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齒輪模具激光表面強(qiáng)化工藝與裝備進(jìn)展 |
齒輪模具激光表面強(qiáng)化技術(shù)是指在數(shù)控環(huán)境下，利用高能量密度的激光束和涂料或熔覆材料對(duì)齒輪或模具表面進(jìn)行處理，改變其表層的組織或成分，實(shí)現(xiàn)表面相變強(qiáng)化或增強(qiáng)性修復(fù)的技術(shù)。
激光相變強(qiáng)化的金屬材料學(xué)
所謂激光相變強(qiáng)化，是用激光束掃描工件，使工件表層快速升溫到Ac3臨界點(diǎn)以上，受熱層在光斑移開時(shí)，由于工件基體的熱傳導(dǎo)作用使溫度舜間進(jìn)入馬氏體區(qū)或貝氏體區(qū)，發(fā)生馬氏體相變或貝氏體相變，完成相變強(qiáng)化過程。
相變強(qiáng)化工藝具有表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同材質(zhì)、工件熱容量大小、以及激光處理工藝參數(shù)的不同，實(shí)現(xiàn)硬度、強(qiáng)化層深度可控。在傳統(tǒng)熱處理工藝中影響強(qiáng)化效果的技術(shù)因素，在激光相變強(qiáng)化中所起的作用發(fā)生了很大變化。
1.彌散強(qiáng)化和畸變強(qiáng)化
激光相變強(qiáng)化形成奧氏體，當(dāng)停止激光照射，金屬表面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。在此工藝環(huán)境下形成的奧氏體，不管是表層，還是里層，奧氏體晶粒都沒有孕育長(zhǎng)大的機(jī)會(huì)。彌散的奧氏體晶粒，形成彌散的馬氏體相或貝氏體相，使組織具有晶格強(qiáng)化的同時(shí)具有彌散強(qiáng)化效果。而且，在激冷條件下形成的馬氏體晶格，比常規(guī)淬火有更高的缺陷密度。與此同時(shí)，殘余奧氏體也獲得極高的位錯(cuò)密度，使金屬材料具有畸變強(qiáng)化效果，強(qiáng)度大大提高。
2.無氧化脫碳淬火
在傳統(tǒng)熱處理中，工件在加熱過程如沒有保護(hù)措施，便會(huì)發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象，使工件的硬度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低。
激光相變強(qiáng)化所使用的吸光涂料具有保護(hù)工件表面免遭氧化的性能。
3.激光強(qiáng)化的抗疲勞機(jī)理
影響金屬材料抗疲勞性能的原因之一是疲勞裂紋的萌生時(shí)間。磨損和疲勞在材料損傷過程中交互促進(jìn)，磨損溝痕可成為疲勞裂紋的萌生點(diǎn)，加速疲勞裂紋的萌生，材料表面出現(xiàn)疲勞裂紋后，表面粗糙度嚴(yán)重惡化，磨損也將加劇。
激光強(qiáng)化層具有較強(qiáng)的抗塑性變形和抗粘著磨損能力。
4.等強(qiáng)工作層
常規(guī)熱處理的冷卻方向是由表及里，表面的冷卻速度最快，由表及里冷卻速度逐漸降低，所以得到了由表及里硬度值下降的梯度分布。
激光相變強(qiáng)化的加熱方向雖然也相同，但表面溫度較高，而且加熱時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，可達(dá)0.2～0.25s，而里層奧氏體化則是舜間完成，使得表層奧氏體中有更高的碳濃度，有更強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果。激光淬火冷卻方向卻與常規(guī)熱處理相反，是由里及表，里層溫度雖低，但冷卻速度最快，外層溫度雖高，有固溶強(qiáng)化優(yōu)勢(shì)，但冷卻速度最慢，雖然里層碳濃度稍低，但畸變強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化更強(qiáng)烈。這樣在硬化層內(nèi)就形成了幾乎不變的硬度值分布。
激光強(qiáng)化件等強(qiáng)工作層避免了常規(guī)熱處理件一旦表面出現(xiàn)磨損，其磨損速度便加速的現(xiàn)象。
齒輪激光相變強(qiáng)化工藝技術(shù)
1.材料問題
激光齒輪宜采用中碳鋼，不宜采用低碳鋼。如果采用低碳鋼，齒輪的基體將沒有強(qiáng)度保證，降低彎曲疲勞強(qiáng)度。
2.原始狀態(tài)
激光齒輪的最佳原始狀態(tài)是調(diào)質(zhì)狀態(tài)，具體操作可與齒輪毛坯鍛造后的消除應(yīng)力熱處理相結(jié)合。鍛坯正火加高溫回火獲得激光齒輪所希望的調(diào)質(zhì)狀態(tài)，是低成本之路。
3.掃描方式
激光齒輪的掃描方式主要有周向連續(xù)掃描，軸向分齒掃描。
4.齒輪激光強(qiáng)化的預(yù)處理技術(shù)
合適的預(yù)處理劑是保證齒輪激光強(qiáng)化處理的關(guān)鍵之一,一直以來也是激光加工的難點(diǎn)問題。合理適用的預(yù)處理劑和處理工藝，可以防止齒輪表面的淬火裂紋，降低表面燒損敏感性,保證激光處理后齒面精度,增加淬硬層厚度。
5.無搭接技術(shù)和離焦差異問題
由于齒輪工況要求，齒輪表面硬化層要求沿齒廓合理分布，而齒輪的形狀特殊，另外齒輪節(jié)圓面不能有淬火帶搭接，因此需要專用寬帶聚焦系統(tǒng)。
此外,由于激光束對(duì)齒面的照射不能保證齒面不同部位均有相同的離焦量，選擇焦點(diǎn)的照射位置是保證齒面硬度分布合理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
6.激光齒輪的性能
激光齒輪的性能主要是三方面：疲勞性能；如果激光齒輪和調(diào)質(zhì)齒輪均未發(fā)現(xiàn)有斷齒現(xiàn)象，證明其具有較高的抗彎曲疲勞性能；耐磨性能；使用性能。
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