CN105936974A - 一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法 - Google Patents

一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光表面冲击强化技术，其特指一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法，该方法可以拓展到小齿距花键凸模和小螺距螺纹的表面强化。将按配比混合而成的透明填充物填充于齿轮齿间空隙处，并完全充满，确保齿轮与之形成柱体，之后，在此柱面粘贴铝箔作为能量吸收层，以流水为约束层的条件下，实现对齿轮表面的大面积搭接激光冲击强化处理。本方法的优点在于透明填充物完全填充齿轮齿间空隙，使齿轮齿顶与上述透明填充物共同形成平滑柱面，方便对齿轮进行大面积搭接激光冲击处理，大大改善了激光冲击强化效果；冲击处理后齿轮齿间空隙内的透明填充物易于清理，满足了大规模生产的需求。

Description

一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法
技术领域
本发明涉及激光表面冲击强化技术，其特指一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法，该方法可以拓展到小齿距花键凸模和小螺距螺纹的表面强化。
背景技术
激光冲击强化是一种新型的表面强化技术，强激光作用于金属表面形成的超强冲击波使金属表层产生剧烈塑性变形，诱导较深残余压应力和细化晶粒，显著提高了金属零件表面性能，与其他技术相比具有高压(冲击波压力达到GPa-TPa量级)、高能(峰值功率达到GW量级)、超快(几十纳秒)和超高应变率(达到107s-1)四个鲜明特点，是极端条件下的先进制造方法之一，具有常规加工方法无可比拟的优点和显著的技术优势。随着激光技术的发展，激光冲击强化技术已经广泛应用在机械制造工业、航空工业、汽车工业、船舶工业、核工业、医疗工业、生物工程、电器及半导体工业领域。研究内容涉及层裂研究、文物表面除污清洗、模拟高速撞击、无损检测和工程材料改性等。
为了有效提高激光冲击波的压力和作用时间，保护工件材料表面不受到激光的热损伤，在进行激光冲击处理时，先要在工件表面涂敷一层对激光不透明的吸收涂层，以充分吸收激光的能量，汽化电离形成爆炸等离子体，产生冲击波。还要在吸收涂层表面覆盖一层对激光透明的约束层，以约束等离子体的膨胀，提高等离子体冲击波的压力。
目前，对于大齿距的花键凸模和齿轮类零件，可采用多光斑搭接冲击处理齿面、侧面和齿槽，轮齿齿面、侧面和齿槽都可以完全覆盖，实现激光冲击波均匀强化。对于此类工件的激光冲击强化可直接在表面粘贴铝箔作为吸收层。但对于小齿距的花键凸模和齿轮类零件，激光束直径为2-8mm，当花键凸模或传动齿轮齿距小于10mm时，激光束先辐射到侧面，侧面上粘贴的吸收层吸收激光能量产生气化形成等离子体，屏蔽了激光束向下辐射齿槽，齿槽部分不能够被强化。且在大面积冲击时搭接区域吸收层易出现翘曲、剥落的问题。因此，普通激光冲击强化方法以无法实现对此类工件表面的整体强化，严重削弱了激光冲击强化后工件表面的各项性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击方法：即通过得到一种透明填充物填充于齿轮齿间空隙处，使齿轮齿顶与上述透明填充物共同形成平滑柱面，便于对齿轮表面进行大面积搭接激光冲击强化处理，实现了对此类齿轮表面的整体强化，增强了激光冲击强化后齿轮表面各个部位的各项性能。需要说明的是，该激光冲击强化方法特指用于一类直径为30-50mm，模数为1-2mm，齿距为1-4mm的小齿距齿轮类工件。同时该方法可以拓展到小齿距花键凸模和小螺距螺纹等类似工件的表面强化。
具体操作步骤为：
(1)将PVC有机溶胶、丙烯酸合成树脂和有机溶剂增稠剂氢氧化铝混合并充分搅拌，形成一种均匀的具有粘性的透明填充物。
(2)将上述透明填充物放入真空中排出其中的气泡。
(3)将排气后的透明填充物填充于齿轮齿间空隙内，并使透明填充物适当高出齿顶柱面1～2mm，透明填充物应完全填充齿轮齿间空隙部分。
(4)将粘着透明填充物的齿轮再置于真空条件下排气。
