专利名称：一种棍铣刀的激光熔覆方法
技术领域：
一种采用激光对棍铣刀刀坯基体的螺旋刃带进行熔覆的方法，属于激光加工技术领域。
背景技术：
铣刀是机械加工行业常用的一种多刃刀具，由于同时参加切削的刃带多，刀刃长，并能采用较高的切削速度，故生产率高，在机械加工中取得了广泛的应用。近年来，随着数控机床和专用铣床的普及，铣刀(特别是立铣刀)的数量也越来越多(仅次于车刀和钻头)，显示出铣削加工在金属加工中的重要性。由于刀具的刃尖易磨损，因此属于易耗品，使用量极大。
铣刀的规格品种很多，按其刀齿结构可分为尖齿铣刀和铲齿铣刀。立铣刀是尖齿铣刀的一种，它用于铣削台阶面、侧面、沟槽凹槽、工件上各种形状的孔及内外曲线表面等。根据一次可加工的范围大小，立铣刀可分为两类，一类是小加工范围的立铣刀，称为“棍铣刀”，整个刀具由高速钢制成，铣削用的刃口是由沿铣刀柱面加工出的螺旋刃带经磨削而成；另一类是大加工范围的立铣刀，称为“盘铣刀”。本专利涉及的是“棍铣刀”，它的外形如图5所示。
常用的棍铣刀一般为高速钢制成，而工作刃面仅是螺旋刃带，螺旋刃带磨损后就必须进行修磨，因此刀具的制造成本高，刀具材料浪费大。如果采用激光熔覆方法，在普通钢材棍铣刀刀坯基体的螺旋刃带上熔覆硬质金属材料，则可以大大降低制造成本，避免高速钢材料的浪费，局部磨损后还可以投入再使用。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中存在的问题，在带有螺旋刃带的棍铣刀钢基坯体的螺旋刃带顶面用激光熔覆硬质金属材料，制得具有耐磨性好、成本低的棍铣刀的方法。
为实现本发明所述目的，本发明针对棍铣刀切削刃带为螺旋刃带的特点，采用数控转台的旋转运动与机器手的直线运动复合成为与待加工的棍铣刀螺旋刃带轨迹完全吻合的螺旋运动的方式，对夹持在数控转台中的棍铣刀钢基坯体实施激光熔覆工艺，最后修磨成形，制得成品棍铣刀，所述方法包括以下步骤(1)、熔覆前棍铣刀钢基坯体的安装参照图2所示，棍铣刀钢基坯体4所使用的材质为45钢或40Cr钢，外径为10-100mm，带有预制的三条螺旋刃带，螺旋刃带顶面宽度为1-10mm；采用现有的数控转台1，并按常规方式把棍铣刀钢基坯体4通过套筒3固定在数控转台1的三爪卡盘2上；(2)、熔覆前激光熔覆系统和送粉系统的安装参照图1所示，将现有激光头7按通用方式固定在机器手6上并使其垂直于数控转台水平面，机器手6控制激光头7的移动，使其发出的激光束5垂直照射在棍铣刀钢基坯体4的一条螺旋刃带最顶部的中心，形成光斑13；参照图1所示，将现有送粉头9、送粉管10，送粉器11按常规方式依次连接，组成送粉系统，并将送粉头9通过三维调节支架8按通用方式固定在激光头7上，激光头7在机器手6的控制下，通过三维调节支架8带动送粉头9沿着棍铣刀钢基坯体4的轴线移动，送粉器11中的金属粉末通过送粉管10进入送粉头9，调节三维调节支架8使送粉头9喷出的金属粉末流的轴线与棍铣刀钢基坯体4的螺旋刃带的光斑13中心点处的切线成45度角并且在同一个垂直面上，使喷出的金属粉末正好落在光斑13内；(3)、熔覆前数控转台1和机器手6的速度关系调节为使激光束5与钢基坯体4的一条螺旋刃带的接触点的运动轨迹是一条与这条螺旋刃带完全吻合的空间螺旋线，调节数控转台1的角速度ω和机器手6的移动速度v之间的比例关系为tgθvωr,]]>其中θ为钢基坯体4螺旋刃带的螺旋升角，r为钢基坯体4的半径；这样就能保证激光头7在机器手6的带动下，沿着棍铣刀钢基坯体4轴线移动的过程中，发出的激光束5能始终照射在棍铣刀钢基坯体4的一条螺