激光硬化处理达到新质量

文章来源:MM《现代制造》 点击数:630 发布时间:2017-10-20
在加工某些工件时,传统的激光硬化处理工艺遭遇到其瓶颈。如果在加工薄壁部件时需要达到一定的淬火深度和淬火特征值要求,并维持可重复的质量标准的话,则必须采用其他的知识与工艺,对现有的激光硬化处理工艺进行扩展,以满足硬化处理方面的质量要求。
激光硬化处理达到新质量

有保障地制造含有14%~22%铬和1%以上碳素的钢质薄壁切削刀具还是属于一种新的应用。在这里,由于部件质量过低,同时部件具有马氏体起始温点为室温附近和结束温点为-10℃左右的材质特性,而在该温度点上方可达到目标硬度,因此采用传统激光硬化处理工艺还无法确保实现自淬火的质量。

市场上常见的激光加工工艺体现为选择好一个温度对部件进行加热,并以一定的激光进给量把热量带入到钢材里去,所达到的淬火硬度最终还需取决于部件特性及其质量。

高质量的激光硬化处理以钢材的品种为基础,自主分析合金成分并确定所获得的调质状态。根据用户的硬化处理任务要求,制订出一个内容广泛的加工流程。属于加工工作范畴的还有试样部件或工件的回火以及深度冷却。硬化处理后的质量保证包含授权一家合作单位采用实验室质量鉴定等所有技术手段来确定加工结果,并通过金相打磨方法对结果进行验证。

图1  螺杆的封边调质也属于激光硬化处理的应用范畴,它可防止螺杆遭受压力损失和磨损

在临界情况下的超前研究

在临界情况下,与外部的一个材料检验实验室一起进行针对工作任务和最终质量验证等方面的超前研究。在这里,Inofex公司与柏林Block检验实验室展开合作。同时,这种合作也在用户所需产品的研发上发挥出作用,例如对刀具稳定性的可靠性检验和在具体工作场合中对切割能力的检验等等。唯有超前研究使工作顺利结束,方可开始接受用户对部件进行激光硬化处理的委托。LHW公司掌握了两种激光硬化处理方法,即市场上常见的激光淬火处理工艺和以一定的激光进给量来对刀具进行调质,以达到相同的质量水平。

由于LHW公司采用机器人来实施激光硬化处理工作,因此激光硬化处理的应用就显得非常灵活。它在设备部件或组件调质上只需做少量的准备工作,即可开始激光硬化处理,与所有其他激光应用方式一样,这种硬化处理方法也同样高效。这种工艺技术在应用上表现为快捷、省钱、不依赖于任何形式、可加装性强、效率高且安全性好。一旦任务商议妥当,在24~36 h之内即可完成对一个单件的加工。在委托硬化处理加工服务方面,标准范围内的日常加工任务便是对从尺寸变化小的精密部件,一直到大型泵的机壳、钢绳滑轮和数百公斤重的大型凹模进行加工。在高质量的硬化处理过程中,为了提高部件刚性和降低部件厚度以节省材料,应用了诸如切割和无质量结构稳定剂等功能层级。结构稳定剂为强度较大的激光轨迹,它可以在部件内产生一种很高的形状刚性和较低的振动倾向,这种功效可以被用在部件设计理念和FEM分析上。目前,这种成果还只限于个别应用场合和研究范畴,尚未进入推广和普及阶段。

激光硬化处理可以延长部件使用寿命

图2  屠宰设备上的切割刀具可通过高质量的激光硬化处理来获得更长的使用寿命

采用激光硬化处理工艺的一个很好的例子便是可以延长屠宰设备上刀具的使用寿命,对于绞肉刀具如此,对于切肉刀具亦复如此。配制香肠原料的刀具在运行时的圆周速度可以达到700 km/h,这种薄板刀具在其使用过程中会遭受到拍打或振动等最大载荷,其主要载荷源于振动,常常由于材料疲劳的缘故造成刀具断裂。激光硬化处理可以通过激光淬火痕迹使软质刀具本体变得稳定和坚硬,从而降低刀具破损的概率。试验结果表明,经过激光淬火的切刀在振动量和振动持续时间上都要比整体淬火或未经淬火的刀具强很多。

功能性硬度处理超过DIN标准要求

与DIN标准要求相反,绞肉刀具的激光硬度处理并非采用整体淬火处理,而只是在刀刃上进行功能性的淬火和调质。在刀具组合中,套筒起到支撑轴的作用,淬火则起到防磨损保护作用。按照DIN标准要求,套筒要接受较软的调质,以便能够承受住冲击力。这种最大的载荷力可由处于软质状态的整体刀具本体来抵御,并阻止刀具完全损坏以造成设备损伤和材料损失。

刀具不再符合DIN的规定,但它在功能上超越了目前的技术现状。此外,激光硬化处理所需的能耗也比整体淬火低75%,而加工所需时间也从10 h下降到0.3 h。

图3  未接受功能性淬火处理的绞肉刀具在受损后的状况(图a)和接受了功能性淬火处理的绞肉刀具状况(图b)

但是,薄板刀具无法确保淬火流程所需的自激冷,在这种情况下就缺少能够满足刀具功能要求的淬火方法,对此开发出了沿着激光痕迹进行的即刻后冷却。由此成功地达到了薄壁材料定向且快速冷却到马氏体起始点以下的目标,以确保实现良好的硬化处理结果。通过这种方式,可以对壁厚只有1.5 mm的板材进行良好的硬化处理。