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    數(shù)控機(jī)床主軸激光熱處理工藝研究

    2012年08月17日 10:59點(diǎn)擊:754作者:默認(rèn)來源:>>進(jìn)入該公司展臺(tái)

      數(shù)控技術(shù)自20世紀(jì)中期出現(xiàn)以來,獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。為適應(yīng)機(jī)加工更高的技術(shù)要求,數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速已高達(dá)每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)。數(shù)控機(jī)床的大功率、高轉(zhuǎn)速給主軸的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)帶來了新問題。傳統(tǒng)的高頻淬火、主軸整體淬火、局部滲碳等方法只能滿足10000r/min的轉(zhuǎn)速要求,而現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速提高了幾十倍,傳統(tǒng)的方法由于受到生產(chǎn)周期長(zhǎng)、設(shè)備要求高、消耗電能多、不環(huán)保、工件變形大等缺點(diǎn)的限制,已不能滿足機(jī)床主軸高轉(zhuǎn)速的要求。因此,尋找一種機(jī)床主軸新的表面熱處理方法已成為一個(gè)重要課題。
      
      與傳統(tǒng)熱處理方法相比,激光熱處理可滿足上述數(shù)控機(jī)床主軸的新要求。本文以主軸常用材料40Cr為實(shí)驗(yàn)材料,研究激光處理對(duì)其組織和性能的影響。
      
      1實(shí)驗(yàn)材料及方法
      
      選擇安陽萊必鈦機(jī)械有限公司生產(chǎn)的電主軸,該電主軸材料為40Cr,調(diào)質(zhì)處理,主軸轉(zhuǎn)速8~10萬轉(zhuǎn)/min。zui后安裝軸承處及主要表面性能要求:52~56HRC,σb=980MPa,σs=780MPa,δs≥9%,ψ>45%,A>7J·mm-2;并隨機(jī)附帶4個(gè)φ80mm×20mm試樣,兩端磨平。
      
      一般鋼鐵材料對(duì)常用10.6μm波長(zhǎng)激光吸收率很低,僅為30%左右,因此在實(shí)際使用CO2激光器進(jìn)行熱處理前,分別在主軸和試樣上涂一層特別的涂料,以增加其對(duì)激光的吸收。
      
      用安陽睿愚有限公司5kW的CO2橫流式激光器對(duì)試樣進(jìn)行激光熱處理,其輸出功率(P)為1800~20000W,掃描速度為5mm/s,機(jī)床轉(zhuǎn)速為30r/min,掃描寬度為2~3.5mm。
      
      在HV-150A顯微硬度計(jì)上進(jìn)行表面淬火層顯微硬度測(cè)試,通過光學(xué)顯微鏡(OM)對(duì)試樣進(jìn)行金相組織觀察,并對(duì)淬硬層深度和寬度進(jìn)行測(cè)量。
      
      2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
      
      2.1激光淬火層的組織及硬度
      
      激光熱處理后的組織如圖1所示,其淬火硬化層分為三層。*層為*淬硬層。由極細(xì)馬氏體加少量殘余奧氏體組成1,這一層與激光的作用時(shí)間zui長(zhǎng),加熱溫度zui高,加之原始調(diào)質(zhì)組織成分比較均勻,為較理想的金相組織;第二層為過渡層,該層加熱溫度處于Ac~Ac3,溫度梯度小,作用時(shí)間短,鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變和滲碳體溶解不均勻,冷卻后形成馬氏體+鐵素體+滲碳體混合組織;第三層為原始組織的高溫回火層。
      


    圖1激光處理后主軸表面顯微組織
      
      激光淬火后淬硬層硬度為60~66HRC,顯然比原技術(shù)要求高10HRC左右,硬度提高,耐磨性增強(qiáng)。從表1可以看出,激光熱處理對(duì)主軸綜合性能的提高有很大影響。這是因?yàn)?0Cr鋼的組織主要是珠光體和鐵素體,激光束作用于40Cr鋼表面后,表面溫度急劇上升到Ac3以上,原來的珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體后,隨溫度急劇下降。硬化區(qū)的組織由珠光體和鐵素體轉(zhuǎn)變成馬氏體,從而使激光硬化區(qū)的組織更加致密,耐磨性增加,機(jī)床主軸綜合性能得到提高。
      
    表140Cr激光熱處理和常規(guī)熱處理相對(duì)耐磨性比較

      

      2.2工藝參數(shù)對(duì)淬火層深度和寬度的影響
      
      在掃描速度、離焦量不變的情況下,隨輸出功率的增加,淬火層的深度、寬度也相應(yīng)增大,如圖2所示。這是因?yàn)榧す馄鞯妮敵龉β试龃髸r(shí),光斑的平均密度也增加,金屬表面吸收的能量使得金屬表面的溫度進(jìn)一步提高,金屬表面處于相變溫度以上的區(qū)域增大,從而導(dǎo)致淬火層深度和寬度增加。
      


    圖2輸出功率與淬火層深度、寬度的關(guān)系曲線
      
      在激光器的輸出功率、離焦量不變的情況下,隨掃描速度的增大,淬火層的深度和寬度減小(圖3所示)。這是因?yàn)閽呙杷俣仍酱螅す庠诓牧仙献饔玫臅r(shí)間越短,金屬表面吸收的能量越低,從而導(dǎo)致淬火層深度和寬度減小。因而應(yīng)正確選擇激光功率和掃描速度,來保證主軸表面達(dá)到理想的硬度、深度、寬度和力學(xué)性能。
      


    圖3掃描速度與淬火層深度和寬度的關(guān)系曲線
      
      3結(jié)論
      
      (1)機(jī)床主軸經(jīng)激光熱處理后,淬硬層可得到極細(xì)小的馬氏體組織。
      
      (2)機(jī)床主軸經(jīng)激光淬火后,可獲得較高的硬度;磨損質(zhì)量損失比正常淬火的40Cr鋼的磨損質(zhì)量損失小。改變功率、掃描速度,對(duì)淬硬層寬度和深度有較大的影響。

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