RU2796119C1 - Method for manufacturing parts of industrial equipment and tools - Google Patents

Abstract

FIELD: laser steel cladding.

SUBSTANCE: invention can be used in tool production to manufacture and repair tooling and tool parts. Method for manufacturing parts of industrial equipment and tools includes manufacturing a workpiece from structural steel, applying a functional layer by continuous laser cladding, at first the workpiece is given the necessary shape, including fixing holes, the working surface is identified and machined, reducing the working surface by 0.5-1 mm, then surfacing is carried out by feeding a wire consisting of a material forming a functional layer into the surfacing zone.

EFFECT: acceleration and simplification of the process of manufacturing and repair of parts, keeping dimensions of the part within the margins, and obtaining a surface with desired properties.

1 cl, 10 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к технологии лазерной наплавки сталей и может быть использовано в инструментальном производстве при изготовлении и ремонте деталей технологической оснастки и инструмента.The invention relates to the technology of laser cladding of steels and can be used in tool production in the manufacture and repair of tooling and tool parts.

Для рабочих частей оснастки зачастую используют дорогостоящие материалы, такие как сталь Х12МФ, 9ХС, 40Х. Технология изготовления состоит из операций: механическая обработка заготовки с припуском, термообработка, окончательная механическая обработка, полировка, азотирование (хромирование), полировка.For the working parts of the tooling, expensive materials are often used, such as steel X12MF, 9XC, 40X. The manufacturing technology consists of operations: machining of a workpiece with an allowance, heat treatment, final machining, polishing, nitriding (chrome plating), polishing.

Из уровня техники известен способ получения металлического покрытия (RU 2215821, опубл. 10.11.2003 Бюл. № 31), включающий нанесение металлического покрытия на металлическую основу и нагрев поверхностного слоя и нанесенного покрытия концентрированным потоком энергии. Производят кратковременный нагрев поверхностного слоя и нанесенного покрытия, режим которого выбирают из условия плавления металлических материалов вблизи границы покрытие - основа с сохранением поверхностного слоя покрытия в твердом состоянии.A method for producing a metal coating is known from the prior art (RU 2215821, publ. 10.11.2003 Bull. No. 31), which includes applying a metal coating to a metal base and heating the surface layer and the applied coating with a concentrated energy flow. The surface layer and the applied coating are heated for a short time, the mode of which is selected from the condition of melting of metallic materials near the coating-base boundary, while maintaining the surface layer of the coating in a solid state.

Наиболее близким по технической сущности является способ лазерной наплавки (US2017087668 от 2017-03-30), включающий поверхность подложки, проволоку, заполненную металлом, расположенную вблизи поверхности, при этом заполненная металлом проволока содержит металлическую оболочку, окружающую заполненную металлом сердцевину, и при этом заполненная металлом сердцевина содержит, по меньшей мере, один порошковый металл или тонкую металлическую проволоку. Лазерный луч направляется на кончик проволоки, расплавляя металлическую оболочку и заполненную металлом сердцевину с образованием расплавленной ванны на поверхности подложки.The closest in technical essence is the method of laser cladding (US2017087668 from 2017-03-30), including the substrate surface, a wire filled with metal located near the surface, while the metal-filled wire contains a metal shell surrounding the metal-filled core, and at the same time filled with metal core contains at least one powder metal or thin metal wire. A laser beam is directed onto the tip of the wire, melting the metal sheath and the metal-filled core to form a molten pool on the surface of the substrate.

Недостатками вышеуказанных технических решений являются сложность процесса и применение дорогостоящих материалов.The disadvantages of the above technical solutions are the complexity of the process and the use of expensive materials.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа изготовления изделий с повышенными техническими и эксплуатационными характеристиками.The problem to be solved by the invention is the development of a method for manufacturing products with improved technical and operational characteristics.

Данная задача решается за счет того, что способ изготовления деталей технологической оснастки и инструмента включает изготовление заготовки детали из конструкционной стали, нанесение функционального слоя методом непрерывной лазерной наплавки, вначале заготовке придается необходимая форма, включая в том числе крепежные отверстия, определяется рабочая поверхность с последующей ее механической обработкой, занижая рабочую поверхность на 0,5-1 мм, в зону наплавки подается проволока, состоящая из материала, образующего функциональный слой.This problem is solved due to the fact that the method of manufacturing parts for industrial equipment and tools includes manufacturing a workpiece from structural steel, applying a functional layer by continuous laser cladding, first the workpiece is given the required shape, including mounting holes, the working surface is determined, followed by its mechanical processing, lowering the working surface by 0.5-1 mm, a wire consisting of a material forming a functional layer is fed into the surfacing zone.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является упрощение процесса изготовления и ускорение ремонта детали, сохранение геометрических размеров детали в поле допуска, получение поверхности (функционального слоя) с заданными свойствами.The technical result provided by the above set of features is to simplify the manufacturing process and accelerate the repair of the part, keeping the geometric dimensions of the part within the tolerance field, and obtaining a surface (functional layer) with desired properties.

