CN107937700A - 一种针对微型剃须刀具的高速激光离焦淬火强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种针对微型剃须刀具的高速激光离焦淬火强化方法。本发明利用激光离焦后发散的特点，将激光光斑扩大至刀片宽度，并根据刀片所需的淬火深度选择合适的场镜焦距，利用高速振镜按路径输出激光，一次完成工件的淬火。该方法具有无需重复对焦、淬火速度快、强化效果好、兼顾性能和经济效益等特点。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种微型剃须刀具的高速激光离焦淬火强化方法。
背景技术
飞利浦、飞科等品牌为代表的剃须刀广泛使用旋转式微型剃须刀具作为其刀头核心部件，刀具体积较小、几何形状较为复杂，其加工方式常为薄板模具冲压成形。为保证冲压成形的可加工性，刀具常采用回火后的马氏体不锈钢带材作为原材料进行加工。由于在使用过程中刀片与刀网长期摩擦接触，而回火后的不锈钢材料硬度较低、容易发生磨损现象，实际使用中需要对成形后的刀具进行后续的淬火强化处理。
激光淬火强化是近几年快速发展的强化工艺，它利用高能激光束扫描工件，使激光辐照区域温度迅速上升达到相变温度以上，与此同时，利用工件基体的热传导实现自冷淬火，使之相变强化。与传统的表面淬火技术相比，激光淬火具有处理速度快、效率高、无需淬火介质、节能、环保等特点，同时得到的硬化层组织较细，硬度高于常规淬火的硬度。尽管现有激光淬火工艺有上述的优点，但用于处理形状复杂、尺寸小、厚度薄的微型剃须刀具仍存在诸多不足，其原因如下：1.由于冲压成形后刀片呈现35-45°的立体倾角结构，为保证刀片的有效开刃淬火深度需要达到2mm以上，现有激光聚焦淬火工艺需要重复多次扫描和多次对焦才能完成刀片的淬火；2.由于刀具尺寸较小、材料较薄，现有激光淬火工艺的重复扫描步骤会引起严重的热积累效应，导致工艺一致性差，自冷淬火效应相不明显，相变强化效果不明显；3.由于微型剃须刀具单位价值低，现有激光淬火工艺成本较高，故无法市场推广。
发明内容
针对现有激光淬火技术的不足，本发明提供一种针对微型剃须刀具的激光离焦淬火方法。利用激光离焦后发散的特点，将激光光斑扩大至刀片宽度，并根据刀片所需的淬火深度选择合适的场镜焦距，利用高速振镜按路径输出激光，一次完成工件的淬火。该方法具有无需重复对焦、淬火速度快、强化效果好、兼顾性能和经济效益等特点。
为了实现上述目的，本发明方法基于以下激光离焦淬火强化装置，包括振镜式光纤激光器、X轴振镜、Y轴振镜、变焦场镜；振镜式光纤激光器发出的激光经X轴振镜反射至Y轴振镜，激光再经Y轴振镜反射至变焦场镜输出至待淬火工件；该方法包括以下步骤：
步骤(1)、分析待淬火微型剃须刀具工件的形貌结构，根据需淬火区域的Z-轴空间投影位置，在激光离焦淬火强化装置的CAD***中设定激光输出路径，且将工件的几何中心对齐到变焦场镜的光轴中心；
作为优选，微型剃须刀具工件为旋转式微型剃须刀具；
步骤(2)、根据工件刀片的宽度尺寸及所需的淬火深度选取合适的光路参数，设定最佳的场镜焦距和场镜高度。
所述的场镜焦距的经验公式为： 式(1)
其中f为场镜焦距，单位为cm；c为刀片所需要的淬火深度，单位为cm；d为刀片宽度，单位为cm；
所述的场镜高度的经验公式为：L≈1.3×f 式(2)
其中L为场镜高度，单位为cm；f为场镜焦距，单位为cm；c为刀片所需要的淬火深度，单位为cm；
步骤(3)、设定激光能量密度。
激光能量密度的选择遵循最佳原则，当激光能量密度过高时，将造成刀片的局部熔化，需降低激光功率或提高扫描速度；当激光能量密度过低时，刀片不能够被有效的淬火，需要提高激光功率或降低扫描速度；当激光能量密度在合适的区间时，获得的能量既能够驱使相变转化又可避免刀片的熔化，与此同时利用工件基体的热传导实现自冷淬火，则以此作为最佳激光能量密度设定值；
所述的激光能量密度计算公式为：PD＝P/dv 式(3)
其中PD是激光的能量密度，单位为J/cm2；P是激光输出功率，单位为w；d是刀片的宽度，单位为cm；v是激光的扫描速度，单位为cm/s。
实验中，激光的输出功率固定在500W，刀片的宽度为确定值,通过改变激光的扫描速度来调整激光能量密度。
步骤(4)、安置待淬火工件后打开激光器，扫描一次完成后，关闭激光设备，取出淬火工件，分析其淬火后的金相及硬度变化。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种利用振镜式光纤激光器作为淬火设备，对微型刀具进行高速激光离焦淬火的方法。该方法克服了传统激光淬火工艺较为复杂的往复扫描、对焦工序，以及对于微型薄壁刀具的淬火效果差的缺陷，具有淬火深度可调节，淬火全过程激光无需重复对焦，速度快，热积累效应小，工艺稳定性强等特点。当用于旋转式微型剃须刀具淬火时，表现出较明显的淬火硬化现象，具有工艺简单，生产成本低，兼顾效益的特点。
附图说明
