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　?。褐?，應(yīng)邀研究者

　　作者：《金屬加工（熱加工）》周刊，江蘇雷射國聯(lián)陳長軍轉(zhuǎn)發(fā)

　　目前，隨著高精密加工中心（MC）、數(shù)控機(jī)床（CNC機(jī)床）、場效應(yīng)加工單元（FMC滾珠軸承）等的日益應(yīng)用領(lǐng)域，對機(jī)床零件的加工精度、體積精度保持性及使用壽命明確要求進(jìn)一步提高，一流的雷射退火等技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，可使機(jī)床零件（如護(hù)木、齒輪、切入點(diǎn)等）的產(chǎn)品質(zhì)量獲得很大提高。

　　雷射退火技術(shù)

　　（1）雷射退火（LHT）及其特點(diǎn)

　　隨著20世紀(jì)70年代中期大功率雷射器的問世并投入工業(yè)生產(chǎn)，雷射加工技術(shù)獲得迅速發(fā)展。雷射退火是其中研究最早、應(yīng)用領(lǐng)域面最廣、技術(shù)最為成熟的雷射表層助劑技術(shù)。圖1為雷射退火示意。

　　圖1 雷射退火示意

雷射退火，又稱雷射化學(xué)反應(yīng)通氣，它是以發(fā)射率＜104W/cm2的雷射束輻照經(jīng)后處置的鉆孔，從而使鉆孔表層以105~106℃/s冷卻溫度迅速上升至化學(xué)反應(yīng)點(diǎn)以上，在組織機(jī)構(gòu)葛氏體化、葛氏體孔隙未來得及長大的情況下，一旦雷射停止照射，通過基體的自身傳熱作用迅速冷卻（冷卻速度可達(dá)104~106℃/s），實(shí)現(xiàn)尚普托退火，形成表層化學(xué)反應(yīng)通氣層。

　　與普通退火相比，雷射退火后淬硬層組織機(jī)構(gòu)細(xì)化，延展性普遍提高15%~20%，耐磨操控性提高1~10倍；退火后表層產(chǎn)生約4000MPa的殘余壓應(yīng)力，使表層強(qiáng)度及降血脂操控性獲得明顯改善；由于雷射冷卻、退火速度極快，通氣層?。?.3~0.5mm），熱影響區(qū)小，故退火畸變微??；因自冷退火，無退火冷卻介質(zhì)的污染。

　?。?）雷射退火適用范圍

雷射淬火一般來說是對一些不明確要求整體退火，體積精度明確要求較高，或選用其他方法難以處置，以及形狀復(fù)雜或需進(jìn)一步提高延展性、耐磨性等操控性的鉆孔表層通氣處置。

　?。?）雷射退火設(shè)備

　　一般來說包括產(chǎn)生雷射束的雷射器（CO2雷射器、YAG雷射器），引導(dǎo)雷射數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?dǎo)光著眼系統(tǒng)（光閘、可見光固定式瞄準(zhǔn)、雷射數(shù)據(jù)傳輸及轉(zhuǎn)向、著眼等器），承載鉆孔并使其運(yùn)動(dòng)的雷射加工機(jī)（二維、布季夫的自動(dòng)或數(shù)控加工機(jī)床等），以及其他輔助器（屏蔽器、對準(zhǔn)器等）。

　?。?）雷射退火金屬材料

　　雷射退火常用金屬材料見表1。

　　表1 雷射退火常用金屬材料

　?。?）表層后處置

為增強(qiáng)鉆孔對雷射輻射能量的稀釋，在雷射退火前需在其表層形成幾層對雷射有較高稀釋能力的粘膠，一般選用機(jī)械加工或涂布含有各種無腺物質(zhì)的油漆（如發(fā)射率＜1μm細(xì)石墨粉+丙烯樹脂+云母粉+丙酮；羧酸錳或羧酸鋅+羧酸；碳素墨水+羧酸錳）。

　?。?）雷射退火工藝模塊（見表2）。

　　表2 雷射退火工藝模塊

　　項(xiàng)目

　　明確要求

　　雷射器功率/kW

　　0.1~10

　　光強(qiáng)發(fā)射率/（W·cm-2）

　　1000~10000，常用1000~6000

　　掃描速度/（mm·min-1）

　　300~750

　　雷射擺動(dòng)寬度/ mm

　　5~20

　　雷射射入角度（°）

　　＜45

　　角蕨系數(shù)

