CN109023359A - 一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制方法及装置，本发明具有如下技术效果：1、实现轴套类零件的预应力激光熔覆；2.工艺简单，可以通过数显压力计实时检测液压缸提供的压力，省去了较为复杂和昂贵的传感器测力装置；3、通过调整预应力的大小，可以对轴套类零件激光熔覆后的表面残余应力进行调控；4、通过预应力调控减小激光熔覆裂纹的产生，提高零部件的再制造服役性能。

Description

一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制方法及装置
技术领域
本发明专利涉及激光熔覆再制造领域，特别是涉及一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制方法及装置。
背景技术
现代制造业对轴类零件的可靠性和使用寿命的要求越来越高，这些零件大多数承受着复杂的交变应力的作用，有些在冲击、振动和严重的腐蚀性环境下工作，在实际应用中常常发现为其表面出现裂纹和损坏，进而导致轴零件疲劳失效而产生重大事故。利用现代表面工程技术的尺寸恢复功能，能够实现失效零部件的再制造，使其恢复原有功能。按照使用的方法通常可分为如下几种：一种是利用电极反应，在工件表面形成镀层。其中主要的方法是电镀、阳极氧化；另外一种是冷、热喷涂和喷焊技术；前一种方法会产生大量的环境污染而不符合绿色制造的理念，后一种方式中冷、热喷涂以机械咬合为主，结合强度不高，而喷焊技术容易使工件产生内应力和变形，且存在所使用的粉末必须为自熔性粉末等限制因素。而激光熔覆是一种通过在基材表面添加合金粉末，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方。与堆焊、喷涂、电镀、阳极氧化相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。但激光熔覆由于激光熔覆材料和基体材料在物理性能上存在差异，加之高能密度激光束的快速加热和急冷作用，使熔覆层中产生极大的热应力。通常情况下，激光熔覆层的热应力为拉应力，当局部拉应力超过涂层材料的强度极限时，就会产生裂纹。激光熔覆技术自诞生以来，因其裂纹和开裂敏感性问题，很大程度上限制了这一技术的应用与推广。预应力激光熔覆方法能在激光熔覆过程中主动控制工件残余应力从而有效抑制工件熔覆后裂纹的产生。相关的发明已有些实例，但都与本发明有本质的区别，在已有的发明中，如，哈尔滨工业大学的方鸿渊；刘雪松；徐文利；杨建国；周广涛发明的“采用双向预应力控制薄板焊接变形和裂纹的夹具”(专利申请号200610150821.9，申请日2006.09.28，公开/公告号：1927531A，公开/公告日：2007.03.14)，它所述的双向预应力控制薄板焊接变形和裂纹是指焊接过程进行时同步施加与焊缝平行的纵向应力和与焊缝方向垂直的横向应力来达到控制焊接变形和热裂纹，其中焊缝垂直方向需要若干夹紧头施加横向挤应变抵消其凝固收缩产生的致裂拉伸应变，纵向应力是用来抵消焊缝及近缝区的挤压应变，而激光熔覆中裂纹主要是由快速加热，熔化，然后又急剧冷却导致的热应力和残余拉应力引起，这与焊接还是有着很大的区别，且该专利只适用于薄板加工，采用此夹具无法满足轴套类零件的回转运动，且该方法不适用于激光熔覆领域。又如湘潭大学的彭瑞涛；谭援强；唐新姿；廖妙；张成发明的“一种轴类零件的预应力车削方法及装置”(专利申请号：201210068123.X，申请日2012.03.15，公开/公告号：CN1026152991A，公开/公告日：2012.08.01)它所述的预应力车削，其实是指在切削加工过程前施加给工件预应力，在切削过程中保持该应力对工件的弹性作用，切削加工过程中工件表层发生塑形变形并被切除，加工完毕后，直至工件完全冷却后在释放该预应力，由于该专利是使用施力螺母施加预应力，预应力的大小无法精准的控制，且该专利是运用在车削加工领域，而激光熔覆技术中内应力的产生是热应力，这与切削加工的热塑变形效应有着本质的不同，且激光熔覆领域中还没有预应力装置或者技术的出现，人们往往采用在通过改变激光熔覆粉末的成分、熔覆工艺过程等来减少裂纹的产生，这些方法的效率、效果以及可操作性都非常有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制方法及装置。
