工业水平上, 元器件的生产不过关 , 导致激光器光 学模式不好, 稳定性和可靠性不高 , 不能满足工厂 条件下长期稳定地工作, 而进口激光器又价格昂 贵; # 由于激光加工涉及到多种学科, 国内缺乏一 批高水平的技术力量对激光加工工艺进行综合研 究, 并且对激光设备二次开发的研究也得不到深 入, 工业界难以看到激光加工的优越性; ∃ 激光加 工设备的费用一次性投入较大, 多数单位对其带来 的经济效益认识不足 , 致使在使用时较为谨慎; % 国内多数企业对传统热处理工艺带来的工业污染 和环境保护不够重视, 而对激光淬火这门清洁工艺 的优越性认识不足 目前 , 国内从事这方面研究的 有长春光学精密机械学院、 天津纺织工学院和上海 海运学院等单位, 分别就齿轮激光、 淬火的激光扫 描方式、 机理及工艺参数优化等技术进行了研究, 并取得了一定的成果 这些单位所开展的齿轮激 光淬火研究工作所采用的齿轮模数一般较大( m > = 5) , 且由于实际生产中所采用的激光导光系统和 预处理涂层等的不同导致在实验室里得出的工艺 参数很难直接在实际批量生产中应用, 即加工工艺 参数的可移植性丧失 因而研究成果在实用性方 面还有不小的差距[ 4~ 10]
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国内外研究现状
齿轮是机械制造行业中应用广泛的零件 为
MM& T ! 的论文, 公布了实验结果 : 对激光表面硬 化处理后和经渗碳处理后的 AM S( 美国航空材料 规范) 6265 正齿轮的抗胶合寿命与齿的弯曲强度 的比较表明 , 激光硬化代替渗碳处理在航空器件 中的 AM S6265 齿轮能得到显著的经济效 果, 有 效硬化深度为 0. 66~ 0. 86 mm, 单件成本降低了 37% ~ 78% [ 1] 八十年代末 , 美国加州机电研究 所的 James F Lew is 用 5 kW 激光器对大型花键 轴进行激光淬火, 在扫描速度 4. 32~ 7. 62 mm/ s, 光斑直径 6. 35~ 7. 62 mm 的条件下, 获得淬火硬 度 HRC59, 深度 0. 762~ 0. 864 mm 的淬硬层[ 2] 美国军方研究所用激光淬火潜水艇、 飞机等重载 大齿轮 , 解决常规热处理引起齿轮变形过大及噪 音问题 激光淬火的齿轮包括 AH - 64 直升机辅 助动力装置的行星齿轮及飞机主传动装置的传动 齿轮 由于激光硬化后不需要 研磨, 故可大大降 低生产成本, 提高生产率 [ 3] 相对而言 , 国内在这方面的研究起步较晚, 远 未达到能够工业化应用的程度 , 究其原因主要有 以下几点 : ∀ 由于历史原因, 我国激光器及零部件 生产水平较低 , 激光器是一种集光、 机、 电等多种
海光机所研制的黑化溶液 ( 86- 1 型) 处理方法简 单, 可直接喷刷在表面, 激光吸收率达 90% 以上 而北京朝阳五通激光技术有限公司研制的新型金 属化合物涂料对波长为 10. 6 m 的激光有明显 的吸收作用 , 能以较小的功率进行激光 热处理
第2期
周建忠等
齿轮激光淬火技术替代常规 渗碳工艺
于激光器功率和光斑形状的限制, 在进行大模数 齿轮激光淬火时, 齿面 往往要经 2 次 ( 或 2 次以 上) 扫描, 这样就存在扫描带的搭接 . 见图 3, 从理
图 3 齿面搭接扫描 Fig. 3 Scanning o f g ear surface overlap
论上分析, 采用 2 次 ( 或 2 次以上 ) 搭接扫描, 在搭 接区靠近第一次扫描的位置附近将出现回火区, 使 其表面硬度降低 齿面工作时, 点蚀最易发生的位 置为节线及节线以下区域 , 应尽可能避免该区域处 于回火区 因此, 在处理时 , 一般采取用激光束先 扫描节线以上, 后扫描节线以下的工艺, 以提高齿
了提高齿轮的承载能力 , 需对齿轮进行表面硬化 处理 而传统的齿轮硬化处理工艺 , 如渗碳、 氮化 等表面化学处理和感应表面淬火、 火焰表面淬火 等存在两个主要问题 : 即热处理后变形较大和不 易获得沿齿廓均匀分布的硬化层, 从而影响齿轮 的使用寿命 激光淬火是利用激光将材料表面加热到相变 点以上 , 随着材料自身冷却 , 奥氏体转变为马氏 体, 从而使材料表面硬化 采用激光淬火齿面 , 其 加热冷却速度很高, 工艺周期短, 不需要外部淬火 介质 具有工件变形小, 工作环境洁净 , 处理后不 需要磨齿等精加工 , 且被处理齿轮尺寸不受热处 理设备尺寸的限制等独特优点 早在 1980 年, 美国军事技术研究实验处的应 用技术实验室就对齿轮的激光硬化调查结果作过 一个广播节目报道 , 并由芝加哥伊利诺理工学院 研究所承担了齿轮的激光硬化研究项目 该所的 Altegot t 同贝尔飞机制造公司的 P at el 合作发表
2000 年 3 月
~ 20% , 即使低碳钢也能提高一定的硬度
组织属于回火马氏体 , 没有可分辨的转变产物或 奥氏体 所以耐磨性无区别, 抗点蚀疲劳能力接
收稿日期 : 1999- 10- 29 作者简介 : 周建忠 , 男 , 江苏理工大学副教授 , 博士生
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江 苏 理 工 大 学 学 报( 自 然 科 学 版)
