 microns. The boundaries between the particles are dense, the surface has a smooth relief without sumps and protrusions. The absence of scaly structures on the surface indicates that the surface layer was not intensively fused, cracks and pores are absent. The described features of the surface layer allow us to talk about the implementation of the laser modification mechanism.

С использованием рациональных режимов изготовили опытную партию пластин и испытали на износостойкость при точении. По результатам исследовательских испытаний на износостойкость при точении установлено, что наибольшую среднюю стойкость при точении стали ШX15 (55 HRC) при скорости 125 м/мин, подаче 0,05 мм/об и глубине резания 1 мм имеют резцы с многогранными неперетачиваемыми пластинами с модифицированным поверхностным слоем (Фиг. 9а). Так при продольном точении средняя стойкость пластин с модифицированным поверхностным слоем при критерии затупления hз=0,5 мм на 12% превысила аналогичный показатель исходных пластин. Тср=43 мин и 38 мин соответственно. При ν=125 м/мин, S=0,05 мм/об и t=1 мм случаев выхода исходных и модифицированных пластин из работоспособного состояния из-за хрупкого разрушения (сколов) не установлено.Using rational modes, an experimental batch of plates was made and tested for wear resistance during turning. According to the results of research tests for wear resistance during turning, it was found that the highest average resistance when turning steel SHX15 (55 HRC) at a speed of 125 m / min, a feed of 0.05 mm / rev and a cutting depth of 1 mm have cutters with polyhedral non-turning plates with a modified surface layer (Fig. 9 a ). So, with longitudinal turning, the average resistance of plates with a modified surface layer with a blunting criterion of h s = 0.5 mm was 12% higher than that of the original plates. T cf = 43 min and 38 min, respectively. At ν = 125 m / min, S = 0.05 mm / rev and t = 1 mm, cases of the initial and modified plates getting out of working condition due to brittle fracture (chips) have not been established.

Увеличение скорости резания до 150 м/мин также выявило эксплуатационные преимущества режущих пластин с модифицированным поверхностным слоем по сравнению с исходными пластинами (Фиг. 9б). Так средняя стойкость пластин с модифицированным поверхностным слоем составила 31 мин, исходных пластин 24 мин соответственно. Превышение стойкости составило 29%. При ν=150 м/мин, S=0,05 мм/об и t=1 мм случаев выхода исходных и модифицированных пластин из работоспособного состояния из-за хрупкого разрушения (сколов) не установлено.An increase in cutting speed to 150 m / min also revealed the operational advantages of cutting inserts with a modified surface layer compared to the original inserts (Fig. 9b). So, the average resistance of plates with a modified surface layer was 31 min, of the initial plates 24 min, respectively. The excess of resistance was 29%. At ν = 150 m / min, S = 0.05 mm / rev and t = 1 mm, cases of the exit of the initial and modified plates from a working state due to brittle fracture (chips) have not been established.

