数控机床主轴激光热处理工艺研究改1.doc

文献综述数控机床主轴激光热处理工艺研究引 言数控技术自20世纪中期出现以来获得了长足发展。数控机床具有广泛的适应性和较大的灵活性,能以较高的生产率适应煤矿机械不同零部件的加工, 并可获得较高的加工精度和稳定的加工质量；工序集中, 一机多用, 能够完成普通机床难以完成和或不能完成的复杂型面加工。为适应机加工更高的技术要求, 数控机床的转速已高达每分钟几十万转。数控机床的大功率、高转速给主轴的设计、生产带来了新问题。机床主轴发热量大, 磨损严重已影响到数控机床特点的发挥。传统的高频淬火、主轴整体淬火、局部渗碳等方法只能满10000 r/min的转速要求，而现在数控机床主轴转速提高了几十倍，传统的方法由于受到生产周期长、设备要求高、消耗电能多、不环保、工件变形大等缺点的限制，已不能满足机床主轴高转速的要求。因此，寻找一种机床主轴新的表面热处理方法已成为一个重要课题。激光是20世纪60年代产生的重大科学技术成果之一，在工业、农业、军事、医学等各个领域已得到非常广泛的应用。激光金属表面硬化常称激光热处理，它是随大功率激光器功率不断提高而迅速发展起来的新技术。应用强激光方向性好的特点，把激光束作热源对金属材料表面进行局部快速加热，靠金属材料自身的热传导进行冷却(冷却速度高达100107 Us01)。导致被激光加热过的金属表层区域的金相组织、物理、化学性能发生变化，达到表面局部硬化的目的。与传统热处理方法相比, 激光热处理可满足上述数控机床主轴的新要求。激光热处理利用高密度的激光束照射金属材料表面, 使材料表层温度迅速升高, 当激光束停止作用后, 材料基体温度迅速下降, 从而使材料表层经历一个热处理过程。通过控制激光功率、功率密度分布、激光作用时间等参数,改变金属热循环形式, 可以完成材料表层的淬火等工艺。激光热处理有如下一些特点: (1) 激光束能量密度高, 加工速度快, 并且是局部加工, 对非激光束照射部位影响极小。因此, 其热影响区小, 工件热变形小, 加工精度高；(2) 被加工件不受尺寸、形状限制, 无需冷却介质；(3) 无污染, 噪声小, 劳动强度低, 生产效率高。经激光表面热处理过的主轴外表面(40Cr) 可形成坚硬的淬硬层, 硬度可达HRC60-66, 并且淬硬层全部为超细马氏体, 各项性能指标优于高频淬火组织。因此机床主轴磨损严重, 表面容易烧伤等问题严重制约其发展。采用激光表面热处理工艺, 对机床主轴主要表面进行快速激光扫描, 可获得高硬度淬火硬化层。激光输出功率越大, 光斑的平均密度越高, 从而使淬硬层深度和宽度增加。理论和实践证明, 在数控机床主轴的加工过程中, 穿插激光热处理可有效提高其耐磨性。激光热处理技术1激光热处理原理及工业生产装置强激光照射金属表面时，若克服高反射，大部分透入金属表面被吸收1。激发态的电子与晶格或其它电子碰撞，将金属表面局部的热量迅速向内部传递，形成极高的冷却速度，使表面硬化。影响金属吸收光能的因素主要有金属材料的性质、表面状态(粗糙度、颜色等)。大多数金属对波长10.6m的红外光的反射率均在90以上2，要提高金属表面对10.6m的红外光的吸收必须对金属表面进行涂层处理，涂胶体石墨、磷化、磷酸锰、磷酸锌或特种专用涂料。对涂料要求：增强吸收10.6m的红外光，除去容易，涂层工艺要简单、厚度要适宜。专用涂料配方中还可以加入适量有利相变的元素3。主要目的是使材料对激光的吸收率大幅度提高。激光光束照射到钢表面时，表面层吸收能量，使钢迅速加热到相变温度以上，转变成奥氏体，在冷态基体自冷作用下实现淬火4。由于加热速度快，钢的奥氏体化温度提高得很多，奥氏体形核率增大，但生长受到抑制，加上碳原子来不及扩散，得到成分不均匀且细小的奥氏体，故淬火后获得微细马氏体组织。所以激光淬火后的钢，具有高强度和硬度5，而且表层存在残余压应力，有益于提高硬度、耐磨性、疲劳极限和抗蚀性。激光热处理装置系统组成如下6：(1)激光器系统包括激光器(含激光电源)、激光功率监测及激光功率反馈装置。大部分用横流或轴流CO2激光器，上千瓦的常称大功率激光器。12 kW能解决一般热处理问题。固体激光器中常用铷玻璃激光器及YAG激光器。(2)导光系统即光路转折调整机构与聚焦组成。