Устройство лазерной термической обработки внутренних цилиндрических и конических поверхностей

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ И КОНИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Ропот Петр Иосифович Васильев Руслан Юрьевич Ропот Алексей Петрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для лазерной термической обработки внутренних цилиндрических и конических поверхностей, содержащее источник лазерного излучения и оптическую систему, включающую сферическую линзу, последовательно расположенные на оптической оси, отличающееся тем, что содержит систему управления и телескопический корпус, в котором помещена оптическая система, включающая преломляющий аксикон, создающий кольцевое поле, и отражающий конический элемент, расстояние между отражающим коническим элементом и сферической линзой изменяется с помощью телескопического корпуса и системы управления.(56) 1. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Основы лазерного термоупрочнения сплавов. - М. Высш. шк., 1988. - 159 с. 2. Патент РФ 2241767, МПК 7 С 21 1/09, 2004. Полезная модель относится к области машиностроения, точнее к лазерным технологиям обработки, и может быть использована для лазерной термической обработки внутренних цилиндрических и конических поверхностей деталей. Известно, что для термической обработки внутренних поверхностей наиболее эффективны технологии с применением лазеров. Здесь легко обеспечить доступ лазерного пучка во внутренние полости детали и автоматизировать режим обработки. Как правило, в качестве инструмента нагрева поверхности детали используют сфокусированное лазерное пятно,которое перемещается по поверхности по заданному закону. Для осуществления термической обработки цилиндрических и конических поверхностей применяется сочетание поступательного и вращательного движений. При этом очень важным является обеспечение равномерности движения лазерного пятна по поверхности и сохранение его размера. Известен способ обработки поверхностей тел вращения, включающий фокусирование лазерного луча с помощью линзы вблизи обрабатываемой поверхности и взаимное относительное перемещение поверхности и луча 1. Недостатком указанного способа является невозможность получения постоянной глубины закаленного слоя при обработке конических поверхностей. Это обусловлено изменением диаметра пятна и его скорости вследствие изменения положения поверхности относительно фокальной плоскости линзы. Наиболее близким к предлагаемой полезной модели (прототип) является устройство,описанное в патенте РФ 2241767 2. В прототипе фокусирование лазерного излучения вблизи обрабатываемой поверхности осуществляется с помощью линзы при перемещении луча параллельно оси обрабатываемой поверхности. Внутренняя и наружная поверхности обрабатываемой детали размещаются соответственно перед и за фокальной плоскостью линзы, фокусное расстояние которой принимают равным отношению диаметра несфокусированного лазерного пучка к конусности обрабатываемой поверхности. К недостаткам этого устройства следует отнести взаимное вращательное и поступательное движение поверхности и луча, что создает неудобства при обработке крупногабаритных и несимметричных деталей, а также неравномерность закаливаемого слоя. Современные СО 2 - лазеры при небольших габаритных размерах обеспечивают большие мощности излучения, что позволяет при термообработке перейти от лазерного сфокусированного пятна к протяженным источникам. Например, фокусировка лазерного пучка с помощью цилиндрических линз в линию позволяет избежать поступательного взаимного движения обрабатываемой поверхности и лазерного пучка. Однако целесообразнее с точки зрения технологии исключить вращательное движение обрабатываемых цилиндрических и конических поверхностей. Для этого необходимо сформировать и применить для термообработки кольцевое лазерное поле. Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства для лазерной термической обработки внутренних цилиндрических и конических поверхностей, формирующего кольцевой световой пучок, сфокусированный на обрабатываемую поверхность,позволяющий исключить вращение обрабатываемой поверхности. Условие фокусировки лазерного пучка на поверхность обрабатываемой детали обеспечивается взаимным перемещением оптических элементов вдоль оси оптической системы. Поставленная задача решается следующим образом. Устройство для лазерной термической обработки внутренних цилиндрических и конических поверхностей, содержащее источник лазерного излучения и оптическую систему,включающую сферическую линзу, последовательно расположенные на оптической оси,2 56872009.10.30 содержит систему управления и телескопический корпус, в котором помещена оптическая система, включающая преломляющий аксикон, создающий кольцевое поле, и отражающий конический элемент, причем расстояние между отражающим коническим элементом и сферической линзой изменяется с помощью телескопического корпуса и системы управления. На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства. На фиг. 2 показана оптическая система заявляемого устройства с изображением двух крайних положений лазерного пучка при обработке конической поверхности. На фиг. 3 приведен отражающий конический элемент. Предлагаемое устройство для лазерной термической обработки внутренних цилиндрических и конических поверхностей содержит