CZ2014649A3 - Způsob laserového kalení strojních součástí - Google Patents
Způsob laserového kalení strojních součástí Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2014649A3 CZ2014649A3 CZ2014-649A CZ2014649A CZ2014649A3 CZ 2014649 A3 CZ2014649 A3 CZ 2014649A3 CZ 2014649 A CZ2014649 A CZ 2014649A CZ 2014649 A3 CZ2014649 A3 CZ 2014649A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- laser beam
- component
- laser
- hardened
- hardening
- Prior art date
Links
Landscapes
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
Způsob laserového kalení strojních součástí, které se po opracování umístí do předem definované polohy, kde na alespoň část povrchu zvnějšku přístupné dutiny nebo průchozího otvoru v součásti se působí nejméně jedním laserovým paprskem o vlnové délce 700 až 11000 nm a hustotě materiálem součásti pohlceného výkonu v oblasti 1 kW po dobu určenou poměrem šířky stopy laserového paprsku a rychlosti jejího pohybu, případně pohybu součásti, na kterou dopadá laserový paprsek. Stopa laserového paprsku se nanáší v přesahujících pruzích na kalenou plochu součásti při současném otáčení součásti a/nebo zdroje laserového paprsku, čímž se povrchová plocha součásti kalí do hloubky 0,3 až 2,5 mm, načež se součást nechá vychladnout na teplotu okolního prostředí.
Description
4 } . v ) / > ~1
Způsob laserového kalení strojních součástí
Oblast techniky
Vynález se týká způsobu laserového kalení strojních součástí, zejména povrchů jejich dutin.
Dosavadní stav techniky Při cementaci a kalení strojních součástí z cementační oceli s nízkým obsahem uhlíku se povrch těchto součástí nasycuje uhlíkem v pevném, kapalném, případně plynném prostředí nad teplotou Ac3. Vysoká tvrdost je po kalení dosažena pouze v tenké povrchové vrstvě, obvykle v hloubce 0,4 až 2,0 mm, zatímco jádro materiálu zůstává houževnaté. Při konvenčním celoobjemovém kalení je součást z kalitelné oceli zahřáta nad kalící teplotu a následně rychle ochlazena v chladícím médiu, kterým může být voda, olej, solná lázeň nebo vzduch, přičemž dojde ke vzniku přesyceného tuhého roztoku uhlíku v železe a, martenzitu.
Další známý způsob, kterým je indukční povrchové kalení, je založen na rychlém ohřevu součásti působením střední nebo vysoké frekvence elektromagnetického pole za použití induktoru, jehož tvar je přizpůsobený kalenému předmětu nebo jeho části. Při průchodu střídavého elektrického proudu induktorem se indukuje na povrchu kaleného předmětu střídavé magnetické pole a vznikají vířivé proudy. Tyto proudy velice rychle zahřejí povrch tělesa na kalící teplotu, aby následovalo jeho zakalení prudkým ochlazením.
Laserové kalení povrchu součástí přináší oproti výše uvedeným způsobům několik výhod. Je zde především vysoká rychlost ohřevu, která vede k minimalizaci tepelných deformací součásti. Další výhodou je možnost zpracování i velmi obtížně dostupných ploch, například dutin, a tak zvaný samoochlazovací efekt bez nutnosti využití externího chladícího média. Navíc dochází ke zjednodušení a zrychlení výrobního procesu. 2 -> > ·» * * * ϊ
Podstata vynálezu Cílem vynálezu je vytvoření martenzitické struktury na obtížně dostupných plochách, v dutinách strojních součástí vyrobených zejména z kalitelné oceli, litiny nebo ocelolitiny. Předmětem tohoto vynálezu je způsob laserového kalení strojních součástí, zejména povrchů jejich dutin, kde tyto součásti se po opracování umístí do předem definované polohy. Podstata vynálezu spočívá v tom, že na alespoň část povrchu zvnějšku přístupné dutiny nebo průchozího otvoru v součásti se působí nejméně jedním laserovým paprskem o vlnové délce 700 až 1 ΐ|θ00 nm a hustotě výkonu pohlceného materiálem součásti v oblasti 1 kW/cm2, po dobu určenou poměrem šířky stopy laserového paprsku a rychlosti jejího pohybu, případně pohybu součásti, na kterou dopadá laserový paprsek, čímž se povrchová plocha kalí do hloubky 0,3 až 2,5 mm, načež se součást nechá vychladnout na teplotu okolního prostředí. Na povrch zvnějšku přístupné dutiny nebo průchozího otvoru v součásti se působí laserovým paprskem pod úhlem do velikosti až 77j°, případně až 8(j° od normály s kalenou plochou.