2000 年 3 月
学科和技术于一体的高科技产品
在我国现有的
对于有些低碳钢材料 , 在其表面用炭黑粉末处理, 在进行激光淬火时可起渗碳作用 2 2 激光扫描方式 周向连续螺旋扫描方法是采用光束垂直于齿 轮轴线 , 齿轮连续转 动, 激光束 ( 或齿轮 ) 轴向移 动, 在齿面上形成螺旋状间隔硬化带 , 如图 1 周 向扫描时各点入射光线不平行 , 亦即与齿轮对称 2 2 1 周向连续螺旋扫描
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2 2 2 轴向分齿扫描 齿轮激光淬火轴向分齿扫描是利用宽带激光 束对齿轮进行激光淬火的扫描方法 宽带激光束 利用分
面的接触强度
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齿轮激光淬火的齿面硬度
齿轮工作时 , 齿根为齿轮啮合时产生最大弯
扫描常采用多束光组成一宽带, 激光束沿齿轮轴 向移动扫描, 一次可扫描 1( 或 2) 个齿面 齿运动转动 1 个齿距后激光束再扫描另外 1 个齿 面, 这样逐个进行扫描直至扫完整个齿轮的所有 齿面 例如美国芝加哥 IIT 研究所对直升飞机齿 轮采用 4 束光叠加进行扫描淬火, 获得理想的效 果 采用多束光叠加会导致光路系统的复杂, 因 此国内的研究大多采用单束宽带激光对齿面进行 扫描 , 1 次或 2 次扫描 1 个齿面, 逐一分齿, 当齿 轮转动 1 圈后, 完成整个齿轮同一侧齿面的淬火 工作 然后移动激光束 ( 或齿轮 ) 位置 , 用同样方 法完成齿轮的另一侧齿面的淬火过程, 如图 2 由 曲应力的部位 , 极易产生疲劳裂纹 , 从而导致疲劳 断裂. 齿面 ( 渐开线部分 ) 是产生表面接触疲劳强 度的部位 . 硬化时需要沿齿形淬硬至一定深度. 理 想的齿面硬化层为沿齿形均匀分布, 同时由于心 部硬度比表面低, 所以硬化层呈压缩状态, 因而有 利于提高齿轮的使用寿命 . 采用激光淬火齿轮, 能 获得沿齿面均匀分布的硬化层形状的较高的齿面 硬度 图 4 为 30CrMoT i 齿轮分别经高频淬火和
H & [ P/ ( D ∋ v ) 1/ 2 ] ( 1 -
( 3)
对于连续扫描方式 , 由于 D 、 v 、 在扫描过程中 是变化的 , 其综合影响硬化层深, 结果是齿顶部分 层深大于齿根部分层深 因此在同一激光参数条 综上所述 , 采用周 件下 , 可能导致齿面已淬硬 , 表面无微熔, 而齿顶 却发生了较严重的熔融现象 向连续激光扫描淬火齿轮时, 由于激光参数从齿 根到齿顶变化呈迭加影响作用, 因而不适合于大 模数齿轮 , 一般适合于中小模数齿轮
齿轮激光淬火技术替代常规渗碳工艺
周建忠1 , 张永康1 , 杨继昌1 , 毕 瑞2 , 陈奉斌2
( 1 江苏理工大学机械工程学院 , 江苏 镇江 212013; 2 中国一拖集团技术中心 , 河南 洛阳 471039)
摘
要: 齿轮表面质量的好坏直接影响传动部件的质量和寿命, 为此需对齿轮表面进行强化处
图 4 淬火区硬度曲线 [ 11] [ 11] Fig. 4 Hardness cur ve of quenching area 图 2 轴向分齿扫描 [ 13] F ig. 2 Ax ial scanning of indexing gear[ 13]
激光淬火处理后硬化层的深度和硬度比较 , 从图 中可明显看出两者硬度上的差异, 在硬化层深度 离表面的距离 X 相同的情况下激光淬火的硬度 高于高频淬火的硬度 , 且存在一个明显的硬度下 降, 而高频淬火区的硬度整体上呈现缓慢下降的 趋势 图 5 比较了渗碳钢渗碳和含碳量较高的碳
第 21 卷第 2 期 2000 年 3 月
江 苏 理 工 大 学 学 报( 自 然 科 学 版) Journal of Jiangsu U niversity of Science and T echnology( Natural Science)
Vol. 21 No. 2 M ar . 2000
图 5 激光和 渗碳硬度比较 Fig. 5 Hardness comparison of laser w ith case hardening
钢激光束的硬度的比较 从中可 以看出激光淬火的硬度 要比常规淬火提高 15%
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江 苏 理 工 大 学 学 报( 自 然 科 学 版)
理, 传统的处理方法如渗碳等存在着诸如变形较大, 硬化层沿齿廓分布不均等缺陷, 从而影响 齿轮的使用寿命 通过分析可替代常规齿轮渗碳淬火的激光齿面淬火新技术研究的意义及经 济价值, 着重讨论了齿面激光淬火的关键技术 表面预处理涂层与方法 、 激光扫描方式 比 较了激光淬火与渗碳工艺的硬度、 硬化层深度及抗点蚀疲劳性能等重要指标 火工艺 关键词: 齿轮; 激光淬火 ; 扫描 ; 硬化层 中图分类号 : T N249; T G156. 3 文献标识码 : A 文章编号 : 1007- 1741( 2000) 02- 0039- 05 了一 篇 题 为 直 齿 圆 柱 齿 轮 激 光 表 面 硬 化 结果表明 : 采用 激光淬火齿面技术不仅能提高生产率, 降低成本, 而且对于某些材料的齿轮完全能代替渗碳淬