旋刃带最顶部的中心处，形成光斑13，送粉头9喷出的金属粉末也能始终落在光斑13内；(4)、完成上述步骤后，即可开始进行激光熔覆首先，转动棍铣刀钢基坯体4，使光斑13落在棍铣刀钢基坯体4的一条螺旋刃带的最顶部的中心处；开启送粉器11送粉同时启动激光头7发射出功率在700--1500W的激光束，其中送粉头9的送粉动作通过数控系统和机器手与激光头7发射激光束5的动作同步进行；同时，通过数控系统同步启动数控转台1和机器手6，开始对棍铣刀钢基坯体4的一条螺旋刃带进行激光熔覆过程，从送粉头9喷出的金属粉末准确送入待熔覆的螺旋刃带顶面的光斑13内，并在激光束5的作用下连续熔覆在钢基坯体4螺旋刃带顶面上；(5)、采用上述步骤重复进行另外几条螺旋刃带的熔覆；(6)、熔覆完毕，制得棍铣刀半成品，如图6所示，按常规工艺修磨棍铣刀半成品的螺旋刃带，并修正成为成品棍铣刀，如图7所示。
本发明的棍铣刀激光熔覆方法可以在无预热条件也可以在低温预热条件下进行，从送粉头9喷出的金属粉末流量为7-20g/min，进入保护气入口12的气流量为4-15L/min；激光头7发射出的激光束功率为700--1500W，数控转台1的转动角速度为720°-3600°/分钟。
使用本专利制造的棍铣刀，性能符合GB/T12204.3-90国家标准。
图1本发明的棍铣刀的激光熔覆法示意中4、棍铣刀钢基坯体5、激光束7、激光头8、三维调节支架9、送粉头10、送粉管11、送粉器12、保护气入口13、光斑；图2本发明采用的数控转台装置示意中1、数控转台2、三爪卡盘3、套筒4、棍铣刀钢基坯体5、激光束6、机器手；图3本发明采用的数控转台控制关系图；图4(a)本发明实施例的棍铣刀激光熔覆部位示意图；(b)本发明实施例的熔覆部位及熔覆层放大示意图；图5现有普通棍铣刀参考示意图；图6本发明激光熔覆后的棍铣刀半成品参考示意图；图7本发明激光熔覆后的棍铣刀成品参考示意图。
具体实施例方式
首先按常规机械制造工艺制得棍铣刀钢基坯体4，然后按照前述发明内容中本发明的棍铣刀的激光熔覆方法步骤(1)-(6)对棍铣刀钢基坯体4实施激光熔覆；本实施例的棍铣刀钢基坯体4所使用的材质为45钢或40Cr钢，直径为19mm，带有预制的三条螺旋刃带，螺旋刃带顶面宽度为1.5mm；棍铣刀钢基坯体4和套筒3的定位是通过具有相同锥度的锥面实现的；本实施例的激光头7采用2.5kW YAG固体激光器，采用单层单道熔覆工艺，使用直径200mm的聚焦镜，离焦量为+10--+40mm，发射出激光束的功率为700--1500W；本发明实施例的数控转台1用交流伺服电机驱动，额定功率750W，数控单元使用KND100型控制系统，数控转台1的角速度设置在720°/分钟，分度精度为30″；本实施例采用的送粉头9，使用的是本申请人的已授权专利产品，专利号98207175.2，这种送粉头对金属粉末有很好的自聚束功能，使从送粉头喷出的金属粉末流具有好的挺度、指向性及稳定性。
权利要求
1.一种棍铣刀的激光熔覆方法，本发明的特征在于在带有螺旋刃带的普通棍铣刀钢基坯体上用激光熔覆一层硬质金属材料，形成具有硬质金属层螺旋刃带的棍铣刀，所述方法包括以下步骤(1)、熔覆前棍铣刀钢基坯体的安装采用现有的数控转台(1)，按常规机械连接方式把棍铣刀钢基坯体(4)通过套筒(3)固定在数控转台(1)的三爪卡盘(2)上；(2)、熔覆前激光熔覆系统和送粉系统的安装将现有的激光头(7)、机器手(6)组成激光熔覆系统，其中激光头(7)按通用方式安装在机器手(6)上并垂直于数控转台水平面，机器手(6)控制激光头(7