Заявленный способ подразумевает использование метода лазерной наплавки, что не только заменяет операцию нанесения покрытия, такую как азотирование или хромирование, но и меняет весь технологический процесс, исключая применение дорогостоящих материалов и сокращая время на изготовление или ремонт деталей.The claimed method involves the use of laser cladding, which not only replaces the coating operation, such as nitriding or chromium plating, but also changes the entire technological process, eliminating the use of expensive materials and reducing the time for manufacturing or repairing parts.

Под рабочей поверхностью в данном изобретении понимается поверхность, с помощью которой изделие (деталь, инструмент) выполняет свое служебное назначение.Under the working surface in this invention refers to the surface with which the product (part, tool) performs its official purpose.

Под функциональным слоем в данном изобретении понимается покрытие, нанесенное на поверхность детали и адгезионно связанного с ним для придания поверхностному слою свойств, отличных от свойств основного материала изделия (детали, инструмента).Under the functional layer in this invention refers to a coating deposited on the surface of the part and adhesively associated with it to give the surface layer properties that are different from the properties of the base material of the product (part, tool).

Согласно данному изобретению создается улучшающий слой при изготовлении и ремонте рабочих частей изделий, в которых свойства основного материала являются отличными от свойств материала на поверхности изделия, которое непосредственно контактирует с воздействующими силами.According to this invention, an improvement layer is created in the manufacture and repair of working parts of products in which the properties of the base material are different from the properties of the material on the surface of the product, which is in direct contact with the acting forces.

Изготавливается деталь из конструкционной стали любой формы. Чаще всего форма у подобных деталей бывает сложной - фигурной. Определяется место рабочей поверхности. Далее деталь подвергается механической обработке, занижая исключительно рабочую поверхность на 0,5-1 мм. Данный этап подразумевает использование специализированных обрабатывающих центров, таких как токарный или фрезерный станок с ЧПУ. Шероховатость заниженной рабочей поверхности достаточно Ra 6,3. На подготовленную поверхность наносится функциональный слой, который имеет повышенные требования. Функциональный слой наносится методом непрерывной лазерной наплавки. В процессе нанесения функционального слоя в зону расплава подается проволока, которую луч наплавляет на рабочую поверхность детали, образуя после остывания новый слой на поверхности детали. Далее нанесенный слой доводят до требующейся шероховатости слесарным методом или на станке с ЧПУ.The part is made of structural steel of any shape. Most often, the shape of such parts is complex - curly. The place of the working surface is determined. Further, the part is machined, lowering only the working surface by 0.5-1 mm. This stage involves the use of specialized machining centers, such as a CNC lathe or mill. The roughness of the lowered working surface is sufficient Ra 6.3. A functional layer is applied to the prepared surface, which has increased requirements. The functional layer is applied by continuous laser cladding. In the process of applying a functional layer, a wire is fed into the melt zone, which the beam fuses onto the working surface of the part, forming a new layer on the surface of the part after cooling. Next, the applied layer is brought to the required roughness by a metalwork method or on a CNC machine.

На фиг. 1 - 10 изображены детали, изготовленные заявленным способом, где 1 - основа детали из конструкционной стали, 2 - функциональный слой из более прочного материала. In FIG. 1 - 10 show parts made by the claimed method, where 1 is the basis of the part from structural steel, 2 is a functional layer of a more durable material.

Основа детали и наплавляемый слой смешиваются в небольшой зоне 10-30 мкм в зависимости от рабочего режима. Область воздействия тепла при лазерной наплавке составляет 1-2 мм. Благодаря малому времени воздействия лазера и локальности подачи объемы расплава сводятся к минимуму и изделие нагревается незначительно. Таким образом, технология лазерной наплавки позволяет сохранить геометрические размеры детали в поле допуска, даже если они составляют несколько микрон. Степень перемешивания наплавляемого материала с основным составляет не более 1%. Чтобы кислород не попадал в рабочую область, запуская в ней окислительные процессы, при обработке дополнительно подается инертный газ.The base of the part and the deposited layer are mixed in a small area of 10-30 microns, depending on the operating mode. The area of heat impact during laser cladding is 1-2 mm. Due to the short time of the laser exposure and the locality of the supply, the melt volumes are minimized and the product heats up insignificantly. Thus, the technology of laser cladding makes it possible to keep the geometrical dimensions of the part within the tolerance field, even if they are several microns. The degree of mixing of the deposited material with the base material is no more than 1%. To prevent oxygen from entering the working area, starting oxidation processes in it, an inert gas is additionally supplied during processing.

