CN1252290C - 齿轮的激光表面硬化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种齿轮的激光表面硬化工艺。其按如下步骤进行：(1)将待处理齿轮的表面进行清理，涂吸光涂料；(2)用激光束对齿轮齿廓表面进行扫描运动，使齿廓表层得以快速加热到相变温度以上；(3)将激光束离开齿轮的齿廓表面，齿轮因本身的热传导而随即自身快速冷却而淬火，在齿面表层形成硬化层。本发明不仅淬火硬度高，而且齿面表层形成的硬化层为合金化表层，其晶粒细化，变形极小，无环境污染。本发明所用的机床设备及工艺器件的通用性强，操作自动化程度高，工艺流程短，制造成本低。本发明可以部分替代用渗碳、渗氮、感应淬火、火焰淬火等常规齿轮热处理工艺。
Description
1、技术领域：
本发明是一种齿轮的激光表面硬化工艺，属于齿轮表面硬化工艺的创新技术。
2、背景技术：
齿轮传动是机械传动的一种主要形式，齿轮是机器、机械产品中广泛使用的重要基础零件。机械传动要求齿轮有良好的承载能力。齿轮的使用寿命与齿轮用料的质量、机械加工和热处理的质量、以及使用条件有关。其中齿轮材料和热处理是影响齿轮承载能力和使用寿命的关键因素，也是关系整个齿轮生产质量的重要环节。齿轮的使用实践表明，齿轮的主要破坏形式有齿面疲劳点蚀、齿面磨损、齿面胶合和轮齿折断。因此要求轮齿有很好的抗弯强度、接触疲劳强度、齿面硬度，并要求心部的有很好的韧性。因而要求在齿轮整体调质(要求不高的齿轮可采用正火)处理基础上还要对齿轮的齿部进行表面硬化处理。
齿轮齿部的表面硬化处理的常规工艺方法有渗碳、渗氮、火焰淬火、感应淬火。渗碳淬火齿轮的整个制造工艺过复杂，渗碳淬火引起的变形较大，为了控制变形，往往采用压床淬火。有时用压床淬火也不能控制变形，需再作精整处理；渗碳工艺所用的到加热炉能耗高，液体渗碳还涉及NaCN剧毒物质；对齿轮不需渗碳的部位还需作防渗处理。渗氮齿轮的制造工艺流程比渗碳简单，渗氮后不用淬火就可得到高的硬度，但渗氮过程周期长，成本高，渗氮层薄而脆，对不需渗氮的部位需作防渗处理。火焰淬火的加热温度及淬硬层深度不易控制，淬硬层质量不稳定，喷嘴结构复杂。齿轮感应加热淬火方法用得比较广泛，但在采用回转感应加热淬火时，对于模数稍大的齿轮，为了要达到加热全齿，会引起齿尖过烧；而用单齿连续加热淬火方法时，又不易得到沿全齿廓的均匀硬化层，特别是齿根硬度差；采用沿齿沟连续加热淬火方法时，齿顶部位的淬火效果又差，况且感应器制作复杂，通用性差，因而成本高。为此，有些厂家采用了激光表面硬化处理工艺，但由于其吸光涂料选用不当，吸光效果差，激光表面硬化处理效率低。
3、发明内容：
本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种吸光效果好，激光表面硬化处理效率高的齿轮激光表面硬化处理工艺。此外，本发明不仅淬火硬度高，而且齿面表层形成的硬化层为合金化表层，其晶粒细化，变形极小，无环境污染本发明所用的机床设备及工艺器件的通用性强，操作自动化程度高，工艺流程短，制造成本低。本发明可以部分替代用渗碳、渗氮、感应淬火、火焰淬火等常规齿轮热处理工艺。
本发明用激光束将齿轮的齿廓表面相变硬化，其按如下步骤进行：
1)将待处理齿轮的表面进行清理，涂吸光涂料；
2)用激光束对齿轮齿廓表面进行扫描运动，使齿廓表层得以快速加热到相变温度以上；
