齿轮激光淬火技术替代常规渗碳工艺.docx

齿轮激光淬火技术替代常规渗碳工艺.docx

《齿轮激光淬火技术替代常规渗碳工艺.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《齿轮激光淬火技术替代常规渗碳工艺.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

齿轮激光淬火技术替代常规渗碳工艺

齿轮激光淬火技术替代常规渗碳工艺

周建忠　张永康　杨继昌　毕瑞　陈奉斌

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.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火工艺.

关键词：

齿轮；激光淬火；扫描；硬化层

中图分类号：

TN249；TG156.3　文献标识码：

A　文章编号：

1007-1741（2000）02-0039-05

ANewTechnologyofLaserTransformationHardening

ReplacingthePresentMethodofGearCaseHardening

ZHOUJian-zhong,ZHANGYong-kang,YANGJi-chang

（SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang,Jiangsu212013,China）

BIRui,CHENFeng-bin

（Technological　Center,No.1TractorGroupofChina,Luoyang,Henan471039,China）

　　Abstract:

Itisnecessarythatthetoothsurfaceofgearbehandledbecauseitsqualityaffectstheservelifeoftransmissionpartdirectly,butthereissoseriousdistortionwithtraditionalcasehardeningthatthelifeofgearmightbeshortened.Inthispaper,anewtechnologyoflasertransformationhardeningwhichcouldreplacethepresentmethodofgearcasehardeningisintroduced.Itssignificantandeconomicvalueareanalyzed.Thekeytechniquesoflasertransformationhardeninggear,suchassurfacepretreatmentcoatinganditsmethods,laserscanningpattern,arediscussedindetail.Acomparisonbetweenlasertransformationhardeningandcasehardeningprocessismadeconcerningtheimportantparametersinhardness,depthofhardenedlayerandcontactfatiguestrength.Theresultsshowthatusinglaserquenchingofgearscannotonlyimproveproductivityandreducecostbutalsoreplacethetraditionalcasehardeningforsomegearswhichweremadeofparticularmaterials.

　　Keywords：

gear;lasertransformationhardening;scanning;hardenedlayer

1　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Altegott同贝尔飞机制造公司的Patel合作发表了一篇题为《直齿圆柱齿轮激光表面硬化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AMS（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AMS6265齿轮能得到显著的经济效果，有效硬化深度为0.66～0.86mm，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JamesFLewis用5kW激光器对大型花键轴进行激光淬火，在扫描速度4.32～7.62mm/s，光斑直径6.35～7.62mm的条件下，获得淬火硬度HRC59，深度0.762～0.864mm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：

①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、电等多种学科和技术于一体的高科技产品.在我国现有的工业水平上，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;②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；③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；④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］.

2　齿轮激光淬火工艺

2.1　表面预处理涂层与方法

　　为了提高金属表面对激光的吸收率,在激光热处理前要对材料表面进行表面处理（常称黑化处理），即在需要激光处理的金属表面涂上一层对激光有较高吸收能力的涂料.表面预处理的方法包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、喷（刷）涂料法、镀膜法等多种方法，其中较为常用的是磷化法和喷（刷）涂料法.对于磷化法,主要研究磷化溶液成分和温度等参数的不同所形成的磷化膜对激光吸收率的不同情况，而喷（刷）涂料法主要是研究具有特定配方的涂料.常用的涂料骨料有石墨、炭黑、磷酸锰、磷酸锌、水玻璃等.也有直接使用碳素墨汁和无光漆作为预处理涂料的.象上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10.6μm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.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

2.2.1　周向连续螺旋扫描

　　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,亦即与齿轮对称轴夹角处处不等.在扫描齿面时,激光束将受到相邻齿轮的干涉.因此,正确选择激光束的起始位置十分重要,它对于入射角和扫描速度的大小及变化情况有重大的影响.激光束的入射角和扫描速度一般由式

（1）和式

（2）［9］表达为

θk=arcsin　（rb/rk）-arcsin　（e/rk）　

（1）

vt=ωrb（tgαk+tgθk）　

（2）

图1　周向连续扫描［10］

Fig.1　Circumferencecontinuousscanning［10］

式中rb——齿轮基圆半径

　　rk——轮齿齿廓上各点对应的半径

　　e——偏心距,取决于激光束的起始位置

　　ω——齿轮回转速度

　　αk——齿轮压力角

由上式可知,激光束从基圆到顶圆入射角由大变小,扫描速度也是由大变小.而齿轮激光淬火的硬化层深与激光功率、光斑尺寸、扫描速度及入射角有关.其关系可用式（3）表示［9,11］为

　　H∝［P/（D.v）1/2］（1-θk/θ0）　（3）

对于连续扫描方式,由于D、v、θ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.综上所述,采用周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.

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.利用分齿运动转动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,以提高齿面的接触强度.

图2　轴向分齿扫描［13］

　　Fig.2　Axialscanningofindexinggear［13］

图3　齿面搭接