)的移动，使其发出的激光束(5)垂直照射在棍铣刀钢基坯体(4)的一条螺旋刃带最顶部的中心部位，形成光斑(13)；将现有送粉头(9)、三维调节支架(8)、送粉管(10)和送粉器(11)组成送粉系统，其中送粉头(9)通过三维调节支架(8)按常规方式固定在激光头(7)上，激光头(7)在机器手(6)的控制下，通过三维调节支架(8)带动送粉头(9)沿着棍铣刀钢基坯体(4)的轴线方向移动，送粉器(11)中的金属粉末通过送粉管(10)进入送粉头(9)，调整三维调节支架(8)，使从送粉头(9)喷出的金属粉末流的轴线与棍铣刀钢基坯体(4)的螺旋刃带的光斑(13)中心点处的切线成45度角并且在同一个垂直面上，使喷出的金属粉末正好落在光斑(13)内；(3)、熔覆前数控转台(1)和机器手(6)的速度关系调节为使光束(5)与钢基坯体(4)的一条螺旋刃带的接触点的运动轨迹是一条与这条螺旋刃带完全吻合的空间螺旋线，调节数控转台(1)的角速度ω和机器手(6)的移动速度ν之间的比例关系为tgθ=vωr,]]>其中θ为钢基坯体(4)螺旋刃带的螺旋升角，r为钢基坯体(4)的半径；(4)、完成上述步骤后，即可开始进行激光熔覆首先，转动棍铣刀钢基坯体(4)，使光斑(13)落在棍铣刀钢基坯体(4)的一条螺旋刃带的最顶部的中心处，然后开启送粉器(11)送粉同时启动激光头(7)发射出功率在700--1500W的激光束，送粉头(9)的送粉动作通过数控系统和机器手系统与激光头(7)发射激光束的动作同步进行；同时，同步启动数控转台(1)和机器手(6)，开始对棍铣刀钢基坯体(4)的一条螺旋刃带进行激光熔覆，从送粉头(9)喷出的金属粉末准确送入待熔覆的螺旋刃带顶面的光斑(13)内，并在激光束(5)的作用下连续熔覆在钢基坯体(4)螺旋刃带顶面上；(5)、采用上述步骤重复进行另外几条螺旋刃带的熔覆；(6)、熔覆完毕，制得棍铣刀半成品，按常规工艺磨削棍铣刀半成品的螺旋刃带，并修正成为成品棍铣刀；
2.根据权利要求1所述的棍铣刀激光熔覆方法，其特征在于，它可以在无预热条件也可以在低温预热条件下进行，所述棍铣刀钢基坯体(4)所使用的材质为45钢或40Cr钢，外径为10-100mm，带有预制的三条螺旋刃带，螺旋刃带顶面宽度为1-10mm；
3.根据权利要求1所述的棍铣刀激光熔覆方法，其特征在于，送粉头(9)喷出的金属粉末流量为7-20g/min，进入保护气入口(12)的气流量为4-15L/min，激光头(7)发射出的激光束功率为700--1500W，数控转台(1)的转动角速度为720°-3600°/分钟。
全文摘要
一种棍铣刀的激光熔覆方法，提供一种利用同步送粉工艺在带有螺旋刃带的普通棍铣刀刀坯基体的螺旋刃带顶面用激光熔覆一层硬质金属材料，形成具有硬质金属层的螺旋刃带的棍铣刀的方法，本发明针对棍铣刀的切削刃带为螺旋刃带的特点，采用数控转台的旋转运动与机器手的直线运动复合成为与待加工的棍铣刀螺旋刃带轨迹完全吻合的螺旋运动的方式，对夹持在数控转台中的带有螺旋刃带的棍铣刀钢基坯体实施激光熔覆工艺，最后按照高速钢棍铣刀的标准对激光熔覆立铣刀半成品的螺旋刃带和锥柄进行修磨后，即为激光熔覆立铣刀成品，本发明制得的棍铣刀性能符合GB/T12204.3－90国家标准。
文档编号B23K26/00GK1546272SQ20031012148
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月18日 优先权日2003年12月18日
发明者陈铠, 肖荣诗, 左铁钏, 陈 铠 申请人:北京工业大学