При ужесточении условий эксплуатации (увеличении значения подачи) повышение работоспособности режущих пластин из керамики с модифицированным слоем по сравнению с исходными пластинами также очевидно (Фиг. 8 в и г). Так при ν=150 м/мин, S=0,075 мм t=1 мм и ν=150 м/мин, S=0,1 мм t=1 мм средняя стойкость исходных пластин составила 11 и 5,8 мин, модифицированных пластин 18 и 12 мин соответственно. При этом анализ отказов пластин показал, что 45% исходных пластин вышли из строя в результате хрупкого разрушения, аналогичный показатель пластин с модифицированным поверхностным слоем составил 28%. При этом уменьшение стандартного отклонения стойкости 5 составило 2,2 раза.When the operating conditions are tightened (increase in feed value), the increase in the working capacity of ceramic inserts with a modified layer in comparison with the original inserts is also obvious (Fig. 8 c and d). So, for ν = 150 m / min, S = 0.075 mm t = 1 mm and ν = 150 m / min, S = 0.1 mm t = 1 mm, the average resistance of the initial plates was 11 and 5.8 min, modified plates 18 and 12 min, respectively. Moreover, the analysis of plate failures showed that 45% of the initial plates failed due to brittle fracture, a similar indicator of plates with a modified surface layer was 28%. The decrease in standard deviation of resistance 5 was 2.2 times.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача изобретения - обеспечение возможности обработки режущих пластин из оксидно-карбидной керамики TiC+MgO+Al2O3 на режимах, позволяющих оптимально модифицировать обработанную поверхность по критерию стойкости обработанных режущих пластин - решена, а заявленный технический результат - повышение стойкости режущих пластин - достигнут.The foregoing allows us to conclude that the objective of the invention is to provide the possibility of processing cutting inserts made of oxide-carbide ceramic TiC + MgO + Al 2 O 3 in modes that optimally modify the treated surface according to the criterion of durability of the processed cutting inserts - solved, and the claimed technical the result - increased durability of the cutting inserts - is achieved.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы изобретения признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического технического результата.The analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the characteristics indicated in the independent claim are essential and interconnected with each other with the formation of a stable set of necessary features unknown at the priority date from the prior art sufficient to obtain the desired synergistic technical result.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к инструментальной промышленности, а именно к способам обработки режущих пластин из оксидно-карбидной керамики TiC+MgO+Al2O3;- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, relates to the tool industry, and in particular to methods of processing cutting inserts from oxide-carbide ceramic TiC + MgO + Al 2 O 3 ;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в нижеизложенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the claimed object in the form described in the formula below, the possibility of its implementation using the methods and methods described above or known from the prior art on the priority date is confirmed;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed subject matter meets the requirements of the patentability conditions of “novelty”, “inventive step” and “industrial applicability” under applicable law.

Claims (2)

1. Способ лазерной обработки режущей пластины из оксидно-карбидной керамики TiC+MgO+Al2O3, при котором поверхность режущей пластины подвергают импульсному лазерному воздействию, каждая пачка импульсов которого формирует пятно лазерного луча с определенной мощностью пучка на образце, с коэффициентом перекрытия пятна лазерного луча в диапазоне от 0,1 до 0,9, отличающийся тем, что обработку проводят с частотой следования импульсов от 90 до 110 кГц, числом импульсов в пачке более 60 и мощностью пучка на образце от 7 до 8 Вт.1. A method of laser processing a cutting insert made of oxide-carbide ceramic TiC + MgO + Al 2 O 3 , wherein the surface of the cutting insert is subjected to pulsed laser irradiation, each burst of pulses of which forms a laser beam spot with a certain beam power on the sample, with a spot overlap coefficient a laser beam in the range from 0.1 to 0.9, characterized in that the processing is carried out with a pulse repetition rate of from 90 to 110 kHz, the number of pulses in a packet of more than 60 and the beam power on the sample from 7 to 8 watts. 2. Способ лазерной обработки режущей пластины из оксидно-карбидной керамики TiC+MgO+Al2O3 по п. 1, отличающийся тем, что поверхность режущей пластины подвергают импульсному лазерному воздействию с коэффициентом перекрытия пятна лазерного луча в диапазоне от 0,5 до 0,75.2. A method of laser processing a cutting insert made of oxide-carbide ceramic TiC + MgO + Al 2 O 3 according to claim 1, characterized in that the surface of the cutting insert is subjected to pulsed laser irradiation with a coefficient of overlap of the laser spot in the range from 0.5 to 0 , 75.
RU2015154241A 2015-12-17 2015-12-17 Method for laser processing cutting inserts made of oxide-carbide ceramics RU2621245C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015154241A RU2621245C1 (en) 2015-12-17 2015-12-17 Method for laser processing cutting inserts made of oxide-carbide ceramics

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015154241A RU2621245C1 (en) 2015-12-17 2015-12-17 Method for laser processing cutting inserts made of oxide-carbide ceramics

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2621245C1 true RU2621245C1 (en) 2017-06-01

Family

ID=59032141

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015154241A RU2621245C1 (en) 2015-12-17 2015-12-17 Method for laser processing cutting inserts made of oxide-carbide ceramics

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2621245C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2712154C1 (en) * 2019-09-06 2020-01-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Method of increasing wear resistance of cutting plates from oxide-carbide ceramics during milling
RU2751608C1 (en) * 2020-10-06 2021-07-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Method for modifying surface layer of cutting plates made of tool ceramics intended for turning nickel alloys