источник лазерного излучения 1, оптическую систему 2. Вдоль оптической оси последовательно расположены преломляющий аксикон 3, сферическая линза 4 и отражающий конический элемент 5, имеющий геометрическую форму цилиндра. Телескопический корпус 6 для оптической системы 2 и система управления 7 обеспечивают относительное перемещение отражающего конического элемента 5 и сферической линзы 4. Обрабатываемая цилиндрическая (на фигуре не показана) или коническая поверхность 8 детали перемещается вдоль оси оптической системы 2. За преломляющим аксиконом 3 формируется квазибездифракционная область 9 и кольцевое поле 10. Цилиндрическая поверхность отражающего конического элемента 5 имеет две части одна часть крепежная 11 вторая - рабочая часть -12, имеющая оптическое качество. Торцевая поверхность 13 крепежной части 11 - плоская оптического качества, торцевая поверхность рабочей части 12 выполнена в виде отражающей 45 конической поверхности 14. Коническая поверхность 14 не имеет отражающего покрытия, так как при 45 наблюдается эффект полного внутреннего отражения. Устройство работает следующим образом. В зависимости от диаметра и конусности обрабатываемой поверхности устанавливают необходимое расстояние между сферической линзой 4 и отражающим коническим элементом 5, так чтобы фокусировка лазерного пучка производилась на обрабатываемой поверхности 8 детали. Установка этого расстояния осуществляется за счет телескопического устройства корпуса 6 оптической системы 2 посредством системы управления 7. Система управления 7 может быть выполнена по принципу копира, т.е. механический щуп копирует шаблон, на котором устанавливается необходимый угол конусности, и передает без изменения масштаба это движение на телескопическое устройство корпуса 6 оптической системы 2. Возможно выполнение системы управления 7 и по гидравлическому принципу передача движения через несжимаемую жидкость. Ход лазерного пучка при прохождении его через оптическую систему 2 устройства показан на фиг. 2. При прохождении через преломляющий аксикон 3 гауссового лазерного пучка за аксиконом формируется так называемая квазибездифракционная область 9, т.е. область существования бесселева светового пучка (БСП), равная/, где- радиус лазерного пучка,- угол конусности сформированного БСП. Известно, что при малых углах 7 выполняется соотношение( - 1), где- угол при основании аксикона,- показатель преломления материала аксикона. На расстоянии от аксикона 3, большем чем ,БСП превращается в кольцевое поле 10. При установке на расстоянии а от конца областисферической линзы 4 с фокусным расстояниемв ее фокальной плоскости формируется сфокусированный кольцевой пучок. Использование длиннофокусных сферических линз,наряду с возможностью обработки поверхностей большого диаметра, повышает точность термообработки, т.к. неточность фокусировки существенно не изменяет ширину лазерного пучка. На пути сфокусированного кольцевого пучка помещается отражающий конический элемент 5, который перемещается вдоль оптической оси за счет телескопического устройства корпуса 6 посредством системы управления 7 при сохранении условияс. Ширина рабочей части и диаметр отражающего конического элемента 5 определяют предельно допустимые размеры обрабатываемых конических поверхностей. 3 56872009.10.30 Исходный расширенный до требуемого размера (ограничивается апертурой оптических элементов) мощный пучок СО 2 - лазера падает на преломляющий аксикон 3. На оси оптической системы 2 на расстоянии, превышающем , установлена сферическая линза 4,которая фокусирует кольцевое поле 10, сформированное аксиконом 3. Отражающий конический элемент 5 поворачивает сфокусированный кольцевой пучок на 90, и последний в виде узкой кольцевой полоски попадает на внутреннюю цилиндрическую или коническую обрабатываемую поверхность 8 детали. С помощью системы управления 7 отражающий конический элемент 5 может перемещаться относительно сферической линзы 4 так, что это движение корректирует фокус кольцевого поля до заданной ширины. Сфокусированное излучение перемещается вдоль конической обрабатываемой поверхности 8 за счет осевого движения всей оптической системы 2. Термообработка проводится одновременно по всему диаметру конической поверхности, что существенно ускоряет процесс лазерной обработки по сравнению с устройством, предложенным в 2. При термообработке цилиндрических поверхностей система управления 7 относительным перемещением оптических элементов 4 и 5 остается не задействованной. Предлагаемое устройство для лазерной термическойобработки внутренних цилиндрических и конических поверхностей пригодно и для одномоментной кольцевой сварки (например, труб). Для этих целей система управления 7 производит точную фокусировку кольцевого лазерного пучка на стыке свариваемых деталей, а для обеспечения заданной мощности следует применять импульсный режим работы лазера. Таким образом, нами предлагается устройство, позволяющее ускорить термообработку внутренних цилиндрических и конических поверхностей при исключении вращательного движения обрабатываемой поверхности и сохранении постоянной глубины закаливаемого слоя. Исключение вращательного движения позволяет проводить термическую обработку крупногабаритных и несимметричных деталей и существенно повышает качество термообработки. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5