(5)对粘着在齿轮上的透明填充物加热使其完全固化，除去齿顶柱面以外的多余透明填充物，使得齿轮待加工部分形成柱体。
(6)用酒精清洗上述柱体表面，之后将铝箔粘贴在该柱体表面。
(7)待铝箔完全粘贴在上述柱体表面后，使用流水作为约束层，对齿轮待加工部分进行大面积搭接激光冲击强化处理。
(8)处理完成后，将铝箔和透明填充物同时从齿轮齿面剥离，之后用丙酮清洗齿轮表面的残余透明填充物。
进一步地，步骤(1)中，所述透明填充物各组分按重量比例配比为：PVC有机溶胶65～75％，丙烯酸合成树脂20％～30％，有机溶剂增稠剂氢氧化铝2％～5％。
进一步地，步骤(2)中，排气时间10min，相对真空度为-50KPa。
进一步地，步骤(4)中，排气时间10min，相对真空度为-50KPa。
进一步地，步骤(5)中，加热条件为80℃，5min。
进一步地，步骤(6)中，铝箔厚度为100～200μm。
进一步地，步骤(7)中，流水约束层厚度为1～2mm，使用的激光冲击参数为：光斑直径2～8mm，横向和纵向光斑搭接率均为50％～70％，脉冲能量6～12J，脉宽8～30ns。
进一步地，步骤(8)中，将铝箔和透明填充物同时从齿轮齿面剥离的方法为：将齿轮浸入80～100℃的热水中5～10分钟。
本发明的有益效果为：透明填充物完全填充齿轮齿间空隙，使齿轮齿顶与上述透明填充物共同形成平滑柱面，方便对齿轮进行大面积搭接激光冲击处理，大大改善了激光冲击强化效果；冲击处理后齿轮齿间空隙内的透明填充物易于清理，满足了大规模生产的需求。本方法还同时解决了对小齿距齿轮表面的大面积搭接冲击时搭接区域吸收层易翘曲、易剥落的难题。
附图说明
图1为已附着吸收层的待冲击齿轮剖面示意图，图中：1.工件，2.铝箔，3.透明填充物。
图2为本发明所述小齿距齿轮表面激光冲击强化方法的操作步骤流程图。
图3为齿轮齿槽处基体原始态微观形貌图。
图4为齿轮齿槽处冲击处理后微观形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不仅限于实施例。
本实施例采用一种用于汽车发动机端的，材质为304不锈钢的小齿距标准齿轮，其几何尺寸为：齿数50，模数1mm，齿距为3mm。
一种使用上述工件做激光冲击强化的实例，其具体步骤为：
(1)将PVC有机溶胶、丙烯酸合成树脂和有机溶剂增稠剂氢氧化铝以一定配比混合，并充分搅拌，形成一种均匀的具有粘性的透明填充物，其透明填充物的各组分按重量比例配比为：PVC有机溶胶70g，丙烯酸合成树脂28g，有机溶剂增稠剂2g。
(2)将上述透明填充物放入真空中排出其中的气泡，排气时间10min，相对真空度为-50KPa。
(3)将排气后的透明填充物填充于齿轮齿间空隙内，并使透明填充物适当高出齿顶柱面1～2mm，透明填充物应完全填充齿轮齿间空隙部分。
(4)将粘着透明填充物的齿轮再置于真空中排气，排气时间10min，相对真空度为-50KPa。
(5)在80℃条件下对粘着在齿轮上的透明填充物加热5min，使其完全固化，除去齿顶柱面以外的多余透明填充物，应保证除去多余透明填充物后，齿轮待加工部分形成柱体。
(6)用酒精清洗上述柱体表面，之后将铝箔粘贴在该柱体表面，铝箔厚度为100～200μm。
(7)待铝箔完全粘贴在上述柱体表面后，使用流水作为约束层，对齿轮待加工部分进行大面积搭接激光冲击强化处理，流水约束层厚度为1～2mm。使用的激光冲击参数为：光斑直径3mm，横向和纵向光斑搭接率均为50％，脉冲能量9J，脉宽20ns。
(8)处理完成后，将齿轮浸入80～100℃的热水中5～10分钟，使铝箔和透明填充洗物同时从齿轮齿面剥离，之后用丙酮清齿轮表面的残余透明填充物。
经测定，基体原始态齿轮齿面的平均硬度为180HV，而经激光冲击处理后的区域平均硬度提高到了220HV，硬度值提高约22％，硬化深度约为0.6mm。并且对处理前后齿轮齿槽处微观形貌进行表征，图2为基体原始态微观形貌，图3为冲击处理后微观形貌，可以看到，齿轮齿槽处的基体原始态微观组织晶粒粗大，但在激光冲击处理后，表层组织晶粒得到细化，获得了理想均匀的细小晶粒组织，并形成了大量的孪晶结构。研究结果表明，激光冲击处理后，齿轮齿面硬度得到显著提高，晶粒细化效果明显，从而证明了本发明中的激光冲击强化方法可以有效地实现对齿轮类工件进行大面积搭接激光冲击处理。

