Лазерное излучение обладает рядом уникальных свойств: высокой плотностью энергии, возможностью точного дозирования и локализации воздействия, а также способностью формировать нагрев и охлаждение поверхностных слоёв с экстремально высокими скоростями. Эти свойства позволяют реализовать широкий спектр технологических процессов — от поверхностного упрочнения и наплавки до микроструктурирования и прецизионной заточки.
Рассмотрены методы лазерной закалки, наплавки, легирования, текстурирования, заточки, абляционной очистки и маркировки, а также комбинированные технологии.
Актуальность этих видов обработки обусловлена тем, что лазерные методы обработки позволяют существенно — в 1,5–5 раз — повысить стойкость режущего инструмента при относительно невысоких затратах, минимальных деформациях обрабатываемых изделий и высокой экологичности процесса. Кроме того, лазерные технологии легко поддаются автоматизации и интеграции в существующие производственные линии, что делает их экономически привлекательными для серийного и массового производства.
Рисунок 1 – режущий инструмент в работе
1. Лазерная закалка режущих инструментов
Лазерная закалка (лазерное термоупрочнение) является одним из наиболее широко применяемых видов лазерной обработки режущих инструментов. Суть метода заключается в быстром нагреве поверхностного слоя инструмента лазерным излучением выше температуры фазовых превращений (для сталей — выше точки Ac₃) с последующим охлаждением за счёт теплоотвода в объём материала. Такой процесс, называемый самозакалкой, не требует применения внешних охлаждающих сред.
В результате лазерной закалки формируется поверхностный слой мелкодисперсного мартенсита с твёрдостью, превышающей твёрдость после объёмной закалки на 2–5 HRC. Глубина упрочнённого слоя составляет 0,1–1,5 мм в зависимости от параметров обработки и теплофизических свойств материала. Мелкозернистая мартенситная структура обеспечивает повышенную износостойкость и сопротивление контактным нагрузкам.
Лазерная закалка особенно эффективна для инструментов из быстрорежущих сталей (Р6М5, Р18, Р9 и др.) и инструментальных сталей типа ХВГ, У8А, 9ХС. Для быстрорежущих сталей лазерное воздействие приводит к дополнительному растворению карбидов в аустените и повышению степени легированности мартенсита, что увеличивает теплостойкость инструмента. Стойкость лазерно-закалённых свёрл и фрез из стали Р6М5 повышается в 1,5–3 раза по сравнению с инструментом, прошедшим только стандартную термическую обработку.
К достоинствам лазерной закалки относятся: минимальные деформации изделия вследствие локального характера нагрева; отсутствие необходимости в закалочных средах; возможность селективной обработки отдельных участков (режущих кромок, направляющих поверхностей); высокая производительность процесса — скорость обработки достигает 10–50 мм/с при ширине дорожки упрочнения 2–10 мм.
Ограничениями метода являются: невозможность упрочнения материалов, не претерпевающих фазовых превращений (твёрдые сплавы, керамика); формирование зоны отпуска между упрочнёнными дорожками при перекрытии проходов; необходимость тщательного подбора режимов во избежание оплавления поверхности. Тем не менее при грамотном применении лазерная закалка остаётся одним из наиболее доступных и эффективных методов повышения стойкости стального режущего инструмента.
Промышленное применение лазерной закалки режущих инструментов реализовано на предприятиях автомобильной, авиационной и общемашиностроительной промышленности. Для обработки крупногабаритного инструмента (протяжек, долбяков, шеверов) используются мощные CO₂-лазеры и диодные лазеры мощностью 1–6 кВт, обеспечивающие высокую равномерность нагрева по ширине зоны обработки.
2. Лазерная наплавка износостойких покрытий
Лазерная наплавка (лазерное плакирование, laser cladding) представляет собой процесс нанесения на поверхность инструмента слоя материала с улучшенными свойствами путём его плавления лазерным излучением одновременно с подложкой. В качестве наплавляемых материалов используются порошки на основе кобальта (стеллиты), никеля (инконели, колмонои), карбидов вольфрама, а также износостойкие композиции на основе железа.