　　5%~20%

　?。?）三種金屬材料雷射退火工藝模塊及效用（見表3）。

　　表3 三種金屬材料雷射退火工藝模塊及效用

　　（8）三種金屬材料的雷射退火層組織機(jī)構(gòu)（見表4）。

　　表4 三種金屬材料的雷射退火層組織機(jī)構(gòu)

　?。?）雷射退火產(chǎn)品質(zhì)量明確要求及檢測

按GB/T18683—2002《鋼鐵件雷射表層退火》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

　　雷射退火技術(shù)在機(jī)床零件上的應(yīng)用領(lǐng)域

　　1.數(shù)控機(jī)床電切入點(diǎn)雷射退火技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

　　實(shí)例數(shù)控機(jī)床電切入點(diǎn)（見圖2），切入點(diǎn)轉(zhuǎn)速8~10×105r/min，金屬材料為40Cr鋼，一流行調(diào)質(zhì)處置，雷射退火后的安裝軸承二處主要表層延展性為52~56HRC。

　　圖2 數(shù)控機(jī)床切入點(diǎn)洛佐韋

　　（1）切入點(diǎn)及隨機(jī)附帶4個(gè)待測，待測直徑80mm，壁厚20mm，兩端壓平。在選用CO2雷射器展開雷射通氣前，分別在切入點(diǎn)和待測表層上涂布幾層特別油漆，以增加對雷射的稀釋。

（2）用5kW的CO2滿布式雷射器對切入點(diǎn)及待測展開雷射退火，其輸出功率P＝1800~2000W，掃描速度v＝5mm/s，機(jī)床轉(zhuǎn)速n＝30r/min，掃描寬度2~3.5mm。并選用微機(jī)控制退火機(jī)床（工作臺），配備靈活通用的工裝夾具，固定退火鉆孔作平行移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或合成運(yùn)動(dòng)。圖3為機(jī)床切入點(diǎn)雷射退火示意。

　　圖3 機(jī)床切入點(diǎn)雷射退火示意

　?。?）雷射退火化后的切入點(diǎn)及待測檢驗(yàn) 淬硬層深度0.5~1.2mm；表層退火延展性60~66HRC；組織機(jī)構(gòu)為最外層極細(xì)馬氏體+少量殘留葛氏體，過渡層馬氏體+鐵素體+滲碳體，內(nèi)層為原始組織機(jī)構(gòu)，即回火索氏體。

　　表5為40Cr鋼雷射退火與常規(guī)退火后相對耐磨性比較。圖4為40Cr鋼雷射退火與調(diào)質(zhì)處置耐磨性比較。通過結(jié)果可知，機(jī)床切入點(diǎn)經(jīng)雷射退火后，切入點(diǎn)磨損量比普通的40Cr鋼調(diào)質(zhì)處置的磨量少77%~79%。

表5 40Cr鋼雷射退火與常規(guī)退火后相對耐磨性比較

　　處置方法

　　延展性HRC

　　相對耐磨性

　　對磨金屬材料

　　調(diào)質(zhì)

　　54~60

　　0.98

　　鑄鐵

　　調(diào)質(zhì) + 雷射退火

　　60~66

　　1.78

　　鑄鐵

　　圖4 40Cr鋼雷射退火與調(diào)質(zhì)處置耐磨性比較

　　2.數(shù)控機(jī)床鑲鋼護(hù)木的雷射退火技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

　　實(shí)例 數(shù)控機(jī)床鑲鋼護(hù)木，金屬材料為45鋼，明確要求雷射退火。

　?。?）預(yù)備退火

　　護(hù)木經(jīng)鍛造后，展開常規(guī)的正火及調(diào)質(zhì)處置，以細(xì)化孔隙，改善組織機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，降低內(nèi)應(yīng)力，并為后續(xù)雷射退火做好組織機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備。

　?。?）雷射退火設(shè)備及工藝模塊

　　選用國產(chǎn)31.5kW二氧化碳雷射器及雷射加工機(jī)床，雷射輸出功率P＝900W，光強(qiáng)直徑為4mm，離焦量d＝240mm，掃描速度v＝10m/s。

經(jīng)上述工藝處置后的護(hù)木，退火區(qū)淬硬層深度為0.58mm，硬化帶寬為4.47mm，通氣層組織機(jī)構(gòu)為細(xì)針狀馬氏體+部分殘留葛氏體，表層延展性為724~797HV0.1，相當(dāng)于61~64HRC。

　　（3）磨損試驗(yàn)