3)将激光束离开齿轮的齿廓表面，齿轮因本身的热传导而随即自身快速冷却而淬火，在齿面表层形成硬化层；
上述步骤2)激光束对齿轮齿廓表面的扫描运动用数控激光加工机床来实现，对于直齿轮，激光束的扫描方式为齿轮不动，聚焦镜沿齿廓表面作轴向进给运动；对于斜齿轮或人字齿轮，激光束沿齿廓表面的扫描运动由齿轮的旋转运动和聚焦镜的轴向进给运动合成。
本发明与常规的齿轮表面硬化处理工艺相比还具有如下特点：
1、用激光表面硬化方法处理齿轮的齿面，可以做到不使齿面粗糙度变坏，而且激光表面硬化处理后工件的变形极小，可以忽略不计。因而对于常用的6、7、8级精度等级的齿轮，激光表面强化可以作为齿轮加工的最后工序，不需要再增加后续精整工序，也不需再作回火处理。
2、经过激光表面硬化处理后，齿面硬化层内存在的残余应力为压应力，这有利于提高齿轮的使用寿命。
3、用激光对齿面进行表面硬化处理，只需用激光束对齿面进行扫描运动，所用工艺器件的通用性强，不象感应淬火的感应器和火焰淬火的喷嘴那样通用性差。
4、理想的齿面硬化层应为沿齿廓均匀分布，由于激光表面硬化工艺参数极易实现自动化精确控制，与感应淬火或火焰淬火相比，可以得到更好的沿齿廓均匀分布的硬化层。
5、激光表面硬化处理属于局部处理方法，而且极易实现对所需硬化部位的准确控制，对于非处理部位无需象渗碳、渗氮方法那样要作防渗处理。
6、感应淬火或火焰淬火方法的对工件的加热和冷却(用外介质冷却)方向均是自外向里，因而淬硬层存在由外向里的硬度下降梯度。而用激光作表面硬化处理时，由于可以实现工件的快速自身冷却，冷却的方向是自里向外冷却，因而整个激光硬化层的硬度相同，这对于提高齿轮齿面的耐磨性具有非常重要的意义。
7、同样材质的齿轮，用激光表面硬化处理可以比感应淬火或火焰淬火得到更高的表面硬度、细化的晶粒、均匀的硬化层。
8、激光表面硬化处理一般无需外加冷却介质，而且在激光表面强化的全过程中不对环境产生污染。
9、对于大型齿轮，其他热处理工艺往往受到处理设备的限制，激光表面硬化处理便更显出其工艺优越性。
本发明不仅淬火硬度高，而且齿面表层形成的硬化层为合金化表层，其晶粒细化，变形极小，无环境污染。本发明所用的机床设备及工艺器件的通用性强，操作自动化程度高，工艺流程短，制造成本低。本发明可以部分替代用渗碳、渗氮、感应淬火、火焰淬火等常规齿轮热处理工艺。
另外，齿轮激光表面硬化工艺特别适用于大型齿轮，冶金、矿山机械等的重载传动齿轮，由于齿轮的模数大、齿轮整体外形尺寸大，常规热处理工艺受到设备的限制而难于进行齿面热处理，通常设计为低应力、调质软齿面状态使用。如用激光表面强化工艺将这类齿轮的齿面进行硬化处理，增加其表面硬度，便可大幅度地提高其使用寿命。大型齿轮经过渗碳后，其齿面的淬火也可用激光表面硬化工艺进行。
以上激光表面硬化处理的特点，可以极大地简化齿轮制造工序流程，提高齿轮的质量，降低齿轮制造成本。
4、附图说明：
下面结合附图详细说明本发明的具体结构：
图1为本发明实施例中激光束沿人字齿面的扫描速度由齿轮的旋转圆周速度与聚焦镜的轴向进给速度合成的示意图。
5、具体实施方式：
实施例：
本发明为用于某线材轧机生产线联合减速机人字齿轮轴的齿面激光表面硬化处理，齿轮的材质为34CrNiMo，基体调质硬度HB300～320。齿轮模数Mn＝16mm，齿数Z＝22，螺旋角为26.83°。本发明所用的激光处理用机为广州富通公司生产的GFT-11型激光热处理机(具有四轴三联动数控系统)。其按如下步骤进行：