图1为本发明所述的离焦激光淬火与传统激光淬火的原理对比图；其中(1)为传统激光淬火，(2)为本发明离焦激光淬火；
图2为本发明所述的淬火装置结构图；
图3为本发明所述的光路参数的示意图；其中(1)为光路，(2)为刀片；
图4为本发明所述的激光淬火路径示意图；
图5为刀头未淬火前的金相图；
图6为激光能量密度为420kJ/cm2工艺参数下淬火刀头的微观组织照片,其中(a)50倍显微热影响区域，(b)1000倍显微淬火区域，(c)1000倍显微过渡区域，(d)1000倍显微未淬火区域；
图7为激光能量密度为840kJ/cm2工艺参数下淬火刀头的微观组织照片,其中(a)50倍显微热影响区域，(b)1000倍显微淬火区域，(c)1000倍显微过渡区域，(d)1000倍显微未淬火区域。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
采用本发明所述的高速激光离焦淬火方法强化处理不锈钢(4Cr13)旋转式剃须刀头。
A.待淬火刀头的预处理：使用无水乙醇清洗刀头，用吹风机吹干后置于激光淬火装置的样品台上。
B.光路参数的设定：根据刀头参数设置选取光路参数，本实施例选用的刀片宽度为0.9mm,拟淬火深度为2mm,带入公式计算场镜焦距和高度，并在淬火设备上将场镜焦距和场镜高度分别设定为30.5mm和39.5mm，如图3所示。
C.激光输出路径设定：如图4所示，根据刀片的Z-轴几何投影，设置环形激光输出路径；将工件的几何中心型对齐到场镜的光轴中心。
D.刀头的激光淬火：打开激光器，按照预设路径输出激光。本实验中选择激光波长在1060-1080nm光纤激光器，激光器的频率为20kHZ，二组样品分别采用的激光能量密度为420kJ/cm2,830kJ/cm2来淬火。
E.淬火后与未淬火前的刀头对比观察形貌、分析金相组成、和硬度数值的变化。
如图5所指示的未淬火前的旋转式剃须刀头，其材料为不锈钢(4Cr13)，原始硬度506±6HV，材料厚度0.4mm。由于原材料已经过回火的处理，其金相呈现出的马氏体组织较少，并且与基体铁素体之间呈现出较明显的相界面。
采用激光能量密度为420kJ/cm2的工艺淬火后的刀片不同区域的金相组织如图6所示。通过对单根刀片的侧面金相组织分析可得，刀片的淬火深度达1.6mm(图6a)。通过分析对比激光淬火区域(图6b)、热影响区(图6c)域及未淬火区域(图6d)三者之间的组织结构，激光淬火后马氏体组织进一步析出，呈现析出物颗粒长大现象，与铁素体基体产生了明显的相界面。采用激光能量密度为420kJ/cm2的工艺处理后刀片的硬度为643±29HV，硬度相比原始样品显著提高。
当采用激光能量密度为840kJ/cm2的工艺淬火后的刀头，其淬火深度可达2.0mm(图7a)。通过分析对比激光淬火区域(图7b)、热影响区(图7c)域及未淬火区域(图7d)三者之间的组织结构，激光淬火后由于冷却速度更快等的作用因素，高碳马氏体大量析出，组织结构进一步细化、致密化，并大量弥散分布在铁素体基体组织中。采用激光能量密度为840kJ/cm2的工艺处理后刀片的硬度达到666±18HV，相比原始样品有更为显著的提高，进一步证明该淬火工艺的可行性。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种针对微型剃须刀具的高速激光离焦淬火强化方法，以下激光离焦淬火强化装置，包括振镜式光纤激光器、X轴振镜、Y轴振镜、变焦场镜；振镜式光纤激光器发出的激光经X轴振镜反射至Y轴振镜，激光再经Y轴振镜反射至变焦场镜输出至待淬火工件；其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤(1)、分析待淬火微型剃须刀具工件的形貌结构，根据需淬火区域的Z-轴空间投影位置，在激光离焦淬火强化装置的CAD***中设定激光输出路径，且将工件的几何中心对齐到变焦场镜的光轴中心；
步骤(2)、根据工件刀片的宽度尺寸及所需的淬火深度选取合适的光路参数，设定最佳的场镜焦距和场镜高度；
所述的场镜焦距的经验公式为：
其中f为场镜焦距，单位为cm；c为刀片所需要的淬火深度，单位为cm；d为刀片宽度，单位为cm；
所述的场镜高度的经验公式为：L≈1.3×f 式(2)
其中L为场镜高度，单位为cm；f为场镜焦距，单位为cm；c为刀片所需要的淬火深度，单位为cm；
步骤(3)、根据公式(3)，设定激光能量密度：
PD＝P/dv 式(3)
其中PD是激光的能量密度，单位为J/cm2；P是激光输出功率，单位为W；d是刀片的宽度，单位为cm；v是激光的扫描速度，单位为cm/s；
步骤(4)、安置待淬火工件后打开激光器，扫描一次完成后，关闭激光设备，完成一次扫描取出淬火工件。
2.如权利要求1所述的一种针对微型剃须刀具的高速激光离焦淬火强化方法，其特征在于微型剃须刀具工件为旋转式微型剃须刀具。
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