一种导轨激光淬火方法 |
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| 申请号 | CN202210501733.8 | 申请日 | 2022-05-09 | 公开(公告)号 | CN114891963B | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 西安必盛激光科技有限公司; | 发明人 | 李欣; 郭晓军; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 导轨 激光淬火方法。解决 现有技术 中存在的导轨采用传统的感应淬火、 电阻 加热淬火和火焰加热淬等 热处理 方法，存在淬火后会产生的开裂和硬度不均匀现象难以控制、以及淬火后热 变形 严重的技术问题。该方法采用气体辅助，冷却辅助以及双面等速扫描，来达到强化导轨的目的。双面扫描速度一致，且整个过程中功率保持不变，气体流量保持一致，淬火过程中任意时刻气体以固定 角 度吹向待淬火面的激光光斑 位置 处，淬火过程中任意时刻淬火光斑B1始终保持沿轴向领先淬火光斑A1一个淬火光斑B1的宽度来防止淬火后产生开裂、防止变形和硬度不均匀现象。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种导轨激光淬火方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种导轨激光淬火方法技术领域背景技术[0002] 机床导轨为支承和引导机床相关部件沿着一定轨迹运动的轨道，一般采用钢材制作，在长期往复的运动过程中，极容易出现磨损，进而降低机床的运动精度，因此在机床导轨的制造阶段，通常需要对导轨进行相关的热处理，以增加导轨的耐磨性，在提高耐磨性的措施中，表面热处理可以达到较好的效果。 [0003] 现有常规的机床导轨热处理方式一般采用感应淬火、电阻加热淬火和火焰加热淬火方法等，但是机床导轨尺寸较长，传统淬火方法仍然存在以下问题： [0004] 1.导轨热处理淬火后产生的开裂和硬度不均匀现象难以控制。 [0005] 2.导轨淬火后热变形严重。 发明内容[0006] 本发明的目的是解决现有技术中存在的导轨采用传统的感应淬火、电阻加热淬火和火焰加热淬火等热处理方法，存在淬火后会产生的开裂和硬度不均匀现象难以控制以及淬火后热变形严重的技术问题，而提供了一种导轨激光淬火方法。 [0007] 本发明一种导轨激光淬火方法的发明构思为： [0008] 采用气体辅助，冷却辅助以及双面等速扫描，来达到强化导轨的目的。使双面扫描速度一致，且整个过程中功率保持不变，气体流量保持一致，在淬火过程中任意时刻气体以1 固定角度吹向待淬火面的激光光斑位置处，淬火过程中任意时刻淬火光斑B始终保持沿轴 1 1 向领先淬火光斑A一个淬火光斑B的宽度。 [0009] 为实现上述发明目的，完成上述发明构思，本发明所提供的技术方案为： [0010] 一种导轨激光淬火方法，其特殊之处在于，包括以下步骤： [0011] 步骤1淬火前准备 [0012] 确认待淬火导轨的待淬火面A以及待淬火面的相对面B，确定待淬火面A和相对面B淬火的起始位置与终止位置； [0013] 将导轨安装设备上，所述设备具有冷却装置、D1、D2两路激光器、E1、E2两路气体输送管路；冷却装置用于对导轨进行冷却；E1、E2两路气体输送管路一是用于吹走导轨待淬火面A和相对面B在加工过程中产生的杂质，二是进一步对加工中的导轨进行冷却； [0014] 步骤2设置淬火光斑尺寸以及设备参数 [0015] 