Процесс лазерной наплавки реализуется двумя основными способами: предварительным нанесением порошка на поверхность с последующим оплавлением лазерным лучом (двухступенчатый метод) и подачей порошка непосредственно в зону воздействия лазерного луча через коаксиальную или боковую форсунку (одноступенчатый метод). Одноступенчатый метод обеспечивает более высокое качество наплавки и лучшую воспроизводимость процесса.
Основные преимущества лазерной наплавки перед традиционными методами (плазменной наплавкой, электродуговой наплавкой) заключаются в минимальном перемешивании наплавленного слоя с материалом подложки (степень перемешивания менее 5%), малой зоне термического влияния, высокой плотности и отсутствии пористости наплавленного покрытия. Это позволяет получать покрытия с высокими функциональными характеристиками уже в первом слое, без необходимости многослойной наплавки.
Применительно к режущим инструментам лазерная наплавка используется для восстановления изношенных поверхностей крупногабаритного инструмента (протяжки, зуборезные фрезы, штампы), нанесения износостойких покрытий на режущие кромки и направляющие поверхности, а также для создания инструмента с градиентными свойствами — твёрдая износостойкая рабочая часть и вязкая ударопрочная основа.
Твёрдость наплавленных покрытий на основе стеллитов достигает 55–62 HRC, а покрытий с добавлением карбида вольфрама — 65–72 HRC. Стойкость режущего инструмента с лазерно-наплавленными покрытиями повышается в 2–5 раз по сравнению с исходным состоянием. При этом возможно восстановление дорогостоящего инструмента, стоимость которого может быть значительно снижена по сравнению с изготовлением нового.
Современные системы лазерной наплавки оснащены многоосевыми роботизированными манипуляторами и системами автоматического регулирования, что позволяет наплавлять покрытия на сложнопрофильные поверхности — винтовые канавки свёрл, зубья фрез и шестерён, профильные поверхности фасонного инструмента.
Рисунок 2 – процесс лазерной наплавки
3. Лазерное легирование поверхности
Лазерное легирование — процесс введения легирующих элементов в поверхностный слой материала путём совместного плавления предварительно нанесённой обмазки или порошка и тонкого поверхностного слоя подложки под действием лазерного излучения. В отличие от лазерной наплавки, при легировании происходит полное перемешивание вводимых элементов с материалом основы, что обеспечивает формирование однородного модифицированного слоя с плавным градиентом свойств по глубине.
Рисунок 3 – схема лазерного легирования
В качестве легирующих элементов при обработке режущих инструментов используются: хром, вольфрам, молибден, ванадий, титан, ниобий — для повышения твёрдости и теплостойкости; бор и азот — для формирования боридных и нитридных фаз; углерод — для повышения содержания карбидов; кремний — для повышения окалиностойкости. Легирующие вещества могут наноситься в виде паст, суспензий, гальванических покрытий или подаваться в виде порошков в зону лазерного воздействия.
Глубина легированного слоя составляет 0,1–0,8 мм. Твёрдость поверхности после лазерного легирования может достигать 68–72 HRC для инструментальных сталей. Формирование пересыщенных твёрдых растворов и дисперсных карбидных, боридных и нитридных включений обеспечивает значительное повышение износостойкости и теплостойкости поверхностного слоя инструмента.
Лазерное борирование быстрорежущих сталей позволяет повысить микротвёрдость поверхности до 18–22 ГПа и увеличить стойкость инструмента в 2–4 раза. Лазерное азотирование с использованием азотсодержащих газовых сред формирует на поверхности слой нитридов толщиной до 50 мкм с микротвёрдостью до 16 ГПа, что особенно эффективно для повышения стойкости инструмента при обработке нержавеющих и жаропрочных сталей.
К преимуществам лазерного легирования относятся возможность направленного формирования состава и структуры поверхностного слоя, высокая адгезия модифицированного слоя к основе (в отличие от покрытий), отсутствие границы раздела «покрытие — подложка» как потенциального источника разрушения. Ограничениями являются неравномерность перемешивания при неоптимальных режимах и повышенная шероховатость поверхности, требующая дополнительной финишной обработки.