Pro zvýšení absorpce energie záření do materiálu součásti může být s výhodou /f* laserový paprsek o vlnové délce 900 až 1Π00 nm. Před působením laserového paprsku se povrch zpracovávané součásti mechanicky nebo chemicky očistí a /nebo odmastí.
Objasnění výkresů
Na připojených výkresech jsou v průřezu zobrazeny příklady strojních součástí, jejichž povrchy jsou alespoň v části vystaveny působení laserového kalení podle tohoto vynálezu. Relevantní části kaleného povrchu příslušné součásti jsou znázorněny zesíleným obrysem. Na obr. 1 až 5 jsou příklady různě tvarovaných vřeten a pouzder, na obr. 6 píst a na obr. 7 ozubené kolo. Kalené plochy jsou v dutinách těchto součástí. Příklady uskutečnění vynálezu Předmětem tohoto vynálezu je vytvoření martenzitické struktury na obtížně dostupných plochách, v dutinách strojních součástí vyrobených zejména z kalitelné oceli. Ocelová, litinová nebo ocelolitinová strojní součást, například vřeteno, pouzdro, táhlo, píst, hřídel, se po opracování (např. soustružení, broušení, frézování, případně i kalení) umístí do předem definované polohy a na povrch uzavřené dutiny nebo průchozího otvoru v této součásti se (po případné úpravě tohoto povrchu,např. mechanickým nebo chemickým očištěním, odmaštěním apod.) se působí nejméně jedním laserovým paprskem (případně více rovnoběžnými, různoběžnými nebo mimoběžnými paprsky) o vlnové délce v rozsahu od 700 do 1 iJOOO nm a hustotě pohlceného výkonu materiálem součásti v oblasti 1 kW / cm2 po dobu určenou poměrem šířky stopy laserového paprsku a rychlosti jejího pohybu, případně pohybu součásti, na kterou dopadá laserový paprsek.
Pokud by hustota byla nižší, nedocházelo by ke změně struktury povrchové vrstvy součásti a jejímu zakalení. Jestliže by naopak byla vyšší, docházelo by k degradaci povrchu součásti. Z hlediska interakce mezi laserovým paprskem a zpracovávaným materiálem je výhodný rozsah vlnové délky od 900 do 11100 nm, účelem je co nejvyšší absorpce energie záření. Doba působení laserového paprsku ovlivňuje hloubku zakalení povrchové vrstvy součásti, jestliže je příliš krátká, výsledkem je nižší hloubka zakalení, a naopak. Konkrétní hodnota závisí na typu použití dané součásti. Čím širší je stopa laserového paprsku, tím lze součást zpracovávat rychleji a naopak.
Laserovým paprskem lze kalit povrch součástí až do hloubky 2,5 mm, obvykle je to v oblasti 1 mm (0,3 až 1,5 mm, výjimečně až do 2,5 mm). Důležitý je rychlý ohřev součásti, tak aby docházelo k dostatečně rychlému odvodu tepla po ohřevu laserovým paprskem. K rychlému ohřevu povrchu součásti bývá nejčastěji použit přímý diodový laser, může být použit i vláknový laser a další. Laserový paprsek je veden z laseru do procesní optiky, která umožňuje jeho přesné zaměření i do velmi obtížně dostupných míst v dutinách součásti. V procesní optice je Gaussovský tvar laserového paprsku upraven za pomoci optických členů do vhodného požadovaného tvaru laserového spotu (účinného pole), kupř. obdélníku s homogenním rozložením hustoty výkonu. Manipulace s procesní optikou a/nebo zpracovávanou součástí je prováděna pomocí průmyslového víceosého robota a rotačního polohovadla. Rotační polohovadlo zajišťuje rotační pohyb zpracovávané součásti během procesu kalení, průmyslový robot zajišťuje manipulaci a přesné nastavení procesní optiky. Prostřednictvím průmyslového robota je procesní hlava, resp. laserový spot, > ·. i > ·. i
'> * > «· ·» > ' 3 3 i » ~ 4 ~ *1 * — ’* ” nastavena do požadované polohy tak, aby došlo ke zpracování pouze předem definované požadované plochy součásti, zatímco ostatní plochy součásti a zejména hrany aby zůstaly neovlivněny. V připojené tabulce povrchově kalitelné oceli používané pro součásti s dutinou jsou příklady několika součástí s hloubkami kalení, minimální požadovanou tvrdostí a dosažitelnou tvrdostí při laserovém kalení. Tak např. v případě laserového kalení vnitřních ploch vřetena ISO 50 je velikost laserového spotu, (aktivního pole) 8x10 mm, měřeno kolmo k vystupujícímu paprsku. Úhel, který svírá laserový paprsek (měřeno od normály) s kalenou plochou je až 7Vřeteno je umístěno na rotační polohovadlo tak, že je vycentrováno pomocí sklíčidla. Během zpracování je vřetenem otáčeno prostřednictvím rotačního polohovadla rychlostí přibližně 36^za sekundu. Při zpracování je výkon laseru nastaven, v závislosti na zpracovávané ploše, na 4 až 5,5 kW. Kalení vyznačených ploch (viz zesílená čára na obr. X) je prováděno na šest přejezdů, to je pruhů o výšce přibližně 30 až 40 mm. Mezi jednotlivými přejezdy je ponechán čas na homogenizaci teploty součásti, tak aby její celková teplota nepřesáhla l^C. Výsledná tvrdost dosahuje hodnot 50 až 60 HRc, měřeno na stolním tvrdoměru s Vickersovým hrotem, při zátěži 10 N.