所述设置淬火光斑尺寸包括：设置淬火光斑A1的长度等于待淬火面A的宽度，设置1 1 淬火光斑A 的长度方向与待淬火面A的宽度方向保持一致；设置淬火光斑A 的宽度；设置淬 1 1 火光斑B 的长度等于相对面B的宽度，设置淬火光斑B的长度方向与相对面B的宽度方向保 1 1 持一致；设置淬火光斑B的宽度等于1.5～2倍的淬火光斑A的宽度； [0016] 所述设置设备参数是指通过设置设备参数，使淬火光斑A1的线功率密度大于等于3 3 1 1 4WS/mm且小于等于15WS/mm ，以及淬火光斑B的线功率密度为0.5～0.7倍的淬火光斑A 的线功率密度； [0017] 步骤3淬火 [0018] 3.1完成步骤2后，开启设备； [0019] 3.2淬火光斑B1首先开始从相对面B的起始位置向终止位置移动，待淬火光斑B1移1 1 动了一个淬火光斑B 的宽度之后，淬火光斑A 开始从待淬火面A的起始位置向终止位置移动； [0020] 3.3待淬火光斑B1、淬火光斑A1移动至终止位置时，关闭设备除冷却装置外的其他功能； [0021] 步骤4冷却； [0022] 继续对导轨进行冷却，直至导轨完全冷却； [0023] 步骤5检测 [0024] 对加工后的导轨进行硬度和变形量检测，若硬度和变形量都符合要求，则工作完成；反之，则返回步骤2，并调整设备参数，直至导轨的硬度和变形量均匀性符合要求； [0026] 进一步地，步骤2中，所述设备参数包括D1、D2两路激光器的工作距离、激光器D1的1 1 淬火光斑A与激光器D2的淬火光斑B的扫描速度相同，设置激光器D1、D2的功率。 [0027] 进一步地，步骤2中，所述激光器D1与激光器D2的扫描速度均大于等于5mm/s且小于等于25mm/s。 [0028] 进一步地，步骤2中，淬火光斑A1的宽度大于等于2mm小于等于5mm。 [0029] 进一步地，步骤2中还包括以下参数的设置： [0030] 激光器D1与待淬火面A的夹角为20～90°； [0031] 激光器D2与相对面B的夹角为20～90°； [0032] E1气体输送管路与待淬火面A的夹角0～90°，其出气端最低点与激光器D1的光斑中心点距离为1/3～1/2的激光器D1焦距，其气体流量大于等于15L/min且小于等于25L/min； [0033] E2气体输送管路与相对面B的夹角0～90°，其出气端最低点与激光器D2的光斑中心点距离为1/3～1/2的激光器D2焦距，其气体流量大于等于15L/min且小于等于25L/min。 [0034] 进一步地，步骤1中E1、E2两路气体输送管中的气体为干燥的空气、氮气或惰性气体，使用E1、E2两路气体输送管路，吹出的为空气、氮气或惰性保护气体，目的在于，一方面吹走油烟，免除了油烟灰尘等对激光束能量的影响，从而使得到达淬火导轨表面的激光束能量一致，提高了待淬火导轨的硬度及深度均匀性，解决了待淬火导轨采用感应淬火、电阻加热淬火和火焰加热淬火等方法引起的淬火区域硬度分布不均匀、容易产生裂纹等问题；另一方面在一定程度上加快了淬火冷却速度，显著提高了淬火硬度与均匀性。 [0037] 进一步地，步骤2中，所述淬火光斑A1、淬火光斑B1为矩形光斑，矩形光斑的尺寸更易控制，并且加工后的质量更优。 [0038] 进一步地，步骤2中，所述E1气体输送管路与待淬火面A的夹角20～70°，且保证在加工过程中，E1气体输送管路中的气体始终相应的吹向淬火位置处； [0039] 所述E2气体输送管路与相对面B的夹角20～70°，且保证在加工过程中，E2气体输送管路中的气体始终吹向相应的淬火位置处，E1气体输送管路与待淬火面A的夹角、E2气体输送管路与相对面B的夹角满足可以吹走油烟即可。 [0040] 本发明的有益效果是： [0042] 不仅解决了导轨经过感应淬火、电阻加热淬火和火焰加热淬火方法淬火后表面开裂和硬度不均匀的现象，并且极大的降低了淬火后的变形量。 [0043] 2.本发明一种导轨激光淬火方法，采用气体辅助，冷却辅助以及双面等速扫描，来达到强化导轨的目的； [0044] 淬火光斑B1始终保持沿轴向领先淬火光斑A1一个淬火光斑B1的宽度，优点在于在不影响A面淬火硬度的同时保证了将淬火后的变形降至最低； [0045] 设置淬火光斑A1的长度等于导轨待淬火面A的宽度，淬火光斑B1的长度等于导轨待淬火面相对面B的宽度的主要目的在于，保证待淬火面A一次淬火覆盖，使得一次激光淬火后，待淬火面A的硬度均匀； [0046] 设置淬火光斑B1的宽度等于1.5～2倍的淬火光斑A1的宽度，淬火光斑A1的线功率3 3 1 1 密度大于等于4WS/mm且小于等于15WS/mm，以及淬火光斑A与淬与火光斑B的扫描速度相同，均大于等于5mm/s且小于等于25mm/s，其优点在于在相同的功率和扫描速度下，既保证了待淬火面相对面B的表面状态的完整性；同时又提供了降低变形所需的热量输入； [0047] 本发明作为一个整体解决了采用感应淬火、电阻加热淬火和火焰加热淬火等方法淬火后，产生开裂和硬度不均匀现象的技术问题，并且降低了导轨淬火后的变形量。 [0048] 3.本发明一种导轨激光淬火方法，适用于热处理加工易变形的细长导轨，可以降低细长导轨在热处理时的变形量。 [0049] 4.本发明一种导轨激光淬火方法，采用的激光淬火处理层表面组织更为致密，与传统淬火相比具有更均匀的硬度和耐磨性。 [0050] 5.本发明一种导轨激光淬火方法，激光功率密度高，与待淬火导轨上某点的作用时间很短(小于1s)，故待淬火导轨的热影响和变形都非常小。 [0051] 6.本发明一种导轨激光淬火方法，工艺可靠稳定，易于实现产业化应用。 [0052] 7.本发明一种导轨激光淬火方法，使用E1、E2两路气体输送管路，吹出的为空气、氮气或惰性保护气体，由于此气体的存在，一方面吹走油烟，免除了油烟灰尘等对激光束能量的影响，另一方面在一定程度上加快了淬火冷却速度，显著提高了淬火硬度与均匀性。 具体实施方式[0053] 采用该激光淬火方法，具体包括以下步骤： [0054] 步骤1前期准备； [0055] 确认导轨的待淬火面A以及待淬火面的相对面B，确定待淬火面A和相对面B淬火的起始位置与终止位置； [0056] 将导轨安装设备上，所述设备具有冷却装置、D1、D2两路激光器、E1、E2两路气体输送管路； [0057] 其中，所导轨为含碳量大于0.35的钢材，且所述待淬火面A和相对面B均为平面，激光器为光斑可调的，波长在800～1100nm之间的光纤激光器或半导体激光器，E1、E2两路气体输送管中的气体为干燥的空气、氮气或惰性气体； [0058] 步骤2设置淬火光斑尺寸以及设备参数 [0059] 所述设置淬火光斑尺寸包括：设置淬火光斑A1的长度等于待淬火面A的宽度，设置1 1 淬火光斑A的长度方向与待淬火面A的宽度方向保持一致；设置淬火光斑A的宽度大于等于 1 1 2mm小于等于5mm；设置淬火光斑B 的长度等于相对面B的宽度，设置淬火光斑B的长度方向 1 1 与相对面B的宽度方向保持一致；设置淬火光斑B 的宽度等于1.5～2倍的淬火光斑A的宽度； [0060] 所述设备参数包括D1、D2两路激光器的工作距离、激光器D1的淬火光斑A1与激光1 