　　磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)雷射掃描退火花紋為45°斜線（與護(hù)木棱邊成45°斜線，見圖5），（棱形）通氣面積為40%時(shí)，護(hù)木耐磨性高。

　　圖5 雷射掃描退火花紋示意

　　（4）護(hù)木畸變

　　護(hù)木選用上述雷射退火花紋、通氣面積及雷射退火工藝模塊，在如圖6所示的機(jī)床護(hù)木的四個(gè)面均展開相同條件的雷射退火處置。雷射退火最大畸變（中間位置）－0.11mm（經(jīng)低溫時(shí)效），而整體退火最大畸變（中間位置）0.20mm。結(jié)果表明，護(hù)木經(jīng)雷射退火后的畸變遠(yuǎn)小于整體退火或感應(yīng)退火。

圖6 數(shù)控機(jī)床護(hù)木示意

　　3.機(jī)床離合器聯(lián)結(jié)、花鍵套、磁軛和齒環(huán)的雷射退火技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

　　機(jī)床離合器聯(lián)結(jié)、花鍵套、磁軛和齒環(huán)等經(jīng)雷射退火后，其產(chǎn)品質(zhì)量明顯優(yōu)于普通鹽浴或感應(yīng)退火，解決了聯(lián)結(jié)爪部工作面延展性低、卡爪內(nèi)側(cè)畸變大，花鍵套鍵側(cè)面延展性低、內(nèi)孔畸變超差、小孔處開裂，磁軛和齒環(huán)滲碳退火畸變大、發(fā)生斷齒、兩者嚙合不良、傳遞力矩不足及發(fā)生打滑等缺陷。

　　實(shí)例1 電磁離合器聯(lián)結(jié)（見圖7），金屬材料為45鋼，技術(shù)明確要求：延展性≥55HRC，淬硬層深度≥0.3mm，爪部直徑畸變≤0.1mm，通氣面積≥80%。

　　圖7 電磁離合器聯(lián)結(jié)

　　（1）工藝流程

　　全部機(jī)械加工后，在數(shù)控雷射退火機(jī)上自動(dòng)展開六個(gè)爪的12個(gè)側(cè)面雷射掃描退火。

　?。?）雷射退火工藝

雷射輸出功率P＝1000W，透鏡焦距f＝350mm，離焦量d＝59mm，掃描速度v＝1000mm/min，生產(chǎn)節(jié)拍t＝45s/件。

　?。?）檢驗(yàn)結(jié)果

　　延展性為57~60HRC，淬硬層深度0.3~0.6mm，直徑畸變≤±0.03mm，爪側(cè)面100%淬硬。

　　實(shí)例2 花鍵套（見圖8），金屬材料為45鋼，技術(shù)明確要求：延展性≥55HRC，個(gè)別點(diǎn)允許≥50HRC，淬硬層深度≥0.3mm，內(nèi)徑畸變≤0.05mm，通氣面積≥80%。

　　圖8 花鍵套

　?。?）工藝流程

　　全部機(jī)械加工后，在數(shù)控雷射退火機(jī)上自動(dòng)展開六個(gè)花鍵的12個(gè)側(cè)面雷射掃描退火。

　　（2）雷射退火工藝

雷射輸出功率P＝1000W，透鏡焦距f＝350mm，離焦量d＝59mm，掃描速度v＝1200mm/min。

　?。?）檢驗(yàn)結(jié)果

　　延展性為55~63HRC，淬硬層深度0.3~0.5mm，直徑畸變?yōu)?~0.03mm。

　　實(shí)例3機(jī)床牙嵌電磁離合器上磁軛及齒環(huán)（見圖9），金屬材料為20、45、20CrMnTi、42CrMo鋼，明確要求雷射退火。

　　圖9 牙嵌式電磁離合器的磁軛和齒環(huán)

　　（1）設(shè)備

　　使用雷射退火設(shè)備是由數(shù)控雷射退火機(jī)和CO2雷射器組成。數(shù)控雷射退火機(jī)使用日本數(shù)控系統(tǒng)，退火全過程均由微機(jī)控制完成。退火機(jī)床最高運(yùn)動(dòng)速度為100m/min。