本发明的技术方案是，一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制方法及装置，步骤如下：
首先，确认被加工轴套类零件材料的弹性极限强度。
然后，在预应力激光熔覆裂纹抑制装置上对轴套类零件施加轴向的拉伸应力，确保加载后轴套类零件材料仍处于弹性状态。
其次，在保持该拉伸条应力件下，将带有预应力激光熔覆裂纹抑制装置的轴套类零件置于激光熔覆设备下进行激光熔覆。
再次，在激光熔覆后，将带有预应力激光熔覆裂纹抑制装置的轴套类零件置于激光熔覆设备完全冷却至常温状态。
最后，将带有预应力激光熔覆裂纹抑制装置的轴套类零件从激光熔覆设备上拆卸下来，再将轴套类零件从预应力激光熔覆装置上取下。
对轴套类零件预先施加的轴向拉伸应力值小于轴类零件材料的弹性极限强度，施加的拉伸应力大小和方向保持不变。
一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制装置，被加工轴的两端直接被左右夹持工具上的三爪卡盘夹紧，拉伸应力通过液压缸提供，同时通过数显压力计实时得到施加拉伸应力的大小。
本发明具有如下的技术效果：1.实现了轴套类零件的可控预应力激光熔覆，减少了熔覆层裂纹的产生，推广了激光熔覆的应用范围；2.工艺简单，在激光熔覆过程中达到主动控制和调整轴套类零件残余应力的目的，降低了激光熔覆后由于残余应力导致熔覆层裂纹的产生的可能性，提高了激光熔覆层的质量；3.通过调整数显压力计可以实时观测液压缸施加的拉伸应力，可以主动的把轴套类零件的表面残余应力控制在一定范围，这是其他残余应力调整方法难以实现的；4.在预应力激光熔覆后，轴套类零件对已加工表面除了存在合适的残余压应力外，不会带来额外的硬化和组织变化，这是其他残余应力调整方式难以办到的。
附图说明
图1是本发明一种轴套类零件预应力激光熔覆裂纹抑制装置结构示意图。
图2是本发明一种轴套类零件预应力激光熔覆裂纹抑制装置中液压缸的控制系统示意图。
图3是本发明一种轴套类零件预应力激光熔覆裂纹抑制装置总装外形结构示意图。
图4是本发明一种轴套类零件预应力激光熔覆裂纹抑制装置中夹持装置结构示意图。
具体实施方式
具体实施一。
一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制方法，步骤如下：
实施例1轴套类零件材料是35CrMo钢；首先，确认被加工35CrMo材料的弹性极限强度。
实施例1然后，在预应力激光熔覆裂纹抑制装置上对轴套零件施加一个轴向拉伸应力，采用电阻应变片电测法测算出对应的预应力，通过换算确保加载后工件材料仍处于弹性状态下。
实施例1其次，接着，在保持该预应力的条件下，将带有预应力的激光熔覆裂纹抑制装置放置在激光熔覆设备上，采用中科四象LDM3000-100激光器对轴套类零件进行预应力激光熔覆，激光熔覆中，施加的预应力大小和方向保持不变，扫面速度4mm/s功率2.5KW送分速率0.1g/s光斑直径5mm，搭接率50％。
实施例1再次，在激光熔覆完毕后，将带有预应力激光熔覆裂纹抑制装置的轴套类零件置于激光熔覆设备上自然冷却至常温状态。
实施例1最后，将带有预应力激光熔覆裂纹抑制装置的轴从激光熔覆设备上拆卸，将轴套类零件从预应力加载装置上取下。
