專利名稱：齒輪的激光表面硬化工藝的制作方法
技術領域：
本發明是一種齒輪的激光表面硬化工藝，屬于齒輪表面硬化工藝的創新技術。
背景技術：
齒輪傳動是機械傳動的一種主要形式，齒輪是機器、機械產品中廣泛使用的重要基礎零件。機械傳動要求齒輪有良好的承載能力。齒輪的使用壽命與齒輪用料的質量、機械加工和熱處理的質量、以及使用條件有關。其中齒輪材料和熱處理是影響齒輪承載能力和使用壽命的關鍵因素，也是關系整個齒輪生產質量的重要環節。齒輪的使用實踐表明，齒輪的主要破壞形式有齒面疲勞點蝕、齒面磨損、齒面膠合和輪齒折斷。因此要求輪齒有很好的抗彎強度、接觸疲勞強度、齒面硬度，并要求心部的有很好的韌性。因而要求在齒輪整體調質(要求不高的齒輪可采用正火)處理基礎上還要對齒輪的齒部進行表面硬化處理。
齒輪齒部的表面硬化處理的常規工藝方法有滲碳、滲氮、火焰淬火、感應淬火。滲碳淬火齒輪的整個制造工藝過復雜，滲碳淬火引起的變形較大，為了控制變形，往往采用壓床淬火。有時用壓床淬火也不能控制變形，需再作精整處理；滲碳工藝所用的到加熱爐能耗高，液體滲碳還涉及NaCN劇毒物質；對齒輪不需滲碳的部位還需作防滲處理。滲氮齒輪的制造工藝流程比滲碳簡單，滲氮后不用淬火就可得到高的硬度，但滲氮過程周期長，成本高，滲氮層薄而脆，對不需滲氮的部位需作防滲處理。火焰淬火的加熱溫度及淬硬層深度不易控制，淬硬層質量不穩定，噴嘴結構復雜。齒輪感應加熱淬火方法用得比較廣泛，但在采用回轉感應加熱淬火時，對于模數稍大的齒輪，為了要達到加熱全齒，會引起齒尖過燒；而用單齒連續加熱淬火方法時，又不易得到沿全齒廓的均勻硬化層，特別是齒根硬度差；采用沿齒溝連續加熱淬火方法時，齒頂部位的淬火效果又差，況且感應器制作復雜，通用性差，因而成本高。

發明內容
本發明的目的在于克服上述缺點而提供一種不僅淬火硬度高，而且齒面表層形成的硬化層為合金化表層，其晶粒細化，變形極小，無環境污染的齒輪激光表面硬化處理工藝。本發明所用的機床設備及工藝器件的通用性強，操作自動化程度高，工藝流程短，制造成本低。本發明可以部分替代用滲碳、滲氮、感應淬火、火焰淬火等常規齒輪熱處理工藝。
本發明用激光束將齒輪的齒廓表面相變硬化，其按如下步驟進行(1)將待處理齒輪的表面進行清理，涂吸光涂料；(2)用激光束對齒輪齒廓表面進行掃描運動，使齒廓表層得以快速加熱到相變溫度以上；(3)將激光束離開齒輪的齒廓表面，齒輪因本身的熱傳導而隨即自身快速冷卻而淬火，在齒面表層形成硬化層。
上述激光束為CO2激光束。
上述照射到齒面的光斑功率密度為104～105W/cm2。
上述硬化層的深度為0.4～1mm。
上述吸光涂料為復合吸光涂料。
上述復合吸光涂料是在常用CO2吸光涂料中添加有鎳基合金粉和WC、TiC等硬質碳化物粉末。
上述照射到齒面的激光光斑為窄帶圓形光斑或寬帶條形光斑；上述所處理的齒輪在激光表面強化處理前已經經過調質或正火或滲碳等預先熱處理和機械加工，經過激光表面強化處理后可直接投入使用。對于限于熱處理條件而無法作齒輪調質或正火的齒輪，亦可用激光表面硬化處理。
上述所用的激光束對齒輪的齒廓表面的掃描運動用數控激光加工機床來實現，對于直齒輪，激光束的掃描方式為齒輪不動，聚焦鏡沿齒廓表面作軸向進給運動；對于斜齒輪或人字齒輪，激光束沿齒廓表面的掃描運動由齒輪的旋轉運動和聚焦鏡的軸向進給運動合成；上述激光束對齒輪的齒廓表面的掃描運動按齒的旋向依次逐齒掃描，而且是先掃完全齒輪一側的齒面，再掃描另一側的齒面；逐齒掃描的分齒方法有用機械定位機構控制定位，或用數控分度兩種方式。
本發明與常規的齒輪表面硬化處理工藝相比具有如下特點1、用激光表面硬化方法處理齒輪的齒面，可以做到不使齒面粗糙度變壞，而且激光表面硬化處理后工件的變形極小，可以忽略不計。因而對于常用的6、7、8級精度等級的齒輪，激光表面強化可以作為齒輪加工的最后工序，不需要再增加后續精整工序，也不需再作回火處理。
