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激光在齿轮制备工艺方面的应用

导读: 齿轮激光表面强化是一种新型的齿轮表面强化技术,它可以克服传统的齿轮表面强化工艺,如渗碳淬火、感应淬火等的硬化层分布不均,变形大等缺点,是目前齿轮加工的前沿技术。

  齿轮是机械设备传动系统中应用最为广泛数量极大的通用机械零件,在使用过程中易产生疲劳点蚀、胶合、断齿等失效现象。齿轮表面质量的好坏直接影响传动部件的质量和寿命,因此为了有效提高齿轮的承载能力,延长其使用寿命,通常采用对齿轮表面进行强化处理的方法以提高齿面硬度。

  齿轮激光表面强化是一种新型的齿轮表面强化技术,它可以克服传统的齿轮表面强化工艺,如渗碳淬火、感应淬火等的硬化层分布不均,变形大等缺点,是目前齿轮加工的前沿技术,已被用于美国核潜艇上的齿轮处理;是极有发展前景的高新技术。

  一.国内外研究现状

  早在1980年,美国军事应用技术实验室就对齿轮的激光硬化调查结果作过一个广播节目报道,并由芝加哥伊利诺理工学院研究所承担了齿轮的激光硬化研究项目,之后公布了实验结果:对激光表面硬化处理后和经渗碳处理后的AMS(美国航空材料规范)6265正齿轮的抗胶合寿命与齿的弯曲强度的比较表明,激光硬化代替渗碳处理在航空器件中的AMS6265齿轮能得到显著的经济效果,有效硬化深度为0.66~0.86mm,单件成本降低了37%~78%。八十年代末,美国加州机电研究所用5kW激光器对大型花键轴进行激光淬火,获得淬火硬度HRC59,深度0.762~0.864mm的淬硬层。美国军方研究所用激光淬火潜水艇、飞机等重载大齿轮,解决常规热处理引起齿轮变形过大及噪音问题。激光淬火的齿轮包括AH-64直升机辅助动力装置的行星齿轮及飞机主传动装置的传动齿轮.由于激光硬化后不需要研磨,故可大大降低生产成本,提高生产率。

  目前,国内对齿轮激光、淬火的激光扫描方式、机理及工艺参数优化等技术进行的研究,均取得了一定的成果。

  二.齿轮加工传统工艺

  (一)传统加工工艺:传统主要采用渗碳工艺和高频表面淬火工艺等工艺路线。

  1.渗碳工艺路线

  采用低碳钢材质(如20Cr、20CrMnTi等),使工件表面具有耐磨性。该工艺具有较好的综合性能,但由于成本高、易造成环境污染,且不方便大模数齿轮和大齿轮轴处理,目前仅在汽车、拖拉机等特定行业采用;

  2.高频淬火工艺路线

  采用中碳钢材质如:低档的45#(及其代用品)、中档的40Cr(及其代用品)、高档的42CrMo(及其代用品)等。加工后使工件具有耐磨性能。

  (二)传统工艺的弊病

  中、小型批量处理的齿轮

  常规处理方法多采用高频淬火、渗碳、氮化、碳氮共渗等工艺方法,其优点在于硬化均匀,可批量处理,但氮化处理的硬化曾则不及激光处理的层深;缺点在于:

  1)由于长时间高温加热齿轮,其内部组织有长大趋势,内部综合机构性能易变,其需配以冷却设施,工艺较为复杂;

  2)容易使齿面产生较大的变形,必须进行磨削加工,而磨削时又容易出现磨削裂纹;

  3)常规工艺加工处理的周期很长,能源消耗很大。

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