光路部分常用HeNe激光准直，把激光束引导到工件待加工表面；聚焦是改变光斑大小的关键部件，通过改变工件表面的激光功率密度，达到不同激光热处理的目的。聚焦分反射式或透射式，聚焦光斑有圆形散焦光斑和矩形散焦光斑，后者称宽带聚焦，较前者复杂，但硬化层硬度分布均匀。(3)微机控制淬火机床(工作台)针对不同工件形状、不同加工目的而设计，配备灵活通用的工装夹具，有专用机床，也有多用机床；固定被淬火工件作平动、转动或合成运动；另一种靠导光系统移动光斑，淬火机床仅固定工件，这种机床就是一个工作平台，但光路移动部件精度及稳定性要求较高。2采用激光处理的工件主要特点 (1)加热快，温升速率高，热影响区小，变形小，甚至无变形7。(2)表面硬度高，比常规热处理高1015，激光热处理对各种材料硬化影响，如表1所列。(3)可对各类复杂程度不同的零件实现表面、局部淬火处理。(4)提高了抗疲劳强度和抗蚀性，耐磨性好。表1 光热处理对各种材料硬化影响研究方法的分析1选择数控机床主轴和实验材料数控机床主轴一般采用40Cr、45 钢。选择电主轴作为主要的实验对象( 见图1) , 该电主轴要求材料为40Cr, 调质处理, 主轴转速8-10 万r/min, 最后安装轴承处及主要表面硬度为HRC52-56, 并随机附带4个试样, 试样直径80 mm, 厚20 mm, 两端磨平, 在激光淬火时, 表面均匀8。图1 电主轴示意图一般钢铁材料对常用10.6 m波长激光吸收率很低, 仅为30% 左右, 因此在实际使用CO2 激光器进行热处理前, 分别在主轴和试样上涂一层特别的涂料, 以增加对激光的吸收9。用5kW的CO2横流式激光器对主轴及试样进行激光热处理, 其输出功率P = 1800-20000W,稳定度为2%,扫描速度为5mm/s,机床转速为30 r/min,扫描宽度为2-3.5 mm10。2式样结果与分析 试样完成后在HV- 150A 显微硬度计上进行表面淬火层显微硬度测试，通过OM 光学显微镜对试样进行金相组织观察, 并对淬硬层深度和宽度进行测量11。对机床主轴试样激光热处理后的金相组织进行分析： (1) 淬硬层深度在0.5 1.2 mm, 这个深度可在激光淬火完成后对各表面进行最后精磨12，由于激光热处理变形极小， 磨削量在0.05 0.1 mm。(2)硬化层分为3 层：第1 层为完全淬硬层，由极细马氏体加少量残余奥氏体组成，这一层与激光作用时间最长，加热温度最高，加之原始调质组织成分比较均匀，为较理想的金相组织；第2 层为过渡层，该层加热温度位于A c1 A c3。温度梯度小，作用时间短，铁素体向奥氏体转变和渗碳体溶解不均匀，冷却后形成马氏体+ 铁素体+ 渗碳体混合组织；第3 层为原始组织高温回火层。( 3) 淬火硬度在HRC60 66, 显然比原技术要求高HRC10 左右，硬度提高，耐磨性增强。从表2、图2 可以看出：激光热处理后, 对提高机床主轴综合性能有很大影响。这是因为40Cr钢的组织主要是珠光体和铁素体组织，激光束作用于40Cr 钢表面后，表面温度急剧上升到Ac3 以上，原来的珠光体转变成奥氏体后随温度急剧下降。硬化区的组织由珠光体和铁素体转变成马氏体, 从而使激光硬化区的组织更加致密, 耐磨性增加, 机床主轴综合性能得到提高13。表2 40Cr 激光热处理和常规热处理相对耐磨性比较图2 40Cr 钢激光硬化与调质处理耐磨性比较3激光处理工艺参数对淬火层深度和宽度的影响激光热处理工艺参数三要素：激光功率P 、光斑直径d (此两参数决定了功率密度) 、扫描速度v ( 该参数决定激光束与工件的作用时间)，它们直接影响激光淬火层的深度、宽度、硬度、组织以及机械性能14。 (1) 在扫描速度、离焦量不变的情况下, 随着激光输出功率增大，淬火层深度、宽度也相应地增大。这是因为激光器的输出功率增大时，光斑的平均密度也增加，金属表面吸收的能量使金属表面温度进一步提高，金属表面处于相变温度Ac3以上的区域增大，从而导致淬火层深度和宽度增加15。(2) 在激光器的输出功率、离焦量不变的情况下，随着扫描速度的增大，淬火层的深度和宽度减小16。原因是扫描速度越大，激光在材料上作用的时间越短，金属表面吸收的能量越低，从而导致淬火层深度和宽度的减小。因而应正确选择激光功率P和扫描速度v，来保证主轴表面达到理想的硬度、深度、宽度和机械性能。