В качестве оборудования для наплавления используется стационарная лазерная установка с ЧПУ.A stationary CNC laser machine is used as equipment for cladding.

В качестве основы изделия используется конструкционная углеродистая сталь, преимущественно марок Сталь 3, Сталь 20.Structural carbon steel is used as the basis of the product, mainly grades Steel 3, Steel 20.

В зависимости от потребности - повышенная износостойкость, коррозионная стойкость, термоизносостойкость и т.д. способ имеет возможность корректировать физико-химические свойства рабочей поверхности путем нанесения функционального слоя.Depending on the need - increased wear resistance, corrosion resistance, thermal wear resistance, etc. the method has the ability to correct the physico-chemical properties of the working surface by applying a functional layer.

Изделия, полученные заявленным способом, не нуждаются в последующей термической обработке и хромировании.Products obtained by the claimed method do not require subsequent heat treatment and chromium plating.

Также, изготовление детали согласно заявленному способу обеспечивает в дальнейшем ремонтопригодность детали, т.к. не требует удаления покрытия (например, расхромирования), а достаточно нанести на поврежденный участок функциональный слой и механически обработать.Also, the manufacture of the part according to the claimed method ensures the maintainability of the part in the future, because does not require removal of the coating (for example, dechromization), but it is enough to apply a functional layer to the damaged area and mechanically process it.

Достигаемые эффекты от заявленного способа:Achievable effects from the claimed method:

- отсутствие термического воздействия на заготовку детали исключает ее коробление- the absence of thermal impact on the workpiece of the part eliminates its warpage

- изотропные свойства наблюдаются по всему нанесенному покрытию (функциональному слою)- isotropic properties are observed throughout the applied coating (functional layer)

- равномерное нанесенное функционального слоя на поверхность любой формы;- Uniform applied functional layer on the surface of any shape;

- возможность регулирования свойств поверхности детали в зависимости от требующихся задач путем нанесения присадочной проволоки с нужными свойствами (износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, антифрикционные) методом лазерной наплавки.- the ability to control the surface properties of the part depending on the required tasks by applying a filler wire with the desired properties (wear-resistant, heat-resistant, corrosion-resistant, anti-friction) by laser welding.

Согласно данного изобретения используется мягкая и дешевая подложка (основа детали), например, из стали 3, стали 20 или других материалов, предварительно обрабатывается на фрезерном станке с ЧПУ, образуя фигурную форму с учетом припуска на нанесение улучшающего (функционального) слоя примерно 0,5-1 мм.According to this invention, a soft and cheap substrate (part base) is used, for example, made of steel 3, steel 20 or other materials, pre-processed on a CNC milling machine, forming a figured shape, taking into account the allowance for applying an improving (functional) layer of about 0.5 -1 mm.

Благодаря тому, что заготовка детали не подвергается нагреву все установочные отверстия можно делать до лазерной наплавки, т.е. подготавливать заготовку полностью.Due to the fact that the workpiece is not subjected to heating, all mounting holes can be made before laser cladding, i.e. prepare the workpiece completely.

Ниже приведены примеры возможности осуществления заявленного способа.Below are examples of the possibility of implementing the claimed method.

Пример 1.Example 1

Изделия крышка и опора изготавливаются из стеклонаполненного полипропилена. Рабочие части пресс-форм изготавливаются из стали 40Х с последующей закалкой и хромированием. Из-за того, что материал изготавливаемых деталей ведет себя достаточно агрессивно, стойкость к истиранию рабочих поверхностей пресс-форм невысокая. Более стойкие покрытия - дорогие и мало ремонтопригодные.Cover and support products are made of glass-filled polypropylene. The working parts of the molds are made of 40X steel, followed by hardening and chromium plating. Due to the fact that the material of the manufactured parts behaves quite aggressively, the abrasion resistance of the working surfaces of the molds is low. More resistant coatings are expensive and hardly maintainable.

Согласно заявленного способа, основа рабочих частей пресс-формы изготавливается из материала Сталь 20. Деталь и крепежные отверстия изготавливаются в размер, рабочие поверхности фрезеруются с припуском 0,5 мм в тело. Методом лазерной наплавки наплавляется присадочная проволока QUADA QuFe13 (высокая стойкость к механическим, термическим воздействиям и абразивному износу), создающая функциональный слой с повышенными износостойкими свойствами. Окончательная чистовая фрезеровка завершает изготовление деталей.According to the claimed method, the basis of the working parts of the mold is made of the material Steel 20. The part and mounting holes are made to size, the working surfaces are milled with an allowance of 0.5 mm into the body. Using laser cladding, filler wire QUADA QuFe13 (high resistance to mechanical, thermal stress and abrasive wear) is deposited, creating a functional layer with increased wear-resistant properties. The final finishing milling completes the production of the parts.

