齒輪激光表面處理的若干關鍵技術研究.pdf

1、本文以齒輪表面激光淬火和激光熔覆為研究內(nèi)容，重點對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鍵技術問題進行研究。 激光淬火硬化層深度是激光熱處理的一項綜合性能指標，也是衡量激光淬火質(zhì)量的主要因素。為了便于對工藝參數(shù)進行優(yōu)化和對層深的預測，建立了45鋼磷化預處理表面激光淬火硬化層深的精確預測模型。該模型考慮了預處理表面吸收系數(shù)隨工藝參數(shù)變化的實際情況，考慮了相變潛熱和與實際情況接近的對流換熱邊界條件，用變量函

2、數(shù)載荷表模擬移動熱源；對比實驗與模擬數(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，實現(xiàn)了硬化層深的精確預測。這些研究提供了一種結合先進計算機技術的精確預測相變硬化層深的研究思路，試驗驗證其具有較高的精確性。同時，根據(jù)縱向硬化層深的試驗研究，得到了進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樱瞬捎米兯賿呙韫に?；通過變速掃描的ANSYS模擬，

3、得到的進出端表面最高溫升基本接近中間各點，經(jīng)試驗驗證，硬化層均勻性得到明顯改善。 首次進行了條件與實際工況相近的激光淬火齒輪的疲勞壽命試驗研究，其研究結果高于ISO6336及GB/T3480標準中常規(guī)熱處理齒輪的無限壽命基本疲勞循環(huán)次數(shù)；并對激光淬火齒輪具有較高疲勞壽命的機理進行了深入的分析。其機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)定的殘余壓應力，使齒輪嚙合過程中最大剪應力峰值顯著下降；殘

4、余壓應力使齒根受拉一側危險截面處的應力明顯下降；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、抗彎曲折斷疲勞強度，對提高疲勞壽命的作用十分顯著。硬化層具有良好的綜合機械性能，因而不會發(fā)生剝落現(xiàn)象，具有很高的抗剝落性能。對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，試驗結果表明，不會因此形成影響疲勞強度的疲勞源，這為大模數(shù)齒輪采用搭接掃描提供了一個重要的可行性依據(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)一的標準，這對該項技術的推廣應用十分不利。為此，根據(jù)齒輪淬火硬化層深的主要計算理論，進行了齒輪激光淬火與滲碳淬火有效硬化層深的對比研究，并根據(jù)國內(nèi)外齒輪激光淬火的試驗與應用研究結果，提出了激光淬火硬化層深的取值范圍。一般對于中、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比研究，首次提出

6、基于接觸疲勞強度的齒輪激光淬火當量硬化層深的概念及其經(jīng)驗計算方法。當量硬化層深度應等于實際有效硬化層深度乘以當量折算系數(shù)。當量折算系數(shù)推薦取值1.5～2.75，大模數(shù)齒輪可取較大值，并以此作為強度條件計算的依據(jù)。大量的實際應用結果，以及按不同標準的理論驗算均表明，有效硬化層深取值范圍和當量硬化層深計算方法是可行的。 激光熔覆修復方面，針對熔覆層裂紋問題，特別是硬度高厚度大的熔覆層裂紋控制問題，進行了有針對性的試驗研究。鎳基合金系

7、列粉末的多道多層激光熔覆裂紋試驗結果表明，隨著熔覆粉末中C、Cr、W等成分數(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結果顯示，可獲得表面性能優(yōu)良又無裂紋缺陷的熔覆層，在機械零件的修復中具有廣泛的應用前景。通過對Ni25、316L等低硬度合金粉末材料進行激光熔覆成形試驗，獲得組織致密的金屬零件，為需熔覆厚度較大的零件及復雜零件的修復奠定基礎。 在激光熔覆過程中引入超聲振動，以進行熔覆層裂紋的控制研究，初步試驗研究結果

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