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太全面了，先進(jìn)的激光淬火技術(shù)在機(jī)床零件上的應(yīng)用

2018-07-06 13:29:49 作者：金榮植，特邀專家來源：《金屬加工（熱加工）》雜志分享至：

目前，隨著高精密加工中心（MC）、數(shù)控機(jī)床（CNC機(jī)床）、柔性加工單元（FMC車床）等的日益應(yīng)用，對(duì)機(jī)床零件的加工精度、尺寸精度保持性及使用壽命要求進(jìn)一步提高，先進(jìn)的激光淬火等技術(shù)的應(yīng)用，可使機(jī)床零件（如導(dǎo)軌、齒輪、主軸等）的質(zhì)量得到很大提高。

激光淬火技術(shù)

（1）激光淬火（LHT）及其特點(diǎn)隨著20世紀(jì)70年代中期大功率激光器的問世并投入工業(yè)生產(chǎn)，激光加工技術(shù)得到迅速發(fā)展。激光淬火是其中研究最早、應(yīng)用面最廣、技術(shù)最為成熟的激光表面改性技術(shù)。圖1為激光熱處理示意。

圖1 激光熱處理示意

激光淬火，又稱激光相變硬化，它是以功率密度＜104W/cm2的激光束輻照經(jīng)預(yù)處理的工件，從而使工件表面以105~106℃/s加熱溫度迅速上升至相變點(diǎn)以上，在組織奧氏體化、奧氏體晶粒未來得及長(zhǎng)大的情況下，一旦激光停止照射，通過基體的自身熱傳導(dǎo)作用迅速冷卻（冷卻速度可達(dá)104~106℃/s），實(shí)現(xiàn)自激淬火，形成表面相變硬化層。

與普通淬火相比，激光淬火后淬硬層組織細(xì)化，硬度普遍提高15%~20%，耐磨性能提高1~10倍；淬火后表面產(chǎn)生約4000MPa的殘余壓應(yīng)力，使表層強(qiáng)度及抗疲勞性能得到明顯改善；由于激光加熱、淬火速度極快，硬化層薄（0.3~0.5mm），熱影響區(qū)小，故淬火畸變微小；因自冷淬火，無淬火冷卻介質(zhì)的污染。

（2）激光淬火適用范圍

激光淬火通常是對(duì)一些不要求整體淬火，尺寸精度要求較高，或采用其他方法難以處理，以及形狀復(fù)雜或需進(jìn)一步提高硬度、耐磨性等性能的工件表面硬化處理。

（3）激光淬火設(shè)備

通常包括產(chǎn)生激光束的激光器（CO2激光器、YAG激光器），引導(dǎo)光束傳輸?shù)膶?dǎo)光聚焦系統(tǒng)（光閘、可見光同軸瞄準(zhǔn)、光束傳輸及轉(zhuǎn)向、聚焦等裝置），承載工件并使其運(yùn)動(dòng)的激光加工機(jī)（二維、多維的自動(dòng)或數(shù)控加工機(jī)床等），以及其他輔助裝置（屏蔽裝置、對(duì)準(zhǔn)裝置等）。

（4）激光淬火材料

激光淬火常用材料見表1。

表1 激光淬火常用材料

（5）表面預(yù)處理

為增強(qiáng)工件對(duì)激光輻射能量的吸收，在激光淬火前需在其表面形成一層對(duì)激光有較高吸收能力的覆層，一般采用磷化處理或涂覆含有各種吸光物質(zhì)的涂料（如粒度＜1μm細(xì)石墨粉+丙烯酸樹脂+云母粉+丙酮；磷酸錳或磷酸鋅+磷酸；碳素墨水+磷酸錳）。

（6）激光淬火工藝參數(shù)（見表2）。

表2 激光淬火工藝參數(shù)

項(xiàng)目	要求
激光器功率/kW	0.1~10
光斑功率密度/（W·cm^-2）	1000~10000，常用1000~6000
掃描速度/（mm·min^-1）	300~750
光束擺動(dòng)寬度/ mm	5~20
光束射入角度（°）	＜45
搭接系數(shù)	5%~20%

