數(shù)控技術(shù)自20世紀(jì)中期出現(xiàn)以來，獲得了長足發(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、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。最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φ80mm×20mm試樣，兩端磨平。
一般鋼鐵材料對常用10.6μm波長激光吸收率很低，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，以增加其對激光的吸收。
用安陽睿愚有限公司5kW的CO2橫流式激光器對試樣進(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試，通過光學(xué)顯微鏡(OM)對試樣進(jìn)行金相組織觀察，并對淬硬層深度和寬度進(jìn)行測量。
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。第一層為完全淬硬層。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間最長，加熱溫度最高，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1 40Cr激光熱處理和常規(guī)熱處理相對耐磨性比較
2.2 工藝參數(shù)對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，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?，激光在材料上作用的時間越短，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，對淬硬層寬度和深度有較大的影響。
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