4. Лазерное текстурирование поверхности инструмента
Лазерное текстурирование представляет собой создание на рабочих поверхностях инструмента регулярного микрорельефа заданной геометрии с помощью импульсного лазерного излучения. Формируемые элементы текстуры — микролунки, канавки, выступы — имеют характерные размеры от единиц до сотен микрометров и могут располагаться на передней и задней поверхностях режущего инструмента в соответствии с определённым рисунком.
Физический смысл текстурирования заключается в управлении трибологическими условиями на контактных поверхностях инструмента. Микролунки служат резервуарами для смазочно-охлаждающей жидкости, обеспечивая её удержание в зоне контакта при высоких давлениях и скоростях скольжения. Кроме того, они выполняют функцию ловушек для продуктов износа, предотвращая абразивное изнашивание. Регулярные канавки способствуют направленному отводу стружки и снижению температуры в зоне резания.
Рисунок 4 – поверхность с нанесённой лазером текстурой
Исследования показывают, что оптимальная плотность текстуры (отношение площади лунок к общей площади поверхности) составляет 5–15% для большинства условий обработки. Глубина лунок обычно выбирается в диапазоне 5–30 мкм, а их диаметр — 30–200 мкм. Расположение текстуры на определённом расстоянии от режущей кромки (200–500 мкм) позволяет избежать ослабления лезвия при одновременном получении максимального трибологического эффекта.
Для лазерного текстурирования инструмента из твёрдых сплавов и керамики применяются импульсные лазеры с длительностью импульса от наносекунд до фемтосекунд. Ультракороткие (пико- и фемтосекундные) лазерные импульсы обеспечивают «холодную» абляцию — удаление материала без значительного теплового воздействия на окружающую зону, что исключает образование трещин и термических повреждений.
Экспериментальные данные свидетельствуют о снижении коэффициента трения на текстурированных поверхностях на 20–40% и повышении стойкости инструмента на 30–100% в зависимости от условий обработки. Метод особенно эффективен при токарной обработке алюминиевых и титановых сплавов, где адгезионный износ является доминирующим механизмом выхода инструмента из строя.
5. Лазерная заточка и профилирование режущих кромок
Лазерная заточка — это процесс формирования режущей кромки инструмента путём контролируемого удаления материала лазерным лучом. В отличие от механической заточки (абразивной, алмазной), лазерная заточка позволяет формировать кромку без механических нагрузок, что особенно важно для инструмента из хрупких материалов — керамики, кубического нитрида бора (КНБ), поликристаллического алмаза (ПКА).
Процесс лазерной заточки реализуется путём послойного испарения материала с формированием требуемого профиля режущей кромки. Используются импульсные лазеры с высокой частотой следования импульсов (10–100 кГц), обеспечивающие точность формирования профиля до 1–5 мкм. Радиус скругления режущей кромки после лазерной заточки может составлять 2–10 мкм, что сопоставимо или лучше результатов алмазной заточки.
Лазерная заточка инструмента из поликристаллического алмаза является одним из наиболее востребованных промышленных применений данной технологии. Алмазный инструмент крайне сложно затачивать механическими методами из-за высокой твёрдости материала: процесс занимает длительное время и сопровождается высоким износом абразива. Лазерная заточка ПКА-инструмента выполняется в 3–10 раз быстрее при сопоставимом качестве кромки.
Рисунок 5 – лазерное профилирование режущих кромок
Помимо собственно заточки, лазер используется для профилирования сложнопрофильного инструмента. Технология лазерной абляции позволяет формировать стружколомающие канавки, фаски, радиусные переходы и другие конструктивные элементы на режущей пластине с высокой точностью и воспроизводимостью. Это особенно актуально для малоразмерного инструмента (микросвёрл, микрофрез), где механическое формирование профиля затруднено.
Качество поверхности после лазерной заточки характеризуется шероховатостью Ra = 0,1–0,5 мкм, что в ряде случаев не требует дополнительной финишной обработки. При использовании фемтосекундных лазеров шероховатость может быть снижена до Ra = 0,05 мкм, что обеспечивает зеркальное качество поверхности режущего клина.
