齿轮激光表面处理的若干关键技术研究

论文摘要

本文以齿轮表面激光淬火和激光熔覆为研究内容,重点对齿轮激光淬火硬化层性能与层深,以及齿轮激光熔覆工艺与裂纹控制等关键技术问题进行研究。激光淬火硬化层深度是激光热处理的一项综合性能指标,也是衡量激光淬火质量的主要因素。为了便于对工艺参数进行优化和对层深的预测,建立了45钢磷化预处理表面激光淬火硬化层深的精确预测模型。该模型考虑了预处理表面吸收系数随工艺参数变化的实际情况,考虑了相变潜热和与实际情况接近的对流换热边界条件,用变量函数载荷表模拟移动热源;对比实验与模拟数据,根据能量转换系数与工艺参数P、v的变化规律,进行能量转换系数的拟合,以相变温度为相变硬化临界值,实现了硬化层深的精确预测。这些研究提供了一种结合先进计算机技术的精确预测相变硬化层深的研究思路,试验验证其具有较高的精确性。同时,根据纵向硬化层深的试验研究,得到了进端层深小于中间层深,出端层深大于中间层深的分布规律。为了获得纵向层深均匀分布的硬化层,宜采用变速扫描工艺;通过变速扫描的ANSYS模拟,得到的进出端表面最高温升基本接近中间各点,经试验验证,硬化层均匀性得到明显改善。首次进行了条件与实际工况相近的激光淬火齿轮的疲劳寿命试验研究,其研究结果高于ISO6336及GB/T3480标准中常规热处理齿轮的无限寿命基本疲劳循环次数;并对激光淬火齿轮具有较高疲劳寿命的机理进行了深入的分析。其机理在于齿轮激光淬火后获得了与轮齿受载情况相匹配的硬化层分布;硬化层具有非常稳定的残余压应力,使齿轮啮合过程中最大剪应力峰值显著下降;残余压应力使齿根受拉一侧危险截面处的应力明显下降;硬化层内沿深度方向的硬度分布无明显硬度梯度,这些特性提高了齿轮的耐磨性、抗弯曲折断疲劳强度,对提高疲劳寿命的作用十分显著。硬化层具有良好的综合机械性能,因而不会发生剥落现象,具有很高的抗剥落性能。对于激光淬火搭接扫描齿轮,齿面搭接扫描回火带的硬度值降低约HRc7左右,试验结果表明,不会因此形成影响疲劳强度的疲劳源,这为大模数齿轮采用搭接扫描提供了一个重要的可行性依据。齿轮激光淬火有效硬化层深的取值到目前为止没有统一的标准,这对该项技术的推广应用十分不利。为此,根据齿轮淬火硬化层深的主要计算理论,进

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ABSTRACT

第1章绪论

1.1 研究的背景、意义及来源

1.1.1 研究的背景

1.1.2 研究意义与课题来源

1.2 激光淬火发展状况

1.2.1 国内外激光淬火的研究发展现状

1.2.2 存在的问题分析

1.3 激光熔覆研究与进展

1.3.1 激光熔覆发展概况

1.3.2 激光熔覆研究现状

1.3.3 存在的主要问题

1.4 研究内容和章节安排

1.4.1 本文的研究内容

1.4.2 章节安排

第2章激光淬火硬化层研究

2.1 激光淬火硬化层形成机理与特性

2.1.1 激光淬火过程的传热分析

2.1.2 激光淬火的加热与冷却过程

2.1.3 激光淬火的硬化层特性

2.2 基于激光淬火硬化层深度的ANSYS温度场模拟

2.2.1 ANSYS有限元分析软件及特点

2.2.2 激光淬火ANSYS温度场分析模型

2.2.3 材料热物性参数与边界条件的确定

2.2.4 后处理与结果分析

2.2.5 基于ANSYS的层深预测

2.3 激光工艺参数对激光淬火纵向硬化层均匀性的影响

2.3.1 进出端层深问题试验研究

2.3.2 纵向硬化层深均匀性模拟与试验

2.4 本章小节

第3章激光淬火齿轮的疲劳寿命与耐磨性研究

3.1 齿轮激光淬火工艺方法

3.1.1 周向连续扫描工艺方法

3.1.2 轴向扫描工艺方法

3.1.3 大模数齿轮激光淬火的工艺特点

3.2 激光淬火齿轮的疲劳寿命和耐磨性试验研究

3.2.1 试验设备及其主要参数

3.2.2 疲劳寿命试验方法与过程

3.2.3 激光淬火齿轮疲劳寿命试验结果分析

3.3 激光淬火齿轮的疲劳寿命和耐磨性机理分析

3.3.1 激光淬火齿轮表面残余压应力对齿轮疲劳寿命的影响

3.3.2 沿层深方向的硬度分布、硬化层内的显微组织对齿轮耐磨性的影响

3.3.3 激光淬火齿轮的轮齿截面硬化带分布形状对疲劳寿命的影响

3.3.4 激光淬火齿轮硬化层过渡区组织特性对齿轮抗冲击性能的影响

3.4 本章小节

第4章激光淬火齿轮的有效硬化层深与当量层深

4.1 激光淬火齿轮的有效硬化层深

4.1.1 关于齿轮淬火的最佳硬化层深与适当硬化层深

4.1.2 激光淬火齿轮的有效硬化层深度与承载能力

4.1.3 齿轮激光淬火实际应用中的有效硬化层深

4.2 激光淬火齿轮当量硬化层深度的计算方法

4.2.1 碳氮共渗齿轮与渗碳齿轮的硬化层当量折算系数

4.2.2 激光淬火齿轮有效层深的推荐范围及其当量硬化层深与当量折算系数

4.2.3 激光淬火齿轮最小硬化层深度

4.2.4 实例分析

4.3 本章小节

第5章激光熔覆试验研究与结果分析

5.1 激光熔覆的机理与工艺

5.1.1 激光熔覆基础理论

5.1.2 激光熔覆材料

5.1.3 激光熔覆工艺

5.2 激光熔覆裂纹的影响因素分析

5.2.1 熔覆材料及其与基体材料的匹配

5.2.2 激光工艺参数的影响

5.3 激光熔覆裂纹控制试验研究

5.3.1 镍基合金多层熔覆裂纹控制试验

5.3.2 梯度材料激光熔覆裂纹控制试验

5.3.3 激光熔覆成形裂纹控制试验

5.4 超声振动下的镍基合金激光熔覆试验

5.4.1 超声振动在金属凝固中的应用

5.4.2 超声振动在激光熔覆过程中的作用

5.4.3 超声振动下的激光熔覆试验

5.5 激光熔覆应力ANSYS模拟

5.5.1 激光熔覆ANSYS物理建模

5.5.2 激光熔覆温度场模拟

5.5.3 激光熔覆ANSYS应力分析

5.6 本章小节

第6章齿轮表面的激光熔覆

6.1 预置式齿轮表面激光熔覆试验研究

6.1.1 试验设备、材料、方法

6.1.2 工艺参数的优选

6.1.3 预置式齿轮激光熔覆试验与结果分析

6.2 送粉式齿轮表面激光熔覆试验

6.2.1 试验设备、材料、方法

6.2.2 工艺参数的优化

6.2.3 送粉式齿面熔覆与结果分析

6.3 本章小节

第7章全文总结

7.1 论文总结

7.2 主要创新点

致谢

参考文献

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果

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