器D2的淬火光斑B的扫描速度相同，均大于等于5mm/s且小于等于25mm/s，设置激光器D1、D2的功率，激光器D1与待淬火面A的夹角为20～90°，激光器D2与相对面B的夹角为20～90°； E1气体输送管路与待淬火面A的夹角20～70°，其出气端最低点与激光器D1的光斑中心点距离为1/3～1/2的激光器D1焦距，其气体流量大于等于15L/min且小于等于25L/min；E2气体输送管路与相对面B的夹角20～70°，其出气端最低点与激光器D2的光斑中心点距离为1/3～1/2的激光器D2焦距，其气体流量大于等于15L/min且小于等于25L/min； [0061] 设置完成后，需保证计算出来的淬火光斑A1的线功率密度大于等于4WS/mm3且小于3 1 1 等于15WS/mm，淬火光斑B的线功率密度为0.5～0.7倍的淬火光斑A的线功率密度； [0062] 步骤3淬火 [0063] 步骤3.1开启冷却装置、E1、E2两路气体输送管路以及D1、D2两路激光器； [0064] 步骤3.2淬火光斑B1首先开始从待淬火面的相对面B的起始位置向终止位置移动，1 1 1 待淬火光斑B移动了一个淬火光斑B的宽度之后，淬火光斑A开始从待淬火面A的起始位置向终止位置移动，整个淬火过程中步骤2中设置的各参数保持不变； [0065] 步骤3.3待淬火光斑B1、淬火光斑A1移动至终止位置时，D1、D2两路激光器分别或同时停止出光，E1、E2两路气体输送管路的气路分别或同时关闭，即可以选择待淬火面A与相对面B都完成淬火后，同时关闭D1、D2两路激光器和E1、E2两路气体输送管路，或者当待淬火面A或相对面B淬火完成后，关闭相应的D1或D2激光器和E1或E2气体输送管路； [0066] 步骤4冷却； [0067] 冷却装置继续工作，直至待淬火导轨完全冷却； [0068] 步骤5检测 [0069] 对加工后的导轨进行硬度和变形量检测，若硬度和变形量都符合要求，则工作完成；反之，则返回步骤2，并调整设备参数，直至导轨的硬度和变形量均匀性符合要求。 [0070] 本发明待淬火零件的淬火区域为平面，激光可方便地处理，加入了辅助气体，吹走淬火过程中产生的气体及烟尘，使激光束不受影响，到达淬火导轨表面的激光束能量一致，提高了待淬火导轨的硬度及深度均匀性，解决了待淬火导轨采用感应淬火、电阻加热淬火和火焰加热淬火等方法引起的淬火区域硬度分布不均匀、容易产生裂纹等问题。 [0071] 本发明所提出的方案，适用于淬火面A与其相对面B均为平面且淬火面A与其相对面B的宽度在5‑50mm之间的细长导轨。 [0072] 通过本发明的处理方法，不仅可以提高导轨的硬度、耐磨性、抗疲劳等性能，而且解决了传统热处理易开裂、变形难以控制的难题。 [0073] 从以下实施例进行论证与详述： [0074] 实例1：一种GCr15机床导轨淬火： [0075] GCr15机床导轨的尺寸、化学成分以及工艺要求： [0076] 尺寸：导轨宽度23mm，长度1500mm； [0077] 化学成分：C：0.95％‑1.05％，Mn：0.25％‑0.45％，Si：0.15％‑0.35％； [0078] 工艺要求： [0079] (1)待淬火面A表面淬火硬度56～62HRC； [0080] (2)待淬火面A硬化层深度≥0.60mm； [0081] (3)待淬火面A变形量＜0.10mm。 [0082] 采用本发明激光淬火工艺对上述GCr15机床导轨进行淬火； [0083] 步骤2中的设备参数为：E1、E2两路气体输送管路与导轨平面夹角均为45°，D1、D21 1 两路激光器焦距为180mm、淬火光斑A 与淬与火光斑B的扫描速度均为5mm/s、E1、E2两路气体输送管路最低点与光斑中心点距离均为70mm、E1、E2两路气体输送管路的气体流量均为 25L/Min；激光淬火设备功率为3450w； [0084] 淬火光斑尺寸为：调整淬火光斑A1和淬火光斑B1的长度为23mm，调整淬火光斑A1的1 宽度为2mm，调整淬火光斑B的宽度为4mm； [0085] 基于上述参数，采用本方案的导轨激光淬火方法进行加工处理后，淬火完成后，对GCr15机床导轨进行硬度、硬化层深度和变形量检测；测得导轨的待淬火面A硬度为58～61HRC，硬化层深度为0.85mm，变形量为0.06mm，各项性能均达到产品要求。 [0086] 实例2：一种40Cr机床导轨淬火： [0087] 40Cr机床导轨的尺寸、化学成分以及工艺要求： [0088] 尺寸：导轨宽度10mm，长度500mm，； [0089] 化学成分：C：0.37％～0.44％，Mn：0.50％～0.80％，Si：0.17％～0.37％,Cr：0.80％～1.10％，Ni≤0.30％； [0090] 工艺要求： [0091] (1)表面淬火硬度52～62HRC； [0092] (2)硬化层深度≥0.60mm； [0093] (3)变形量＜0.10mm。 [0094] 采用本发明激光淬火工艺对40Cr机床导轨进行淬火： [0095] 步骤2中的设备参数为：E1、E2两路气体输送管路与导轨平面夹角均为65°、D1、D2两路激光器焦距为100mm、E1、E2两路气体输送管路最低点与光斑中心点距离均为40mm、E1、1 1 E2两路气体输送管路的气体流量均为18L/Min、淬火光斑A与淬与火光斑B的扫描速度均为 25mm/s、激光淬火设备功率为5000w； [0096] 淬火光斑尺寸为：调整淬火光斑A1和淬火光斑B1的长度为10mm，调整淬火光斑A1的1 宽度为5mm，调整淬火光斑B的宽度为8mm； [0097] 基于上述参数，采用本方案的导轨激光淬火方法进行加工处理后，对40Cr机床导轨进行硬度、硬化层深度和变形量检测，检测得到导轨的待淬火面A硬度为55～60HRC，硬化层深度为0.75mm，变形量为0.08mm，各项性能均达到产品要求。 [0098] 实例3：一种40Cr机床导轨淬火： [0099] 40Cr机床导轨的尺寸、化学成分以及工艺要求： [0100] 尺寸：导轨宽度30mm，长度1500mm，； [0101] 化学成分：C：0.37％～0.44％，Mn：0.50％～0.80％，Cr：0.80％～1.10％； [0102] 工艺要求： [0103] (1)表面淬火硬度52～62HRC； [0104] (2)硬化层深度≥0.50mm； [0105] (3)变形量＜0.15mm。 [0106] 采用本发明激光淬火工艺对40Cr机床导轨进行淬火： [0107] 步骤2中的设备参数为：E1、E2两路气体输送管路与导轨平面夹角均为35°、D1、D2两路激光器焦距为150mm、E1、E2两路气体输送管路最低点与光斑中心点距离均为60mm、E1、1 1 E2两路气体输送管路的气体流量均为18L/Min、淬火光斑A与淬与火光斑B的扫描速度均为 10mm/s、激光淬火设备功率为5700w； [0108] 淬火光斑尺寸为：调整淬火光斑A1和淬火光斑B1的长度为30mm，调整淬火光斑A1的1 宽度为3mm，调整淬火光斑B的宽度为5mm； [0109] 基于上述参数，采用本方案的导轨激光淬火方法进行加工处理后，对40Cr机床导轨进行硬度、硬化层深度和变形量检测，检测得到导轨的待淬火面A硬度为55～60HRC，硬化层深度为0.70mm，变形量为0.12mm，各项性能均达到产品要求。 |
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