6. Лазерная абляционная очистка инструмента
Лазерная очистка (лазерная абляция загрязнений) представляет собой процесс удаления с поверхности инструмента нежелательных слоёв — оксидов, нагаров, остатков покрытий, продуктов износа — путём воздействия импульсного лазерного излучения. Энергия лазерного импульса вызывает мгновенное испарение загрязняющего слоя без повреждения основного материала инструмента.
Основные области применения лазерной очистки режущих инструментов включают: подготовку поверхности перед нанесением покрытий методами PVD или CVD (удаление оксидных плёнок, органических загрязнений); удаление изношенных или повреждённых покрытий перед перенанесением (так называемый деликатный стриппинг); очистку инструмента от налипшего материала заготовки (наростов, адгезионных слоёв) при эксплуатации.
Преимущества лазерной очистки перед химическими и механическими методами заключаются в отсутствии контакта с обрабатываемой поверхностью, исключении использования агрессивных химических реактивов, экологической безопасности, высокой селективности (можно удалить покрытие, не повреждая подложку) и возможности автоматизации процесса.
Для очистки инструмента применяются импульсные лазеры с длительностью импульса 10–100 нс, частотой следования 10–100 кГц и средней мощностью 20–200 Вт. Скорость очистки составляет 1–10 м²/ч в зависимости от толщины удаляемого слоя. Процесс легко интегрируется в автоматизированные линии переточки и регенерации режущего инструмента.
7. Лазерная маркировка режущих инструментов
Лазерная маркировка является широко распространённым методом нанесения на поверхность режущих инструментов идентификационной и технологической информации: серийных номеров, логотипов производителя, обозначений геометрических параметров, QR-кодов для отслеживания в цифровых системах управления инструментальным хозяйством.
В отличие от механической гравировки, лазерная маркировка не создаёт концентраторов напряжений и не ослабляет рабочие поверхности инструмента. Глубина маркировки обычно составляет 5–50 мкм, что достаточно для устойчивой читаемости при минимальном воздействии на прочностные характеристики. Разрешение лазерной маркировки достигает 10–20 мкм, что позволяет наносить мелкие элементы и двумерные штрихкоды на инструмент малых размеров.
Для маркировки инструмента из различных материалов (быстрорежущие стали, твёрдые сплавы, керамика, сверхтвёрдые материалы) применяются волоконные и твердотельные лазеры с длиной волны 1,06 мкм, а также ультрафиолетовые лазеры (355 нм) для маркировки без значительного термического воздействия. Производительность маркировки составляет 100–1000 знаков в секунду, что обеспечивает высокую пропускную способность на поточных линиях.
Интеграция лазерной маркировки с системами прослеживаемости инструмента (tool management systems) позволяет осуществлять полный контроль жизненного цикла инструмента: от производства через стадии эксплуатации и переточки до утилизации. Это является важным элементом концепции «Индустрия 4.0» и цифрового производства.
8. Комбинированные методы лазерной обработки
Наибольший эффект повышения стойкости режущих инструментов достигается при использовании комбинированных (гибридных) методов обработки, сочетающих лазерное воздействие с другими технологиями упрочнения. Рассмотрим наиболее перспективные комбинации.
Лазерная закалка + нанесение PVD-покрытий. Предварительная лазерная закалка поверхности инструмента перед нанесением износостойкого покрытия (TiN, TiAlN, CrAlN) обеспечивает повышенную несущую способность подложки. Твёрдый закалённый подслой препятствует пластической деформации под покрытием при высоких контактных нагрузках, что предотвращает преждевременное растрескивание и отслаивание тонкой плёнки. Стойкость инструмента при такой комбинированной обработке повышается на 50–120% по сравнению с инструментом, имеющим только PVD-покрытие.
Рисунок 6 – PVD напыление на режущие инструменты
Лазерное текстурирование + нанесение покрытий. Нанесение PVD-покрытия на предварительно текстурированную поверхность позволяет повысить адгезию покрытия к подложке за счёт увеличения площади контакта и механического «заякоривания» плёнки в микролунках. Кроме того, микрорельеф под покрытием сохраняет свои трибологические функции — удержание смазки и накопление продуктов износа.