　　雷射器選用滿布連續(xù)CO2雷射器。輸出模式為高階模，輸出額定功率1500W，最大輸出功率2000W，輸出光強(qiáng)直徑為25mm。

　?。?）工裝夾具

設(shè)計(jì)牙嵌電磁離合器上磁軛和齒環(huán)工裝夾具。

　　1）數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺。由定位控制板、速度控制單元、直流伺服電機(jī)與立臥式回轉(zhuǎn)工作臺組成。整個(gè)加工過程實(shí)現(xiàn)了程序化、自動(dòng)化。

　　2）永磁式卡盤及胎具的設(shè)計(jì)。為了便于磁軛及齒環(huán)的裝卡，設(shè)計(jì)并制造永磁式卡盤。

　?。?）齒環(huán)的雷射退火

　　齒環(huán)齒高0.6mm，齒頂寬0.8mm，齒底寬0.4mm。為保證齒頂與齒底稀釋雷射雷射效率保持一致性，選用冷卻噴涂工藝，使齒部雷射退火專用油漆的涂層厚度保持一致。

　　選用雷射圓環(huán)形雷射技術(shù)，圓環(huán)形光強(qiáng)額定直徑為8mm，環(huán)帶額定寬度為2mm，以獲得均勻的圓環(huán)層深度。

　　針對齒部設(shè)計(jì)一套環(huán)形光強(qiáng)退火通道，避免鉆孔表層熔化，縮小齒部兩側(cè)冷卻的不均勻性，保證齒間齒根部淬硬帶的連貫性。

表6為三種金屬材料的雷射退火工藝模塊與結(jié)果。

　　表6 三種金屬材料的雷射退火工藝模塊與結(jié)果

　　注：掃描速度是指雷射退火時(shí)鉆孔旋轉(zhuǎn)時(shí)齒中心的線速度。

　?。?）典型應(yīng)用領(lǐng)域

　　牙嵌的磁離合器，基體厚度7mm，外徑116mm，齒高0.45mm，整個(gè)齒寬為8mm，在齒部中間有銅材。原選用高頻退火方法，因鉆孔較?。ê穸?mm），鉆孔畸變較大，最大畸變量達(dá)0.5mm，齒部嚙合面積僅達(dá)到30%，且齒部脆性高、打滑等現(xiàn)象嚴(yán)重，扭矩達(dá)不到技術(shù)明確要求。

　　改用雷射退火，排除了因銅材與42CrMo鋼兩種金屬材料無腺率不同造成對退火效用的影響，雷射退火后的金相組織機(jī)構(gòu)為針狀馬氏體和部分板條狀馬氏體，解決了淬硬層差、齒頂熔化、畸變大等問題，獲得了良好的退火效用。

4.齒輪的雷射退火技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

　　我國從20世紀(jì)80年代就開始齒輪雷射退火的研究，同時(shí)研制出了多種雷射退火設(shè)備，通過多年的發(fā)展和成功實(shí)踐，克服了傳統(tǒng)退火的一些缺點(diǎn)，達(dá)到齒輪成本與表層高操控性、微畸變的最佳組合，現(xiàn)已成為一項(xiàng)實(shí)用并極有發(fā)展前景的新型表層強(qiáng)化技術(shù)。

　　（1）齒輪雷射設(shè)備

　　滿布CO2雷射器1臺，專用配套冷水機(jī)組1套，數(shù)控加工機(jī)床1臺，光路系統(tǒng)1套。圖10為齒輪雷射退火。

　　圖10 齒輪雷射退火

　?。?）齒輪的雷射退火技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵗?/p>

　　實(shí)例 齒輪，金屬材料為30CrMnTi鋼，齒面雷射退火后明確要求：齒面畸變小，表層光潔，不需磨齒。

　　1）齒面雷射退火工藝模塊（見表7）。

　　表7 齒面雷射退火工藝模塊

　　工藝模塊

　　強(qiáng)化齒頂部

　　強(qiáng)化齒根部

雷射輸出功率/W

　　1000

　　1020

　　光強(qiáng)直徑/mm

　　4.2

　　4.2

　　光強(qiáng)移動(dòng)速度/mm·s-1

　　20

　　20

　　入射角（°）

　　80

　　62

　　透鏡焦距/mm

　　112

　　112

　　齒面離焦量/mm

　　8

　　8

　　雷射器真空度/kPa

　　13.33

　　13.33

　　2）檢驗(yàn)。齒面雷射退火后，表層組織機(jī)構(gòu)由索氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)密的針狀馬氏體，延展性在870HV左右。通氣層深度約0.6~0.7mm。齒面接觸疲勞極限由退火前的1024MPa提高至1323MPa，強(qiáng)化效用明顯。