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2206145C1 (en) * 2002-02-11 2003-06-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" Method for manufacturing microwave integrated circuits
RU2262152C1 (en) * 2003-12-10 2005-10-10 Марийский государственный университет Method for manufacturing substrate for thick-film high-temperature superconductor circuit
RU2394780C1 (en) * 2009-04-13 2010-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" Method of laser pulsed shaping of solid non-metal materials
US8846551B2 (en) * 2005-12-21 2014-09-30 University Of Virginia Patent Foundation Systems and methods of laser texturing of material surfaces and their applications
RU2544892C1 (en) * 2013-10-24 2015-03-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук Method of producing micro- and nanostructures of surface of materials

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2206145C1 (en) * 2002-02-11 2003-06-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" Method for manufacturing microwave integrated circuits
RU2262152C1 (en) * 2003-12-10 2005-10-10 Марийский государственный университет Method for manufacturing substrate for thick-film high-temperature superconductor circuit
US8846551B2 (en) * 2005-12-21 2014-09-30 University Of Virginia Patent Foundation Systems and methods of laser texturing of material surfaces and their applications
RU2394780C1 (en) * 2009-04-13 2010-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" Method of laser pulsed shaping of solid non-metal materials
RU2544892C1 (en) * 2013-10-24 2015-03-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук Method of producing micro- and nanostructures of surface of materials

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RU 2544892 C1, 2003.2015. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2712154C1 (en) * 2019-09-06 2020-01-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Method of increasing wear resistance of cutting plates from oxide-carbide ceramics during milling
RU2751608C1 (en) * 2020-10-06 2021-07-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Method for modifying surface layer of cutting plates made of tool ceramics intended for turning nickel alloys

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI724321B (en) Lamination molding apparatus and method for manufacturing lamination molded product
Hanon et al. Experimental and theoretical investigation of the drilling of alumina ceramic using Nd: YAG pulsed laser
Shunmugavel et al. A comparative study of mechanical properties and machinability of wrought and additive manufactured (selective laser melting) titanium alloy–Ti-6Al-4V
Walter et al. Laser-structured grinding tools–Generation of prototype patterns and performance evaluation
Gong et al. Melt pool characterization for selective laser melting of Ti-6Al-4V pre-alloyed powder
TWI380868B (en) Fine processing method of sintered diamond using laser, cutter wheel for brittle material substrate, and method of manufacturing the same
Kacar et al. Characterization of the drilling alumina ceramic using Nd: YAG pulsed laser
KR101484158B1 (en) Scribing Wheel having micro structure for cutting
WO2004035255A1 (en) Cyclic structure formation method and surface treatment method
EP2874769A1 (en) Functionally graded additive manufacturing with in situ heat treatment
Yilbas et al. Laser cutting of 7050 Al alloy reinforced with Al 2 O 3 and B 4 C composites
Kadivar et al. Laser-assisted micro-grinding of Si3N4
RU2621245C1 (en) Method for laser processing cutting inserts made of oxide-carbide ceramics
Zimmermann et al. Influence of the laser parameters on the cutting edge preparation and the performance of cemented carbide indexable inserts
Mishra et al. Experimental investigation on laser directed energy deposition based additive manufacturing of Al2O3 bulk structures
Kibria et al. Investigation into the effect of overlap factors and process parameters on surface roughness and machined depth during micro-turning process with Nd: YAG laser
Brecher et al. Finishing of polycrystalline diamond tools by combining laser ablation with grinding
WO2006027850A1 (en) Method for enhancing adhesion of thin film
Pacella et al. On the topographical/chemical analysis of polycrystalline diamond pulsed laser ablated surfaces
JP7033867B2 (en) Methods and systems for treating synthetic diamond coating areas
Shaheen et al. Experimental studies on ablation characteristics of alumina after irradiation with a 193-nm ArF excimer laser
US20160280560A1 (en) Method of laser treating a zirconia surface
CN110385607A (en) The shaping methods of cutting tool
US20150231736A1 (en) Method and apparatus for removing material from a cutting insert using electromagnetic radiation
Ackerl et al. Ultrashort pulsed high-power laser conditioning of super-abrasive grinding worms

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210728

Effective date: 20210728