1)将待处理齿轮的表面进行清理，涂吸光涂料；
2)用激光束对齿轮齿廓表面进行扫描运动，使齿廓表层得以快速加热到相变温度以上；
3)将激光束离开齿轮的齿廓表面，齿轮因本身的热传导而随即自身快速冷却而淬火，在齿面表层形成硬化层。
上述吸光涂料是在常用CO2吸光涂料中添加有镍基合金粉和WC、TiC硬质碳化物粉末。
上述激光束为CO2激光束。上述照射到齿面的光斑功率密度为104～105W/cm2。上述硬化层的深度为0.4～1mm。上述照射到齿面的激光光斑为窄带圆形光斑或宽带条形光斑。本实施例中，上述激光束照射到齿面的激光光斑为窄带圆形光斑或宽带条形光斑。调整激光加工工艺参数，如激光功率、光斑大小、扫描速度等，用激光束对齿面部分进行扫描时，激光束的激光功率为1600W，光斑直径为5mm，扫描速度为1.5m/min，扫描带搭接量为1mm。用激光束对齿根部位进行扫描时，激光束的激光功率为1500W，光斑直径为6mm，扫描速度为1.8m/min，使照射到齿面的光斑的功率密度为104～105W/cm2，能使齿面产生相变硬化层，硬化层的深度为0.4～1mm，齿面硬度与齿轮所用材质有关。
调节激光光斑大小以及激光束对齿面的人射方向。光斑大小尽量与所扫描的齿面宽度相同。如果所照表面较宽，可分两次或两次以上扫描。激光束在避开相邻齿廓干涉的前提下，尽量与被照表面垂直，入射角不小于45°。
上述所处理的齿轮在激光表面强化处理前已经经过调质或正火或渗碳等预先热处理和机械加工，经过激光表面强化处理后可直接投入使用，对于限于热处理条件而无法作齿轮调质或正火的齿轮，亦可用激光表面硬化处理。
上述所用的激光束对齿轮的齿廓表面的扫描运动用数控激光加工机床来实现，对于直齿轮，激光束的扫描方式为齿轮不动，聚焦镜沿齿廓表面作轴向进给运动；对于斜齿轮或人字齿轮，激光束沿齿廓表面的扫描运动由齿轮的旋转运动和聚焦镜的轴向进给运动合成。
激光束沿人字齿面的扫描速度由齿轮的旋转圆周速度与聚焦镜的轴向进给速度合成，如图二所示。
为了提高激光处理的工作效率，上述激光束对齿轮的齿廓表面的扫描运动按齿的旋向依次逐齿扫描，先扫描一个旋向的轮齿之后，再扫描另一个旋向的轮齿。逐齿扫描的分齿方法有：用机械定位机构控制定位，或用数控分度两种方式。本发明逐齿扫描的分齿方法采用划针盘定位法分齿，该方法简便有效。
经过激光表面硬化处理后，齿面硬度为HRC55～60，齿面光洁如初，使用效果很好。
Claims (1)
1、一种齿轮的激光表面硬化工艺，用激光束将齿轮的齿廓表面相变硬化，其按如下步骤进行：
1)将待处理齿轮的表面进行清理，涂吸光涂料；
2)用激光束对齿轮齿廓表面进行扫描运动，使齿廓表层得以快速加热到相变温度以上；
3)将激光束离开齿轮的齿廓表面，齿轮因本身的热传导而随即自身快速冷却而淬火，在齿面表层形成硬化层；
其特征在于上述步骤2)激光束对齿轮齿廓表面的扫描运动用数控激光加工机床来实现，对于直齿轮，激光束的扫描方式为齿轮不动，聚焦镜沿齿廓表面作轴向进给运动；对于斜齿轮或人字齿轮，激光束沿齿廓表面的扫描运动由齿轮的旋转运动和聚焦镜的轴向进给运动合成。
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