Claims (9)

1.一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法，其特征在于：
(1)将PVC有机溶胶、丙烯酸合成树脂和有机溶剂增稠剂氢氧化铝混合并充分搅拌，形成一种均匀的具有粘性的透明填充物；
(2)将上述透明填充物放入真空中排出其中的气泡；
(3)将排气后的透明填充物填充于齿轮齿间空隙内，并使透明填充物适当高出齿顶柱面1～2mm，透明填充物应完全填充齿轮齿间空隙部分；
(4)将粘着透明填充物的齿轮再置于真空条件下排气；
(5)对粘着在齿轮上的透明填充物加热使其完全固化，除去齿顶柱面以外的多余透明填充物，使得齿轮待加工部分形成柱体；
(6)用酒精清洗上述柱体表面，之后将铝箔粘贴在该柱体表面；
(7)待铝箔完全粘贴在上述柱体表面后，使用流水作为约束层，对齿轮待加工部分进行大面积搭接激光冲击强化处理；
(8)处理完成后，将铝箔和透明填充物同时从齿轮齿面剥离，之后用丙酮清洗齿轮表面的残余透明填充物。
2.如权利要求1所述的一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(1)中，所述透明填充物各组分按重量比例配比为：PVC有机溶胶65～75％，丙烯酸合成树脂20％～30％，有机溶剂增稠剂氢氧化铝2％～5％。
3.如权利要求1所述的一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(2)中，排气时间10min，相对真空度为-50KPa。
4.如权利要求1所述的一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(4)中，排气时间10min，相对真空度为-50KPa。
5.如权利要求1所述的一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(5)中，加热条件为80℃，5min。
6.如权利要求1所述的一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(6)中，铝箔厚度为100～200μm。
7.如权利要求1所述的一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(7)中，流水约束层厚度为1～2mm，使用的激光冲击参数为：光斑直径2～8mm，横向和纵向光斑搭接率均为50％～70％，脉冲能量6～12J，脉宽8～30ns。
8.如权利要求1所述的一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(8)中，将铝箔和透明填充物同时从齿轮齿面剥离的方法为：将齿轮浸入80～100℃的热水中5～10分钟。
9.如权利要求1-8任一所述的一种用于小齿距齿轮表面的激光冲击强化方法，其特征在于：所述方法用于一类直径为30-50mm，模数为1-2mm，齿距为1-4mm的小齿距齿轮类工件的表面强化；或用于小齿距花键凸模和小螺距螺纹类似工件的表面强化。
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