（7）幾種材料激光淬火工藝參數(shù)及效果（見表3）。

表3 幾種材料激光淬火工藝參數(shù)及效果

（8）幾種材料的激光淬火層組織（見表4）。

表4 幾種材料的激光淬火層組織

（9）激光淬火質(zhì)量要求及檢測(cè)

按GB/T18683—2002《鋼鐵件激光表面淬火》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

激光淬火技術(shù)在機(jī)床零件上的應(yīng)用

1.數(shù)控機(jī)床電主軸激光淬火技術(shù)應(yīng)用

實(shí)例數(shù)控機(jī)床電主軸（見圖2），主軸轉(zhuǎn)速8~10×105r/min，材料為40Cr鋼，先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，激光淬火后的安裝軸承處及主要表面硬度為52~56HRC。

圖2 數(shù)控機(jī)床主軸簡(jiǎn)圖

（1）主軸及隨機(jī)附帶4個(gè)試樣，試樣直徑80mm，壁厚20mm，兩端磨平。在采用CO2激光器進(jìn)行激光硬化前，分別在主軸和試樣表面上涂覆一層特別涂料，以增加對(duì)激光的吸收。

（2）用5kW的CO2橫流式激光器對(duì)主軸及試樣進(jìn)行激光淬火，其輸出功率P＝1800~2000W，掃描速度v＝5mm/s，機(jī)床轉(zhuǎn)速n＝30r/min，掃描寬度2~3.5mm。并采用微機(jī)控制淬火機(jī)床（工作臺(tái)），配備靈活通用的工裝夾具，固定淬火工件作平行移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或合成運(yùn)動(dòng)。圖3為機(jī)床主軸激光淬火示意。

圖3 機(jī)床主軸激光淬火示意

（3）激光淬火化后的主軸及試樣檢驗(yàn) 淬硬層深度0.5~1.2mm；表面淬火硬度60~66HRC；組織為最外層極細(xì)馬氏體+少量殘留奧氏體，過渡層馬氏體+鐵素體+滲碳體，內(nèi)層為原始組織，即回火索氏體。

表5為40Cr鋼激光淬火與常規(guī)熱處理后相對(duì)耐磨性比較。圖4為40Cr鋼激光淬火與調(diào)質(zhì)處理耐磨性比較。通過結(jié)果可知，機(jī)床主軸經(jīng)激光淬火后，主軸磨損量比普通的40Cr鋼調(diào)質(zhì)處理的磨量少77%~79%。

表5 40Cr鋼激光淬火與常規(guī)熱處理后相對(duì)耐磨性比較

處理方法	硬度HRC	相對(duì)耐磨性	對(duì)磨材料
調(diào)質(zhì)	54~60	0.98	鑄鐵
調(diào)質(zhì) + 激光淬火	60~66	1.78	鑄鐵

圖4 40Cr鋼激光淬火與調(diào)質(zhì)處理耐磨性比較

2.數(shù)控機(jī)床鑲鋼導(dǎo)軌的激光淬火技術(shù)應(yīng)用

實(shí)例數(shù)控機(jī)床鑲鋼導(dǎo)軌，材料為45鋼，要求激光淬火。

（1）預(yù)備熱處理

導(dǎo)軌經(jīng)鍛造后，進(jìn)行常規(guī)的正火及調(diào)質(zhì)處理，以細(xì)化晶粒，改善組織結(jié)構(gòu)，降低內(nèi)應(yīng)力，并為后續(xù)激光淬火做好組織準(zhǔn)備。

（2）激光淬火設(shè)備及工藝參數(shù)

采用國(guó)產(chǎn)31.5kW二氧化碳激光器及激光加工機(jī)床，激光輸出功率P＝900W，光斑直徑為4mm，離焦量d＝240mm，掃描速度v＝10m/s。

經(jīng)上述工藝處理后的導(dǎo)軌，淬火區(qū)淬硬層深度為0.58mm，硬化帶寬為4.47mm，硬化層組織為細(xì)針狀馬氏體+部分殘留奧氏體，表面硬度為724~797HV0.1，相當(dāng)于61~64HRC。

