齒輪激光表面處理的若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、本文以齒輪表面激光淬火和激光熔覆為研究?jī)?nèi)容，重點(diǎn)對(duì)齒輪激光淬火硬化層性能與層深，以及齒輪激光熔覆工藝與裂紋控制等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研究。 激光淬火硬化層深度是激光熱處理的一項(xiàng)綜合性能指標(biāo)，也是衡量激光淬火質(zhì)量的主要因素。為了便于對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和對(duì)層深的預(yù)測(cè)，建立了45鋼磷化預(yù)處理表面激光淬火硬化層深的精確預(yù)測(cè)模型。該模型考慮了預(yù)處理表面吸收系數(shù)隨工藝參數(shù)變化的實(shí)際情況，考慮了相變潛熱和與實(shí)際情況接近的對(duì)流換熱邊界條件，用變量函

2、數(shù)載荷表模擬移動(dòng)熱源；對(duì)比實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換系數(shù)與工藝參數(shù)P、v的變化規(guī)律，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換系數(shù)的擬合，以相變溫度為相變硬化臨界值，實(shí)現(xiàn)了硬化層深的精確預(yù)測(cè)。這些研究提供了一種結(jié)合先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的精確預(yù)測(cè)相變硬化層深的研究思路，試驗(yàn)驗(yàn)證其具有較高的精確性。同時(shí)，根據(jù)縱向硬化層深的試驗(yàn)研究，得到了進(jìn)端層深小于中間層深，出端層深大于中間層深的分布規(guī)律。為了獲得縱向?qū)由罹鶆蚍植嫉挠不瘜?，宜采用變速掃描工藝；通過變速掃描的ANSYS模擬，

3、得到的進(jìn)出端表面最高溫升基本接近中間各點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，硬化層均勻性得到明顯改善。 首次進(jìn)行了條件與實(shí)際工況相近的激光淬火齒輪的疲勞壽命試驗(yàn)研究，其研究結(jié)果高于ISO6336及GB/T3480標(biāo)準(zhǔn)中常規(guī)熱處理齒輪的無限壽命基本疲勞循環(huán)次數(shù)；并對(duì)激光淬火齒輪具有較高疲勞壽命的機(jī)理進(jìn)行了深入的分析。其機(jī)理在于齒輪激光淬火后獲得了與輪齒受載情況相匹配的硬化層分布；硬化層具有非常穩(wěn)定的殘余壓應(yīng)力，使齒輪嚙合過程中最大剪應(yīng)力峰值顯著下降；殘

4、余壓應(yīng)力使齒根受拉一側(cè)危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力明顯下降；硬化層內(nèi)沿深度方向的硬度分布無明顯硬度梯度，這些特性提高了齒輪的耐磨性、抗彎曲折斷疲勞強(qiáng)度，對(duì)提高疲勞壽命的作用十分顯著。硬化層具有良好的綜合機(jī)械性能，因而不會(huì)發(fā)生剝落現(xiàn)象，具有很高的抗剝落性能。對(duì)于激光淬火搭接掃描齒輪，齒面搭接掃描回火帶的硬度值降低約HRc7左右，試驗(yàn)結(jié)果表明，不會(huì)因此形成影響疲勞強(qiáng)度的疲勞源，這為大模數(shù)齒輪采用搭接掃描提供了一個(gè)重要的可行性依據(jù)。 齒輪激光淬火

5、有效硬化層深的取值到目前為止沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用十分不利。為此，根據(jù)齒輪淬火硬化層深的主要計(jì)算理論，進(jìn)行了齒輪激光淬火與滲碳淬火有效硬化層深的對(duì)比研究，并根據(jù)國內(nèi)外齒輪激光淬火的試驗(yàn)與應(yīng)用研究結(jié)果，提出了激光淬火硬化層深的取值范圍。一般對(duì)于中、小模數(shù)齒輪，激光淬火齒輪的有效硬化層深度推薦取值范圍0.3～0.8mm，對(duì)于大模數(shù)齒輪則為0.5～1.2mm。 根據(jù)齒輪激光淬火與滲碳淬火有效硬化層深的對(duì)比研究，首次提出

6、基于接觸疲勞強(qiáng)度的齒輪激光淬火當(dāng)量硬化層深的概念及其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。當(dāng)量硬化層深度應(yīng)等于實(shí)際有效硬化層深度乘以當(dāng)量折算系數(shù)。當(dāng)量折算系數(shù)推薦取值1.5～2.75，大模數(shù)齒輪可取較大值，并以此作為強(qiáng)度條件計(jì)算的依據(jù)。大量的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果，以及按不同標(biāo)準(zhǔn)的理論驗(yàn)算均表明，有效硬化層深取值范圍和當(dāng)量硬化層深計(jì)算方法是可行的。 激光熔覆修復(fù)方面，針對(duì)熔覆層裂紋問題，特別是硬度高厚度大的熔覆層裂紋控制問題，進(jìn)行了有針對(duì)性的試驗(yàn)研究。鎳基合金系

7、列粉末的多道多層激光熔覆裂紋試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著熔覆粉末中C、Cr、W等成分?jǐn)?shù)量的增加，熔覆層的硬度將顯著提高。梯度材料激光熔覆試驗(yàn)結(jié)果顯示，可獲得表面性能優(yōu)良又無裂紋缺陷的熔覆層，在機(jī)械零件的修復(fù)中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過對(duì)Ni25、316L等低硬度合金粉末材料進(jìn)行激光熔覆成形試驗(yàn)，獲得組織致密的金屬零件，為需熔覆厚度較大的零件及復(fù)雜零件的修復(fù)奠定基礎(chǔ)。 在激光熔覆過程中引入超聲振動(dòng)，以進(jìn)行熔覆層裂紋的控制研究，初步試驗(yàn)研究結(jié)果

8、表明，超聲振動(dòng)不僅可細(xì)化熔覆層的組織，有效提高熔覆層的硬度，還對(duì)熔覆層裂紋控制有明顯的作用。 進(jìn)行了激光熔覆的應(yīng)力場(chǎng)ANSYS數(shù)值模擬，分析了裂紋的產(chǎn)生機(jī)理。研究結(jié)果表明，316L激光熔覆熔覆層內(nèi)具有殘余拉應(yīng)力，其中沿掃描方向的拉應(yīng)力起主導(dǎo)所用，其余兩方向應(yīng)力均較小。熔覆層與基體分界處的邊沿上，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，分界處的應(yīng)力集中容易產(chǎn)生分界處向熔覆層擴(kuò)展的裂紋。 采用預(yù)置、送粉方法，用軸向掃描工藝對(duì)輪齒表面進(jìn)行了熔覆試驗(yàn)，