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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 U／s01)。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10.6μm的红外光的反射率均在90％以上[2]，要提高金属表面对10.6μm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10.6μm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。1～2 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He—Ne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10％～15％，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Φ80 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 μm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 mm[10]。

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。

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