Využití tohoto vynálezu se ukázalo jako výhodné zejména jako náhrada povrchově kalených součástí, kde byla použita technologie cementace a následného kalení. Pro kalení laserem je možno zvolit buď materiál nacementovaný, nebo s podílem uhlíku větším než 0,2 %, tak aby mohlo dojít k přímému prokalení bez předchozího nauhličení povrchu. Laserové kalení zaručuje minimální deformace, proto jsou zvoleny menší technologické přídavky pro následné obrábění. Celkový postup vynechání nauhličení povrchu a zmenšení přídavků pro obrábění přináší zkrácení časů jednotlivých výrobních operací obrábění až o 4(^o a snížením počtu operací zkrácení průběžné doby výroby součásti až o 60j%. Další podstatná výhoda se projevila u součástí, kde je požadavek různé tvrdosti ploch, ochrany závitů a zápichů, v tomto případě je maximálně využita výhoda kalení laserem úzkým paprskem, zaměřeným na konkrétní plochu. V případě těchto uvedených typů výrobků je úspora výrobního času součásti až 80%. Konečně dalším přínosem laserového kalení je možnost realizace bez omezení množství kusů. Tento přínos se projevuje především u speciálních materiálů, kdy je při klasickém kalení nutno čekat na vytížení kalicí ) 1 . i ) 1 . i
» 1 * # ’ i . 3 * ' * i ϊ * i » 2 i » » -J * j t * '.·»*· -, ·> i »» dávky, nebo uhradit náklady kalicího procesu pro celou pec, i když bude prázdná. Přínos tohoto vynálezu se projevuje i ve zkrácení dodací lhůty výrobního zařízení, která je jedním z faktorů při rozhodování zákazníka o jeho pořízení.
Průmyslová využitelnost
Vynález je využitelný při laserovém kalení povrchové vrstvy dutin strojních součástí, jako jsou vřetena, pouzdra, táhla, písty, hřídele apod. Jako zdroj záření (tepla) může být použit jakýkoli laser emitující záření z blízké infračervené oblasti (NIR) o dostatečném výkonu, jehož paprsek je možné upravit do požadovaného tvaru (např. obdélník s homogenním rozložením hustoty výkonu). Laserové záření nemusí být svedeno do optického vlákna, lze i bez optického vlákna. Laserem jsou kalitelné všechny konvenčně kalitelné oceli s podílem uhlíku větším než přibližně 0,2 %. ~ 12
POVRCHOVÉ KALITELNÉ OCELI POUŽÍVANÉ PRO SOUČÁSTI S DUTINOU
Claims (4)
- />»/ 0 f-x-~ SC* *' » mu -» » »1 * * ♦ , 4 j » « )}.:.-» i , | S » 'i -» Ϊ i k » · · > * » > > i > a j » » 1 ' ' » 1 # .,· / » > > PATENTOVÉ NÁROKY 1. Způsob laserového kalení strojních součástí, které se po opracování umístí do předem definované polohy, vyznačující se tím, že na alespoň část povrchu zvnějšku přístupné dutiny nebo průchozího otvoru v součásti se působí nejméně jedním laserovým paprskem o vlnové délce 700 až 1 ijoOO nm a hustotě materiálem součásti pohlceného výkonu v oblasti 1 kW/cm2 po dobu určenou poměrem šířky stopy laserového paprsku a rychlosti jejího pohybu, případně pohybu součásti, na kterou dopadá laserový paprsek, kde stopa laserového paprsku se nanáší v přesahujících pruzích na kalenou plochu součásti při současném otáčení součásti a /nebo zdroje laserového paprsku, čímž se povrchová plocha součásti kalí do hloubky 0,3 až 2,5 mm, načež se součást nechá vychladnout na teplotu okolního prostředí.
- 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro zvýšení absorpce energie /p záření do materiálu součásti je laserový paprsek o vlnové délce 900 až 1(100 nm.
