Способ лазерной обработки внутренних поверхностей отверстий

.Я 2 1 О 1/О 505 и этом фокусное системы задаетсти мощности па.верстия, Пкуси рующедля плотноения нных вне асстояние фо я выражением ающего излуч , = Р г ехр - г асти ла- ользоваутренних изделиях отающих тверстии матических элеь отверстия, способу упимся лазерсоосно с с помощьюоженных вне е техно- зволяет ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Куйбышевский филиал Физического института им, П.Н. Лебедева(54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОТВЕРСТИЙ(57) Изобретение относится к лазерной обработке и может быть использовано притермической обработке внутренних поверхностей малого диаметра в изделиях из инструментальных сталей, работающих наизнос. Цель изобретения - расширениетехнологических возможностей за счет обработки отверстий малого диаметра. Упрочнение глухих отверстий в стали У 10,прошедшей стандартную термообработкудиаметром 2 мм на глубину 2 мм, проводятрасходящимся лазерным пучком, падающим соосно обрабатываемому отверстию спомощью оптических элементов, располоИзобретение относится к обзерной обработки и может быть исно при термической обработке внповерхностей малого диаметра виз инструментальных сталей, рабна износ. Цель изобретения - расширенгических воэможностей, что и 1611946 А 1 гдец; плотность потока излучения на глубине 7 от края отверстия на его внутренней поверхности; я - координата упрочняемого участка внутренней поверхности отверстия при отсчете от верхней плоскости; 1 - фокусное расстояние линзы; Р - мощность потока излучения на верхней плоскости отверстия (г = О,= О); г - радиус обрабатываемого 3 отверстия; й - радиус пучка падающего излучения. Интервал плотностей составляет (12 - 24)х 10 Вт/см при мощности 12 10 Вт. Линза с фокусным расстоянием 48 мм установлена на высоте 528 мм от плоскости ф отверстия, Микротвердость в зоне упрочнения равна Ни= 920 кг/мм при первона 2 чальной величине Ни = 790 кгlмм,2 Использование способа обеспечивает возможность обработки внутренней поверхности отверстий малого диаметра и обработки глухих отверстий, 1 з.п. ф-лы, 1 ил. производить термообработку о лого диаметра без введения оп ментов во внутреннюю полостСогласно предлагаемому рочнение проводят расходящ ным пучком, падающим обрабатываемым отверстием оптических элементов, распоп отверстия.Кроме того, упрочнение производится в зафокальной плоскости системы, фокусное расстояние которой удовлетворяет следующей зависимости для плотности мощностипадающего излучения, 5 гМ=Р г ехр -К +к. (1) 10 где ц - плотность потока излучения на глубине Е от края отверстия на его внутренней поверхности;г в глуби упрочненной части отвер-. стия;1 - фокусное расстояние линзы;Р - мощность потока излучения на верхней плоскости отверстия (г = О, к = 0);г - радиус обрабатываемого отверстия; й - радиус пучка падающего излучения, Линзу устанавливают над отверстием, соосно с ним на высоте Н =1+, (2) 30 где 1 - фокусное расстояние линзы,а - апертура линзы;б - диаметр обрабатываемого отверЭто позволяет получить на обрабатываемой поверхности упрочненную зону в виде кольца, ширина которого зависит от параметров линзы, диаметра обрабатываемого отверстия и мощности лазерного источника. Поэтому упрочняющей обработке могут 40 подвергаться внутренние поверхности отверстий малцх диаметров, в которые невозможно поместить оптический элемент, а также глухие отверстия,Плотность потока излучения должна 45 обеспечивать повышение температуры до закалочной для данного металла на всей упрочняемой поверхности. Так как ее значение ц на обрабатываемой поверхности уменьшается пропорционально углу рассеяния, о и температура нагрева поверхности Т(х) меняется по ширине закаленной зонц: ат Ы аа Ыз)Зг. дк На нижней границе упрочненной зоны за температуру закалки следует и ринять А для дозвтектоидных и Ас 1 для зазвтектоидных сталей, Температура закалки на верхней границе упрочненной зоны не должна превышать температуру, соответствующую линии солидуса.