结 论机床主轴经激光热处理后，淬硬层可得到极细小的马氏体组织。机床主轴经激光淬火后，可获得较高的硬度17。机床主轴的磨损量比普通淬火的40Cr 钢的磨损量小。激光工艺参数对热处理效果有很大影响。改变功率P、扫描速度v，对扫描宽度和深度有较大的影响。展望激光表面处理工业应用的前景，应使1 5k w 的中功率CO2激光商品化，发展中的5 20 k w 大功率CO2激光器，特别要解决寿命和可靠性的问题。随着工业用CO2激光器的发展，必将促进激光表面处理在工业生产中的应用18。功率及各种参数均有待进一步提高。对激光功率、光斑尺寸、焦深大小、扫描速度、硬化带宽度、硬化深度、生产率、硬度分布和表面黑化处理等，特别是这些参量之间的相互关系，都进行了较为详细的研究19。激光热处理显著提高工件的耐磨性、耐腐蚀性、耐疲劳性和抗冲击性能等。但是，对组织与性能的复杂关系的深入研究，是目前激光热处理研究中最薄弱的环节。参考文献1丁阳喜, 周立志. 激光表面处理技术的现状及发展 J. 热加工工艺, 2007, 36(6): 69-72.2LIN C-W, TU J F, KAMMAN J. An integrated thermo-mechanical-dynamic model to characterize motorized machine tool spindles during very high speed rotation J. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2003, 43(10): 1035-1050.3ANDERSON S G. Review and forecast of the laser markets Part I: nondiode lasers J. Laser Focus World, 2001, 37(1): 88-110.4徐铭, 苏华礼. 主轴的激光热处理研究与分析 J. 煤矿机械, 2008, 29(8): 91-93.5JIANG S, MAO H. Investigation of variable optimum preload for a machine tool spindle J. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2010, 50(1): 19-28.6吴培桂, 陈莹莹, 张光钧. 绿色热处理工艺-激光热处理 J. 金属热处理, 2010, 35(12): 29-33.7苏华礼, 徐铭, 杜建伟, et al. 数控机床主轴激光热处理工艺研究 J. 热加工工艺, 2008, 37(4): 67-68.8何强, 刘宏昭, 雷文娟, et al. 高速主轴用40Cr钢激光热处理及磨损试验研究 J. 激光杂志, 2009, 30(4): 64-65.9花银群, 陈瑞芳, 杨继昌, et al. 激光淬火和冲击复合强化处理40Cr钢的耐磨性能研究 J. 摩擦学学报, 2003, 23(5): 448-450.10李刚, 邱玲, 邱星武. 40Cr激光熔凝硬化组织形态及硬度研究 J. 热处理技术与装备, 2008, 29(3): 25-28.11李建卫, 王宗英, 祝金兰, et al. 激光强化40Cr合金钢表面磨损的实验研究 J. 沈阳建筑工程学院学报(自然科学版), 2002, 18(3): 223-225.12王慧萍, 戴建强, 张光钧, et al. 激光工艺参数对45号钢组织和性能的影响 J. 上海工程技术大学学报, 2004, 18(2): 121-126.13魏仑, 陈庆华, 李俊昌, et al. 40铬钢表面加碳激光合金化处理 J. 激光技术, 2002, 26(1): 1-3,8.14李新华, 周健. 38CrMoAlA激光宽带相变强韧化处理 J. 煤矿机械, 2007, 28(12): 120-122.15王家淳. 激光焊接技术的发展与展望 J. 激光技术, 2001, 25(1): 48-53.16田久良, 洪军, 朱永生, et al. 机床主轴-轴承系统热-力耦合模型及其动态性能研究 J. 西安交通大学学报, 2012, 46(7): 6