СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1997 года по МПК C21D1/09 C21D9/30 

Изобретение относится к способам лазерной переплавки металлических поверхностей. При этом речь идет о повышении износостойкости металлических поверхностей, в особенности кулачковых валов, применяемых для клапанного распределения в двигателях внутреннего сгорания. Отдельные кулачки, установленные на кулачковых валах, своим вращательным движением вызывают перемещение соответствующих толкателей, качающихся рычагов и т.п.

Обычно износостойкость рабочих поверхностей кулачков повышают путем переплавки. Для этой цели уже довольно давно известен так называемый способ ВИГ (способ вольфрам инертный газ). К недостаткам этого способа следует отнести, в частности относительно большие затраты времени и связанное с этим длительное время циклов.

Из патента ФРГ N 3916684 A 1 известна переплавка рабочих поверхностей рокеров для клапанного газораспределения с помощью прямоугольного лазерного луча. Здесь переплавляемые поверхности разделены по ширине на несколько отдельных зон, причем большая средняя зона переплавляется по времени раздельно от внешних краевых зон. Однако и в этом способе затраты времени все еще относительно велики.

Задачей данного изобретения является создание особо экономичногоспособа лазерной переплавки.

Оказалось, что при определенной установке параметров лазерного луча можно осуществить переплавку поверхности по всей ее ширине за одну операцию, причем не происходит никаких нежелательных явлений в краевых зонах обрабатываемой поверхности. В соответствии с этим поставленная задача в настоящем способе решается следующим образом.

Длина прямоугольника лазерного луча устанавливается примерно такой же, что и ширина поверхности изделия, причем ширина прямоугольника составляет приблизительно 1-3 мм. Лазерный луч имеет непосредственно над металлической поверхностью плотность мощности от 5х10⁴ до 10⁵ Вт/см². Кроме того, металлическая поверхность движется относительно и примерно поперек направления лазерного луча со скоростью 2 6,5 см/сек, предпочтительно 4 - 4,5 см/сек. С помощью настоящего способа можно экономично, т.е. с относительно коротким временем обработки, получать особо износостойкие поверхности.

Изделие, имеющее металлическую поверхность, в частности кулачковый вал, благоприятно предварительно подогревать перед лазерным переплавом до 360^o-420^oС, предпочтительно до около 420^oC. В результате происходит дальнейшее снижение продолжительности переплавки, а износостойкость по окончанию процесса в целом улучшается.

Качество краевых зон поверхности сильно зависит от глубины переплавки. Наиболее благоприятна переплавка поверхности до глубины 350 мкм. К указанному размеру прибавляется еще допуск в 200 мкм на шлифование поверхности, проводимое при необходимости после переплавки.

Изобретение поясняется чертежом, где показан один из нескольких кулачков 1, установленных на кулачковом валу 2. Рабочая поверхность кулачка 1 обозначена позицией 3. Для переплавки лазерный луччерез оптическую систему (не показана) фокусируют в виде прямоугольника 4, направленного на рабочую поверхность 3. На чертеже прямоугольник заштрихован только для наглядности. С целью переплавки всей рабочей поверхности кулачковый вал 2 приводится во вращение. Вследствие некруглой формы кулачка 1 оптика выполнена с возможностью регулирования, что обеспечивает постоянство или контролируемую установку расстояния до рабочей поверхности 3. Таким образом, в зоне прямоугольника 4 перемещающегося под ним кулачка 1 обеспечивается плотность мощности примерно от 5х10⁴ до 1х10⁵ Вт/см². Длина прямоугольника 4 соответствует ширине рабочей поверхности 3. Ширина прямоугольника 4 составляет приблизительно 1-3 мм. Для переплавки кулачковый вал 2 вращается с определенной скоростью, позволяющей получить на рабочей поверхности 3 скорость относительно прямоугольника 4 лазерного луча, равную 2-6,5 см/сек, предпочтительно 4-4,5 см/сек.

В другом варианте выполнения скорость металлической поверхности относительно лазерного луча также находится в указанных выше пределах, однако кулачковый вал 2 вращается не равномерно, а в зависимости от формы кулачка с различными угловыми скоростями на разных участках. Некруглая форма кулачка 1 обусловливает в области вершины 5 кулачка и примыкающих зон рабочей поверхности худший отвод тепла, поскольку переплавляемые поверхности расположены здесь напротив друг друга более плотно, чем, например на тупом конце 6. Поэтому для получения желаемой глубины переплавки, равной примерно 350 мкм, необходимо варьировать скорость вращения кулачкового вала.

Перед началом самого процесса переплавки кулачковый вал 2 предварительно нагревают примерно до 400^oC. После переплавки не требуется специально управляемого процесса охлаждения. Эффект охлаждения имеет место только за счет отвода тепла от рабочей поверхности 3 в направлении кулачкового вала 2.

Если после переплавки проводится шлифование рабочих поверхностей 3, то это необходимо учитывать при установке глубины переплавки, принимая во внимание скорость вращения кулачкового вала 2 и, при известных условиях, плотность мощности лазерного луча. Если шлифованием снимается максимально 200 мкм, то глубину переплавки следует устанавливать 550 мкм.

Кулачковый вал 2 выполнен из чугуна. Указанные выше параметры относятся, в частности к чугунам с обозначением GG25-GG30.

Использование: изобретение относится к способам лазерной обработки с переплавлением металлических поверхностей, в частности кулачковых валов для поршневых двигателей. Техническим результатом является сокращение длительности циклов и повышение экономичности. Сущность: поверхность кулачка обрабатывают лазерным лучом, сфокусированным в виде прямоугольника, причем длина луча простирается по всей ширине поверхности кулачка, а плотность мощности и относительная скорость регулируют для получения определенной глубины переплавки. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ поверхностной обработки металлических изделий, преимущественно поверхностей кулачка, включающий оплавление поверхности лазерным лучом, сфокусированным в виде прямоугольника, и перемещение обрабатываемой поверхности изделия относительно луча, отличающийся тем, что оплавление осуществляют лучом, сфокусированным в виде прямоугольника длиной, равной примерно ширине обрабатываемой поверхности и шириной 1 3 мм с плотностью мощности от 5 х 10⁴ до 1 х 10⁵ Вт/см², а перемещение поверхности относительно луча ведут со скоростью 2 6,5 см/с. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обрабатываемую поверхность кулачка перемещают со скоростью 4,0 4,5 см/с. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что поверхность кулачка перед оплавлением подвергают нагреву до 360 420^oС, предпочтительно около 400^oС. 4. Способ по одному из пп.1 3, отличающийся тем, что оплавление поверхности кулачка ведут на глубину примерно 350 мкм с допуском предпочтительно +200 мкм.