实施例1如图1所示，一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制装置，轴承(2)装在固定支架(3)的小轴上，轴承(2)被左端夹持工具(1)夹紧，，固定支架(3)另一端装有液压缸(5)，预应力装置通过液压缸(5)施加预应力，通过数显气压表实时检测施加的应力，液压缸(5)另一头连接着可移动支架(10)，可移动支架(10)通过导轨(7)和导杆(4)实现前后移动，轴承(11)装在可移动支架(10)的小轴上通过右端夹持工具(12)固定，被加工轴(6)两端分别被左夹持工具(1)和右夹持工具(12)上的三爪卡盘夹紧固定。
实施例1使用如图2所示液压流量控制阀的同步回路，能够实现双液压缸的活塞的前进和后退，该控制回路能够调节活塞行进速度，锁定活塞停留位置，并且通过回路中的数显压力计能够实时观测施加的压力大小。
实施例1如图3所示，被加工的轴套类零件(6)两端分别被左夹持工具(1)和右夹持工具(12)上的三爪卡盘夹住，通过液压缸(5)将被加工的轴(6)拉伸施加预应力，施加的预应力大小可以通过数显气压表进行观测，预应力激光熔覆时，左端固定支架(3)，液压缸(5)还有右端支架(10)装置底座(8)不旋转，其余部件均随着轴一起旋转。激光熔覆完毕后，通过液压缸(5)收缩液压杆卸载预应力。预应力卸载后，通过松开左右端夹持上的三抓卡盘，从而拆卸被加工轴(6)。以35CrMo轴的预应力激光熔覆为例，熔覆层的质量与熔覆层的残余应力有密切的关系，残余压应力能显著降低熔覆层裂纹数量的和大小，反之残余拉应力将使熔覆层裂纹加剧。为在其表面产生残余压应力，采用本发明进行轴套类零件的预应力激光熔覆。
实施例1将被加工的轴套零件进行超声波无损检测，检测熔覆层、基体表面、结合区的微观裂纹，与未使用预应力激光熔覆的轴相比，裂纹显著减少。
以上所述，仅为本发明较佳的具体方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制方法及装置，其特征在于：
步骤一确认被加工轴套类零件材料的弹性极限强度；
步骤二在预应力激光熔覆装置上对轴套类零件施加轴向拉伸应力，确保加载后的零件仍处于弹性状态；
步骤三在保持该拉伸应力的条件下，将带有预应力激光熔覆裂纹抑制装置的轴套类零件置于激光熔覆设备下进行熔覆作业；
步骤四在熔覆完毕后，将带有预应力激光熔覆裂纹抑制装置的轴套类零件置于激光熔覆设备上完全冷却至常温状态；
步骤五将带有预应力激光熔覆裂纹抑制装置的轴套类零件从激光熔覆设备上拆卸，再将轴套类零件从预应力激光熔覆装置上取下。
2.根据权利要求1所述的一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制方法及装置，其特征在于：对轴套类零件预先施加的轴向拉应力值小于轴套类零件的材料的弹性极限强度，施加的拉伸应力大小和方向保持不变。
3.根据权利要求1所述的一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制方法及装置，其特征在于：采用双液压缸(5)提供预应力。
4.根据权利要求1所述的一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制方法及装置，其特征在于：采用数显液压表动态监测预应力。
5.根据权利要求1所述的一种轴套类零件的预应力激光熔覆裂纹抑制方法及装置，其特征在于：固定支架(3)的一端通过连接轴承(2)装有左端夹持装置(1)，夹持装置上通过螺栓装有三爪卡盘，通过扳手旋转扳手插入方孔使卡盘夹紧被加工轴(6)一端；固定支架(3)另外一端装有液压缸(5)通过缸座(9)用螺栓固定，液压缸上装有数显液压计；可移动支架(10)通过导轨(7)和导杆(4)进行滑动另一端通过小轴与轴承(11)连接，轴承(11)右端装有右端夹持装置(12)，左端夹持装置(12)上也装有三爪卡盘，通过旋转扳手插入方孔夹紧被加工轴(6)的另一端，被加工的轴(7)两端被分别被左端夹持工具(1)和右端夹持工具(12)上的三爪卡盘夹紧固定。
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