（3）磨損試驗(yàn)

磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激光掃描淬火花紋為45°斜線（與導(dǎo)軌棱邊成45°斜線，見圖5），（棱形）硬化面積為40%時(shí)，導(dǎo)軌耐磨性高。

圖5 激光掃描淬火花紋示意

（4）導(dǎo)軌畸變

導(dǎo)軌采用上述激光淬火花紋、硬化面積及激光淬火工藝參數(shù)，在如圖6所示的機(jī)床導(dǎo)軌的四個(gè)面均進(jìn)行相同條件的激光淬火處理。激光淬火最大畸變（中間位置）－0.11mm（經(jīng)低溫時(shí)效），而整體淬火最大畸變（中間位置）0.20mm。結(jié)果表明，導(dǎo)軌經(jīng)激光淬火后的畸變遠(yuǎn)小于整體淬火或感應(yīng)淬火。

圖6 數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌示意

3.機(jī)床離合器聯(lián)結(jié)、花鍵套、磁軛和齒環(huán)的激光淬火技術(shù)應(yīng)用

機(jī)床離合器聯(lián)結(jié)、花鍵套、磁軛和齒環(huán)等經(jīng)激光淬火后，其質(zhì)量明顯優(yōu)于普通鹽浴或感應(yīng)淬火，解決了聯(lián)結(jié)爪部工作面硬度低、卡爪內(nèi)側(cè)畸變大，花鍵套鍵側(cè)面硬度低、內(nèi)孔畸變超差、小孔處開裂，磁軛和齒環(huán)滲碳淬火畸變大、發(fā)生斷齒、兩者嚙合不良、傳遞力矩不足及發(fā)生打滑等缺陷。

實(shí)例1 電磁離合器聯(lián)結(jié)（見圖7），材料為45鋼，技術(shù)要求：硬度≥55HRC，淬硬層深度≥0.3mm，爪部直徑畸變≤0.1mm，硬化面積≥80%。

圖7 電磁離合器聯(lián)結(jié)

（1）工藝流程

全部機(jī)械加工后，在數(shù)控激光熱處理機(jī)上自動(dòng)進(jìn)行六個(gè)爪的12個(gè)側(cè)面激光掃描淬火。

（2）激光淬火工藝

激光輸出功率P＝1000W，透鏡焦距f＝350mm，離焦量d＝59mm，掃描速度v＝1000mm/min，生產(chǎn)節(jié)拍t＝45s/件。

（3）檢驗(yàn)結(jié)果

硬度為57~60HRC，淬硬層深度0.3~0.6mm，直徑畸變≤±0.03mm，爪側(cè)面100%淬硬。

實(shí)例2 花鍵套（見圖8），材料為45鋼，技術(shù)要求：硬度≥55HRC，個(gè)別點(diǎn)允許≥50HRC，淬硬層深度≥0.3mm，內(nèi)徑畸變≤0.05mm，硬化面積≥80%。

圖8 花鍵套

（1）工藝流程

全部機(jī)械加工后，在數(shù)控激光熱處理機(jī)上自動(dòng)進(jìn)行六個(gè)花鍵的12個(gè)側(cè)面激光掃描淬火。

（2）激光淬火工藝

激光輸出功率P＝1000W，透鏡焦距f＝350mm，離焦量d＝59mm，掃描速度v＝1200mm/min。

（3）檢驗(yàn)結(jié)果

硬度為55~63HRC，淬硬層深度0.3~0.5mm，直徑畸變?yōu)?~0.03mm。

實(shí)例3 機(jī)床牙嵌電磁離合器上磁軛及齒環(huán)（見圖9），材料為20、45、20CrMnTi、42CrMo鋼，要求激光淬火。

圖9 牙嵌式電磁離合器的磁軛和齒環(huán)

（1）設(shè)備使用

激光淬火設(shè)備是由數(shù)控激光熱處理機(jī)和CO2激光器組成。數(shù)控激光熱處理機(jī)使用日本數(shù)控系統(tǒng)，淬火全過程均由微機(jī)控制完成。淬火機(jī)床最高運(yùn)動(dòng)速度為100m/min。