Вследствие поступательного перемещения линзы вдоль оси распространения пучка лазерных лучей производится увеличение ширины упрочненной поверхности.На чертеже изображена схема фокусировки лазерного пучка в пространстве при упрочнении,Пучок лазерных лучей 1 фокусируется короткофокусной линзой 2 на внутреннюю поверхность 3 отверстия. Линза 1 с фокусным расстоянием т устанавливается на высоте Н от плоскости обрабатываемого отверстия. Пучок лазерных лучей 1 поглощается внутренней поверхностью 3, в результате происходит образование закаленной зоны шириной г,Проводят лазерную обработку внутренней поверхности отверстий диаметром 2 мм на глубину 2 мм, Отверстия просверлены в вырубном штампе, изготовленном из стали У 10, прошедшей стандартную термообработку, Н КС 58 - 60. Лазерную обработку осуществляют на технологической установке с максимальной энергией в импульсе 60 Дж и длительностью импульса 5 мс,Опытным путем на образцах подбирают режим обработки, при котором нч поверхности достигается диапазон плотностей потока излучения, соответствующий указанному диапазону температур. Соответствие плотности потока излучения и температуры устанавливается по цвету побежалости пятна нагрева. Интервал плотностей потока излучения составляет(24 - 12) 10 Вт/см при мощности 12 10 Вт (коэффициент поглозщения К=0,77),Расчет фокусного расстояния линзы проводят по формуле (1) для г 1 = О. Здесь максимальная плотность потока излучения, поэтому считают, что о 1 = 24 10 Вт/см . Это значение достигается на поверхности при использовании линзы с фокусным расстоянием 48 мм, установленной на высоте Н = 52,8 мм, вычисленной согласно (2). На глубине г, 0 значения плотности потока излучения уменьшаются. На глубине гг = 2 мм (заданная глубина обработки) нужно иметь ог12 10 Вт/см, Согласно расчету, используя для фокусировки лазерного пучка линзу с 1 = 48 мм, установленную на высоте 52,8 мм от плотности отверстия для гг = 2 мм, имеют ог = 12 10 Вт/см.Воздействие лазерного излучения в таком режиме на внутреннюю поверхность отверстий вызывает значительное увеличениемикротвердости в зоне термического влияния. Выполненные измерения показывают увеличение значений Н р с 790 до 920 кг/мм на всем протяжении зоны обработки. Показания микротвердости свидетельствуют о том, что на внутренней поверхности отверстия в результате лазерного воздействия образуется упрочненная зона в виде кольца, ширина которого равна 2 мм.Использование предлагаемого способа обеспечивает возможность обработки внутренней поверхности отверстий малого диаметра, глухих отверстий и простоту и надежность реализации. Формула изобретения 1. Способ лазерной обработки внутренних поверхностей отверстий, включающий упрочнение приповерхностного слоя с помощью фокусирующей системы, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения технологических возможностей за счет обработки отверстий малого диаметра, упрочнение проводят расфокусированным пучком лазерного излучения, падающим соосно с обрабатываемым отверстием, а фокусирующую систему располагают вне отверстия.2, Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я 5 тем, что упрочнение производят за фокусом фокусирующей системы, а параметры упрочнения выбирают по соотношениюХ 10 цг =Р г ехр - где ц - плотность потока излучения на глубине Е от края отверстия на его внутренней поверхности;Р - мощность потока излучения на верхней плоскости отверстия (г = О, 2 = О); г - радиус обрабатываемого отверстия; 1 - фокусное расстояние линзы; й = радиус пучка падающего излучения; 25- координата упрочняемого отверстияпри отсчете от верхней плоскости.