齿轮激光热处理工艺研究.pdf

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1、第24卷第2期兵工学报Vol.24No.22003年5月ACTAARMAMENTARIIMay2003!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!齿轮激光热处理工艺研究李占国张宏石岩徐春鹰（长春理工大学机械工程系，吉林长春，130022）摘要本文提出了齿轮激光热处理的三项关键工艺技术，即连续偏置、变速扫描和辅助冷却技术。在此基础上，获得了沿齿廓分布的均匀硬化层。检测结果表明：齿轮激光淬火变形很小，不影响齿轮的精度等级。其硬化层组织由淬硬层、过渡区和基体组成。关键词机械制造工

2、艺与设备；齿轮；表面强化；激光淬火；变形中图分类号V215.52；Tg142.41；Tg156.99齿轮激光热处理在国内外已经开展了一些研究在"OBA中工作［1!6］，但是如何能够获得沿齿廓均匀分布的硬atg!a=化层一直是研究的热点。本文根据渐开线齿轮的特Tb式中，T为基圆半径；!为齿顶圆压力角。点，提出了三项齿轮激光热处理的关键工艺技术，并ba则获得了理想的硬化效果。a=Tbtg!a（1.1）!齿轮激光热处理的关键工艺技术由渐开线方程可得!.!连续偏置技术Tb=Tacos!a（1.2）式中，T为齿顶圆半径由于齿轮的齿廓是渐开线，因此必须使激光束a光轴

3、和齿轮的旋转轴线保持一定的距离，才可以使则a=TTb（1.3）btgarccos（）Ta整个齿面得到硬化，定义此距离为齿轮偏置量a，如对于标准直齿圆柱齿轮图1.1所示，此时前一个齿的齿顶A恰好不能挡住激光束对下一个齿的处理。Tm（Z+2h"）a=a2mTb=Zcos!2代入（1.3）式得mZcos!Zcos!（1.4）a=tgarccos（"）2Z+2ha式中，h"为齿顶高；m为模数；Z为齿数；!为a分度圆压力角。考虑到激光束的光斑尺寸和水平工作台的运动，上式修正为：mZcos!Zcos!d0图1.1齿轮偏置分析a=tgarccos（"）+-O（t1）t

4、12Z+2ha2Fig.1.1Analysisofgeardeviations（1.5）过A点作渐开线AC的切线，切点为A，过A作式中，d为光斑直径；O（t）为水平工作台的运动01基圆的切线，切点为B，则BA=a.速度；t为设定的水平工作台运动时间。12002年4月收稿，2003年4月定稿。第2期齿轮激光热处理工艺研究227!."变速扫描技术"试验条件在齿轮处理的过程中，考虑到热传导对硬化效果的影响，应使激光沿齿面由齿顶向齿根移动，如图齿轮材料为4CrNiMoA，激光热处理前调质处1.2所示。扫描速度定义为激光束与齿面的相对运理，基体硬度HV343"35

5、2.动速度。设K为激光束照射到渐开线上的一点，则齿轮的制造参数：模数m=4，齿数Z=23，压力角"=2，齿宽B=2.K点的扫描速度可以表示为：ux=rk!（m2）sin!（m2）m2（1.6）激光热处理前，为提高对激光的吸收率，对齿面进行磷化处理。采用辅助水冷却。采用多面体棱镜式中，!（m）为设定的齿轮的旋转角速度；r为渐2K宽带扫描转镜系统，激光热处理采用自行研制的开线上K点的极径；m为设定的齿轮旋转时间。2在!OBK中CGJ—93型5KW五轴四联动CO2激光处理系统，所采用的激光热处理工艺参数见表2.1。cos!（m）ma（1.7）表2.1齿轮激光热

6、处理工艺参数22=rKTab.2.1Parametersforlaser-hardenedgear则由（1.6）式和（1.7）式可得：激光功率／kW光斑尺寸／mm>mm扫描速度／mm·min-1ux=a!（m2）tg!（m2）m2（1.8）2.83>11"12考虑到水平工作台的运动，上式可以修正为：ux=a!（m2）tg［!（m2）m2］-u（m1）（1.9）#试验结果及其分析#.!齿轮激光淬火的硬化层图3.1给出的是采用宽带激光束处理齿轮所获的硬化层沿齿廓的分布情况，由图可以看出所得到的硬化层形状是均匀的。齿顶无需淬硬，是因为齿顶是非工作面，并可以防止

7、啮合时发生冲击断齿。同时齿根也得到淬火。这种硬化层分布可以显著提高齿根的弯曲疲劳强度和齿面的接触疲劳强度，将会大大地延长齿轮的使用寿命［7］。激光热处理硬图1.2齿轮激光热处理扫描速度分析化层硬度曲线见图3.2。Fig.1.2Analysisoflaser-treatmentspeed!.#辅助冷却技术由于齿的热容量较小，难以满足激光处理自淬火的要求，因此必须采用辅助冷却技术，使齿面的冷却速度达到临界冷却速度，提高硬化层厚度。同时采用辅助冷却技术，也可以防止已淬硬的齿面回火，确保获得良好的硬化效果，如图1.3所示。图3.1齿轮激光热处理的硬化层分布Fig

8、.3.1Hardened-caseofgearflank图1.3齿轮激光热处理辅