- 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že na povrch zvnějšku přístupné dutiny nebo průchozího otvoru v součásti se působí laserovým paprskem pod úhlem v oblasti až do 7^ případně 8(í|°od normály s kalenou plochou.
- 4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že před působením laserového paprsku se povrch zpracovávané součásti mechanicky nebo chemicky očistí a /nebo odmastí.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2014-649A CZ2014649A3 (cs) | 2014-09-23 | 2014-09-23 | Způsob laserového kalení strojních součástí |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2014-649A CZ2014649A3 (cs) | 2014-09-23 | 2014-09-23 | Způsob laserového kalení strojních součástí |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CZ305719B6 CZ305719B6 (cs) | 2016-02-17 |
CZ2014649A3 true CZ2014649A3 (cs) | 2016-02-17 |
Family
ID=55311063
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CZ2014-649A CZ2014649A3 (cs) | 2014-09-23 | 2014-09-23 | Způsob laserového kalení strojních součástí |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CZ (1) | CZ2014649A3 (cs) |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CS253430B1 (en) * | 1986-03-15 | 1987-11-12 | Jozef Dominik | Surface hardening of metal parts with rotary symmetrical surfaces |
CS260837B1 (cs) * | 1986-12-28 | 1989-01-12 | Jiri Halasek | Způsob tepelného zpracování povrchu tenkostěnných tvarovaných trubkovitých strojních nebo konstrukčních součástí |
CH674954A5 (cs) * | 1988-02-02 | 1990-08-15 | Graf & Co Ag | |
DE10217200A1 (de) * | 2002-04-18 | 2003-10-30 | Winter Pipeline Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlen |
DE10260345B3 (de) * | 2002-12-20 | 2004-09-09 | Siemens Ag | Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten einer Innenwand einer in ein Werkstück eingebrachten Ausnehmung |
DE102005019757A1 (de) * | 2005-04-28 | 2006-11-02 | Sms Elotherm Gmbh | Vorrichtung und Verfahren zum Behandeln von Flächen metallischer Bauelemente mittels Laserstrahls |
-
2014
- 2014-09-23 CZ CZ2014-649A patent/CZ2014649A3/cs not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CZ305719B6 (cs) | 2016-02-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Dinesh Babu et al. | Laser surface hardening: a review | |
Luo et al. | Effects of laser shock peening and groove spacing on the wear behavior of non-smooth surface fabricated by laser surface texturing | |
Bohlen et al. | Additive manufacturing of tool steel by laser metal deposition | |
Karmakar et al. | Effect of tempering on laser remelted AISI H13 tool steel | |
Hussein et al. | Enhancement of the wear resistance and microhardness of aluminum alloy by Nd: YaG laser treatment | |
Kotadiya et al. | Parametric analysis of process parameter for Laser cutting process on SS-304 | |
Yilbas et al. | Laser controlled melting of H12 hot-work tool steel with B4C particles at the surface | |
CN102808077A (zh) | 一种保持精度等级的薄壁齿圈类零件淬火方法 | |
Zhang et al. | Effect of Laser Surface Hardening on the Microstructure, Hardness, Wear Resistance and Softening of a Low Carbon Steel. | |
Puoza et al. | Manufacturing of micro-textures on metals by nanosecond laser micromachining | |
Lesyk et al. | Selective surface modification of complexly shaped steel parts by robot-assisted 3D scanning laser hardening system | |
Jong-Do et al. | Laser transformation hardening on rod-shaped carbon steel by Gaussian beam | |
CZ2014649A3 (cs) | Způsob laserového kalení strojních součástí | |
Lima et al. | Laser surface remelting and hardening of an automotive shaft sing a high-power fiber laser | |
Ulewicz et al. | Impact of Laser Machining on the Structure and Properties of Tool Steels | |
Lobankova et al. | Influence of laser radiation on structure and properties of steel | |
Giorleo et al. | Apparent spot in circular laser hardening: effect of process parameters | |
Fauzun et al. | Design of laser melting of tool steel for surface integrity enhancement | |
Sato et al. | Application of laser hardening technology to sintered parts | |
Wagh et al. | Metallurgical and tribological investigation of micro-scale fibre laser-based surface hardening | |
Fauzun et al. | Laser surface modification of AISI 1025 low carbon steel using pulsed Nd: YAG laser for enhance surface properties | |
Ruetering | Laser Hardening: The known but unknown application | |
Giorleo et al. | Counter Laser treatment for recovering deformation of slender workpiece | |
Němeček et al. | Laser Hardening Parameters Influencing Component Lifetime and Residual Stresses | |
Gavrilov et al. | Laser-thermal Hardening of the Tools Set for Cold-forming Fasteners |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20190923 |