Лазерно-ассистированная обработка (LAM). Данный метод предполагает локальный нагрев обрабатываемого материала лазерным лучом непосредственно перед зоной резания. Нагрев до 300–800 °C существенно снижает предел прочности и твёрдость труднообрабатываемых материалов (жаропрочных никелевых сплавов, закалённых сталей, технической керамики), что позволяет производить их механическую обработку с повышенными режимами резания при одновременном увеличении стойкости инструмента в 3–10 раз.
Лазерная наплавка + лазерная закалка. Последовательное применение наплавки и закалки позволяет сначала нанести на инструмент слой с оптимальным химическим составом, а затем дополнительно упрочнить его за счёт закалки. Такая комбинация обеспечивает максимальную твёрдость и износостойкость рабочей поверхности при сохранении высокой вязкости основы инструмента.
Разработка и внедрение комбинированных лазерных технологий является одним из магистральных направлений развития инструментального производства. Их применение позволяет создавать инструменты с принципиально новым уровнем эксплуатационных свойств, обеспечивая конкурентные преимущества на мировом рынке.
9. Сравнительный анализ методов лазерной обработки
Для систематизации рассмотренных методов лазерной обработки режущих инструментов представим их сравнительные характеристики в табличной форме, а также обозначим области преимущественного применения каждого метода.
| Метод обработки | Глубина воздействия | Достигаемый эффект | Повышение стойкости | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| Лазерная закалка | 0,1–1,5 мм | Мартенситное упрочнение, HRC +2–5 | 1,5–3 раза | Инструмент из быстрорежущих и инструментальных сталей |
| Лазерная наплавка | 0,3–3 мм | Износостойкое покрытие, 55–72 HRC | 2–5 раз | Восстановление и упрочнение крупного инструмента |
| Лазерное легирование | 0,1–0,8 мм | Модифицированный слой, до 72 HRC | 2–4 раза | Стальной инструмент, повышение теплостойкости |
| Лазерное текстурирование | 5–30 мкм | Снижение трения на 20–40% | 1,3–2 раза | Твёрдосплавный и керамический инструмент |
| Лазерная заточка | 5–50 мкм (съём) | Острая кромка, Ra 0,1–0,5 мкм | — | ПКА, КНБ, керамический инструмент |
| Лазерная очистка | 5–50 мкм (съём) | Чистая поверхность | — | Подготовка к покрытию, регенерация |
| Лазерная маркировка | 5–50 мкм | Идентификация, прослеживаемость | — | Все виды инструмента |
Как видно из таблицы, каждый метод лазерной обработки имеет свою область рационального применения. Выбор конкретного метода определяется материалом инструмента, условиями его эксплуатации, экономическими критериями и требуемым уровнем повышения стойкости. В ряде случаев наибольший эффект достигается при комбинировании нескольких методов.
Заключение
Лазерные технологии обработки режущих инструментов представляют собой динамично развивающуюся область современной технологии машиностроения. Высокая плотность энергии, локальность воздействия и возможность прецизионного управления параметрами процесса делают лазер универсальным и высокоэффективным инструментом для модификации поверхностных свойств режущих инструментов.
Рассмотренные в статье методы — лазерная закалка, наплавка, легирование, текстурирование, заточка, абляционная очистка и маркировка — охватывают практически весь жизненный цикл режущего инструмента: от изготовления и упрочнения до эксплуатации, регенерации и утилизации. Каждый метод обладает своими преимуществами и ограничениями, и рациональный выбор технологии определяется конкретными производственными задачами.
Перспективными направлениями развития лазерных технологий обработки инструмента являются: применение ультракоротких (пико- и фемтосекундных) лазерных импульсов для прецизионного микро- и наноструктурирования поверхности; разработка комбинированных технологий, сочетающих несколько видов лазерного и нелазерного воздействия; создание «интеллектуальных» лазерных систем с адаптивным управлением процессом на основе искусственного интеллекта; развитие аддитивных лазерных технологий для изготовления инструмента сложной геометрии.