На фиг. 2 и 5 изображена сборка, на фиг. 3, 4, 6, 7 изображены детали, где 3 - пуансон, 4 - матрица; 5 - матрица, 6 - вставка.In FIG. 2 and 5 show the assembly, FIG. 3, 4, 6, 7 details are shown, where 3 is a punch, 4 is a matrix; 5 - matrix, 6 - insert.

Стойкость рабочих частей увеличилась в 3 раза, а также появилась возможность дешевого ремонта рабочих поверхностей.The durability of the working parts has increased by 3 times, and it also became possible to repair the working surfaces cheaply.

Пример 2.Example 2

Деталь планка изготавливается методом холодной штамповки, включая вырубку, пробивку и гибку. Гибка осуществляется на штамповой оснастке. При использовании классического метода для матрицы использовался материал сталь Х12М ГОСТ 5950-73 и закаливался до 57..61 HRC. Стойкость такой матрицы составляла порядка 250 000-300 000 деталей. Согласно заявляемого способа матрица изготавливалась из материала сталь 20, в качестве функционального слоя использовался присадочная проволока QUADA QuFe20 (при наличии сильного износа деталей и давлении при умеренных ударных нагрузках). На фиг. 8 изображена сборка, на фиг. 9 и 10 изображены детали, где 7 - матрица 8 - пуансон. Стойкость такой матрицы увеличилась до 500 000 деталей, уменьшилась стоимость каждой детали, упростился технологический процесс изготовления и ремонт. Функциональный слой наносился исключительно на рабочие части матриц и пуансона, с помощью которых проходит гибка детали.The plank part is produced by cold forming, including cutting, punching and bending. Bending is carried out on a die tooling. When using the classical method for the matrix, the material steel X12M GOST 5950-73 was used and hardened to 57..61 HRC. The durability of such a matrix was about 250,000-300,000 parts. According to the claimed method, the matrix was made of steel 20 material, QUADA QuFe20 filler wire was used as a functional layer (in the presence of severe wear of parts and pressure at moderate shock loads). In FIG. 8 shows the assembly, FIG. 9 and 10 show details, where 7 is a matrix 8 is a punch. The stability of such a matrix has increased to 500,000 parts, the cost of each part has decreased, the manufacturing process and repair have been simplified. The functional layer was applied exclusively to the working parts of the dies and punch, with the help of which the part is bent.

Приведенные примеры не раскрывают всех возможностей данного изобретения, так как возможно применение различных основ и проволок для создания функционального слоя для различных деталей и инструментов.The examples given do not reveal all the possibilities of this invention, since it is possible to use various bases and wires to create a functional layer for various parts and tools.

Таким образом, заявленный способ позволяет обойтись без объемно-легированных материалов и использовать недорогие стали, например, такие как сталь 20, в качестве основного (подложки) материала. Дополнительным преимуществом заявленного способа, включающего нанесение функционального слоя методом лазерной наплавки, является высокая точность толщины наплавляемого слоя, благодаря чему существенно упрощается финишная механическая обработка детали.Thus, the claimed method makes it possible to dispense with bulk-alloyed materials and use inexpensive steels, such as steel 20, for example, as the base (substrate) material. An additional advantage of the claimed method, which includes deposition of a functional layer by laser cladding, is the high accuracy of the thickness of the deposited layer, which greatly simplifies the finishing machining of the part.

Claims (2)

1. Способ изготовления деталей технологической оснастки и инструмента, включающий изготовление заготовки детали из конструкционной стали, нанесение функционального слоя методом непрерывной лазерной наплавки, отличающийся тем, что вначале заготовке придают необходимую форму, включая в том числе крепежные отверстия, определяют рабочую поверхность, проводят последующую ее механическую обработку с занижением рабочей поверхности на 0,5-1 мм и проводят наплавку путем подачи в зону наплавки проволоки, состоящей из материала, образующего функциональный слой. 1. A method for manufacturing tooling and tool parts, including manufacturing a workpiece from structural steel, applying a functional layer by continuous laser cladding, characterized in that the workpiece is first given the required shape, including mounting holes, the working surface is determined, and its subsequent machining with underestimation of the working surface by 0.5-1 mm and surfacing is carried out by feeding a wire consisting of a material forming a functional layer into the surfacing zone. 2. Способ изготовления деталей технологической оснастки и инструмента по п.1, отличающийся тем, что в качестве конструкционной стали используют Сталь 3 или Сталь 20. 2. A method for manufacturing tooling and tool parts according to claim 1, characterized in that Steel 3 or Steel 20 is used as structural steel.

Images