激光器采用橫流連續(xù)CO2激光器。輸出模式為高階模，輸出額定功率1500W，最大輸出功率2000W，輸出光斑直徑為25mm。

（2）工裝夾具

設(shè)計(jì)牙嵌電磁離合器上磁軛和齒環(huán)工裝夾具。

1）數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺(tái)。由定位控制板、速度控制單元、直流伺服電機(jī)與立臥式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)組成。整個(gè)加工過程實(shí)現(xiàn)了程序化、自動(dòng)化。

2）永磁式卡盤及胎具的設(shè)計(jì)。為了便于磁軛及齒環(huán)的裝卡，設(shè)計(jì)并制造永磁式卡盤。

（3）齒環(huán)的激光淬火

齒環(huán)齒高0.6mm，齒頂寬0.8mm，齒底寬0.4mm。為保證齒頂與齒底吸收激光光束效率保持一致性，采用加熱噴涂工藝，使齒部激光淬火專用涂料的涂層厚度保持一致。

采用激光圓環(huán)形光束技術(shù)，圓環(huán)形光斑額定直徑為8mm，環(huán)帶額定寬度為2mm，以獲得均勻的圓環(huán)層深度。

針對(duì)齒部設(shè)計(jì)一套環(huán)形光斑淬火通道，避免工件表面熔化，縮小齒部?jī)蓚?cè)加熱的不均勻性，保證齒間齒根部淬硬帶的連貫性。

表6為幾種材料的激光淬火工藝參數(shù)與結(jié)果。

表6 幾種材料的激光淬火工藝參數(shù)與結(jié)果

注：掃描速度是指激光淬火時(shí)工件旋轉(zhuǎn)時(shí)齒中心的線速度。

（4）典型應(yīng)用

牙嵌的磁離合器，基體厚度7mm，外徑116mm，齒高0.45mm，整個(gè)齒寬為8mm，在齒部中間有銅材。原采用高頻淬火方法，因工件較薄（厚度7mm），工件畸變較大，最大畸變量達(dá)0.5mm，齒部嚙合面積僅達(dá)到30%，且齒部脆性高、打滑等現(xiàn)象嚴(yán)重，扭矩達(dá)不到技術(shù)要求。

改用激光淬火，排除了因銅材與42CrMo鋼兩種材料吸光率不同造成對(duì)淬火效果的影響，激光淬火后的金相組織為針狀馬氏體和部分板條狀馬氏體，解決了淬硬層差、齒頂熔化、畸變大等問題，獲得了良好的淬火效果。

4.齒輪的激光淬火技術(shù)應(yīng)用

我國(guó)從20世紀(jì)80年代就開始齒輪激光淬火的研究，同時(shí)研制出了多種激光淬火設(shè)備，通過多年的發(fā)展和成功實(shí)踐，克服了傳統(tǒng)熱處理的一些缺點(diǎn)，達(dá)到齒輪成本與表面高性能、微畸變的最佳組合，現(xiàn)已成為一項(xiàng)實(shí)用并極有發(fā)展前景的新型表面強(qiáng)化技術(shù)。

（1）齒輪激光設(shè)備橫流CO2激光器1臺(tái)，專用配套冷水機(jī)組1套，數(shù)控加工機(jī)床1臺(tái)，光路系統(tǒng)1套。圖10為齒輪激光淬火。

圖10 齒輪激光淬火

（2）齒輪的激光淬火技術(shù)應(yīng)用實(shí)例。

實(shí)例齒輪，材料為30CrMnTi鋼，齒面激光淬火后要求：齒面畸變小，表面光潔，不需磨齒。

1）齒面激光淬火工藝參數(shù)（見表7）。

表7 齒面激光淬火工藝參數(shù)

工藝參數(shù)	強(qiáng)化齒頂部	強(qiáng)化齒根部
激光輸出功率/W	1000	1020
光斑直徑/mm	4.2	4.2
光斑移動(dòng)速度/mm·s^-1	20	20
入射角（°）	80	62
透鏡焦距/mm	112	112
齒面離焦量/mm	8	8
激光器真空度/kPa	13.33	13.33