Промышленное внедрение лазерных технологий обработки инструмента продолжает расширяться. По прогнозам аналитиков, объём мирового рынка лазерных систем для обработки инструмента будет устойчиво расти в ближайшие десятилетия, что свидетельствует о высокой востребованности и экономической эффективности данных технологий. Дальнейшие исследования в этой области должны быть направлены на оптимизацию режимов обработки, расширение номенклатуры обрабатываемых материалов и повышение производительности лазерных технологических процессов.
Автор: Майский К. К. ООО «ОКБ «БУЛАТ»
Список литературы
1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: учебное пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. — 664 с.
2. Коваленко В.С., Головко Л.Ф., Черненко В.С. Упрочнение и легирование деталей машин лучом лазера. — Киев: Техніка, 1990. — 192 с.
3. Вейко В.П., Петров А.А. Опорный конспект лекций по курсу «Лазерные технологии». — СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. — 143 с.
4. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. — М.: Машиностроение, 1989. — 304 с.
5. Девойно О.Г., Кардаполова М.А., Луцко Н.И. Технология лазерной обработки: учебное пособие. — Минск: БНТУ, 2010. — 202 с.
6. Steen W.M., Mazumder J. Laser Material Processing. — 4th ed. — London: Springer, 2010. — 558 p.
7. Ion J.C. Laser Processing of Engineering Materials: Principles, Procedure and Industrial Application. — Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005. — 556 p.
8. Bruzzone A.A.G., Costa H.L., Lonardo P.M., Lucca D.A. Advances in engineered surfaces for functional performance // CIRP Annals. — 2008. — Vol. 57, No. 2. — P. 750–769.
9. Sugihara T., Enomoto T. Development of a cutting tool with a nano/micro-textured surface — Improvement of anti-adhesive effect by considering the texture patterns // Precision Engineering. — 2009. — Vol. 33, No. 4. — P. 425–429.
10. Deng J., Lian Y., Wu Z., Xing Y. Performance of femtosecond laser-textured cutting tools deposited with WS₂ solid lubricant coatings // Surface and Coatings Technology. — 2013. — Vol. 222. — P. 135–143.
11. Toenshoff H.K., Denkena B. Basics of Cutting and Abrasive Processes. — Berlin: Springer, 2013. — 399 p.
12. Кузнецов А.П., Тарасов А.Н. Лазерное упрочнение режущего инструмента из быстрорежущих сталей // Вестник машиностроения. — 2011. — № 3. — С. 54–58.
13. Grzesik W. Advanced Machining Processes of Metallic Materials: Theory, Modelling and Applications. — 2nd ed. — Amsterdam: Elsevier, 2017. — 578 p.
14. Ryk G., Etsion I. Testing piston rings with partial laser surface texturing for friction reduction // Wear. — 2006. — Vol. 261. — P. 792–796.
15. Butler-Smith P.W., Axinte D.A., Daine M. Solid diamond tools: from innovative design and fabrication to preliminary performance evaluation in Ti-6Al-4V // International Journal of Machine Tools and Manufacture. — 2012. — Vol. 59. — P. 55–64.
16. Zang J., Zhao J., Li A., Pang J. Serrated chip formation mechanism analysis for machining of titanium alloy Ti-6Al-4V based on thermal property // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. — 2018. — Vol. 98. — P. 119–127.
17. Яресько С.И. Повышение стойкости режущего инструмента лазерным упрочнением // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2015. — № 6. — С. 33–37.
18. Klocke F., Koenig W. Fertigungsverfahren 1: Drehen, Fräsen, Bohren. — 8. Aufl. — Berlin: Springer Vieweg, 2008. — 518 S.
19. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: справочник. — М.: Машиностроение, 1985. — 496 с.
20. Lei S., Devarajan S., Chang Z. A study of micropool lubricated cutting tool in machining of mild steel // Journal of Materials Processing Technology. — 2009. — Vol. 209, No. 3. — P. 1612–1620.
