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齿轮激光表面处理的若干关键技术研究

石娟  
【摘要】:本文以齿轮表面激光淬火和激光熔覆为研究内容,重点对齿轮激光淬火硬化层性能与层深,以及齿轮激光熔覆工艺与裂纹控制等关键技术问题进行研究。 激光淬火硬化层深度是激光热处理的一项综合性能指标,也是衡量激光淬火质量的主要因素。为了便于对工艺参数进行优化和对层深的预测,建立了45钢磷化预处理表面激光淬火硬化层深的精确预测模型。该模型考虑了预处理表面吸收系数随工艺参数变化的实际情况,考虑了相变潜热和与实际情况接近的对流换热边界条件,用变量函数载荷表模拟移动热源;对比实验与模拟数据,根据能量转换系数与工艺参数P、v的变化规律,进行能量转换系数的拟合,以相变温度为相变硬化临界值,实现了硬化层深的精确预测。这些研究提供了一种结合先进计算机技术的精确预测相变硬化层深的研究思路,试验验证其具有较高的精确性。同时,根据纵向硬化层深的试验研究,得到了进端层深小于中间层深,出端层深大于中间层深的分布规律。为了获得纵向层深均匀分布的硬化层,宜采用变速扫描工艺;通过变速扫描的ANSYS模拟,得到的进出端表面最高温升基本接近中间各点,经试验验证,硬化层均匀性得到明显改善。 首次进行了条件与实际工况相近的激光淬火齿轮的疲劳寿命试验研究,其研究结果高于ISO6336及GB/T3480标准中常规热处理齿轮的无限寿命基本疲劳循环次数;并对激光淬火齿轮具有较高疲劳寿命的机理进行了深入的分析。其机理在于齿轮激光淬火后获得了与轮齿受载情况相匹配的硬化层分布;硬化层具有非常稳定的残余压应力,使齿轮啮合过程中最大剪应力峰值显著下降;残余压应力使齿根受拉一侧危险截面处的应力明显下降;硬化层内沿深度方向的硬度分布无明显硬度梯度,这些特性提高了齿轮的耐磨性、抗弯曲折断疲劳强度,对提高疲劳寿命的作用十分显著。硬化层具有良好的综合机械性能,因而不会发生剥落现象,具有很高的抗剥落性能。对于激光淬火搭接扫描齿轮,齿面搭接扫描回火带的硬度值降低约HRc7左右,试验结果表明,不会因此形成影响疲劳强度的疲劳源,这为大模数齿轮采用搭接扫描提供了一个重要的可行性依据。 齿轮激光淬火有效硬化层深的取值到目前为止没有统一的标准,这对该项技术的推广应用十分不利。为此,根据齿轮淬火硬化层深的主要计算理论,进


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