2、經過激光表面硬化處理后，齒面硬化層內存在的殘余應力為壓應力，這有利于提高齒輪的使用壽命。
3、用激光對齒面進行表面硬化處理，只需用激光束對齒面進行掃描運動，所用工藝器件的通用性強，不象感應淬火的感應器和火焰淬火的噴嘴那樣通用性差。
4、理想的齒面硬化層應為沿齒廓均勻分布，由于激光表面硬化工藝參數極易實現自動化精確控制，與感應淬火或火焰淬火相比，可以得到更好的沿齒廓均勻分布的硬化層。
5、激光表面硬化處理屬于局部處理方法，而且極易實現對所需硬化部位的準確控制，對于非處理部位無需象滲碳、滲氮方法那樣要作防滲處理。
6、感應淬火或火焰淬火方法的對工件的加熱和冷卻(用外介質冷卻)方向均是自外向里，因而淬硬層存在由外向里的硬度下降梯度。而用激光作表面硬化處理時，由于可以實現工件的快速自身冷卻，冷卻的方向是自里向外冷卻，因而整個激光硬化層的硬度相同，這對于提高齒輪齒面的耐磨性具有非常重要的意義。
7、同樣材質的齒輪，用激光表面硬化處理可以比感應淬火或火焰淬火得到更高的表面硬度、細化的晶粒、均勻的硬化層。
8、激光表面硬化處理一般無需外加冷卻介質，而且在激光表面強化的全過程中不對環境產生污染。
9、對于大型齒輪，其他熱處理工藝往往受到處理設備的限制，激光表面硬化處理便更顯出其工藝優越性。
本發明不僅淬火硬度高，而且齒面表層形成的硬化層為合金化表層，其晶粒細化，變形極小，無環境污染。本發明所用的機床設備及工藝器件的通用性強，操作自動化程度高，工藝流程短，制造成本低。本發明可以部分替代用滲碳、滲氮、感應淬火、火焰淬火等常規齒輪熱處理工藝。
另外，齒輪激光表面硬化工藝特別適用于大型齒輪，冶金、礦山機械等的重載傳動齒輪，由于齒輪的模數大、齒輪整體外形尺寸大，常規熱處理工藝受到設備的限制而難于進行齒面熱處理，通常設計為低應力、調質軟齒面狀態使用。如用激光表面強化工藝將這類齒輪的齒面進行硬化處理，增加其表面硬度，便可大幅度地提高其使用壽命。大型齒輪經過滲碳后，其齒面的淬火也可用激光表面硬化工藝進行。
以上激光表面硬化處理的特點，可以極大地簡化齒輪制造工序流程，提高齒輪的質量，降低齒輪制造成本。


下面結合附圖詳細說明本發明的具體結構圖1為本發明實施例中激光束沿人字齒面的掃描速度由齒輪的旋轉圓周速度與聚焦鏡的軸向進給速度合成的示意圖。
具體實施例方式實施例本發明為用于某線材軋機生產線聯合減速機人字齒輪軸的齒面激光表面硬化處理，齒輪的材質為34CrNiMo，基體調質硬度HB300～320。齒輪模數Mn＝16mm，齒數Z＝22，螺旋角β＝26.83°。本發明所用的激光處理用機為廣州富通公司生產的GFT-II型激光熱處理機(具有四軸三聯動數控系統)。其按如下步驟進行(1)將待處理齒輪的表面進行清理，涂吸光涂料；(2)用激光束對齒輪齒廓表面進行掃描運動，使齒廓表層得以快速加熱到相變溫度以上；(3)將激光束離開齒輪的齒廓表面，齒輪因本身的熱傳導而隨即自身快速冷卻而淬火，在齒面表層形成硬化層。
上述激光束為CO2激光束。
上述激光束照射到齒面的激光光斑為窄帶圓形光斑或寬帶條形光斑。調整激光加工工藝參數，如激光功率、光斑大小、掃描速度等，用激光束對齒面部分進行掃描時，激光束的激光功率為1600W，光斑直徑為5mm，掃描速度為1.5m/min，掃描帶搭接量為1mm。用激光束對齒根部位進行掃描時，激光束的激光功率為1500W，光斑直徑為6mm，掃描速度為1.8m/min，使照射到齒面的光斑的功率密度為104～105W/cm2，能使齒面產生相變硬化層，硬化層的深度為0.4～1mm，齒面硬度與齒輪所用材質有關。
調節激光光斑大小以及激光束對齒面的入射方向。光斑大小盡量與所掃描的齒面寬度相同。如果所照表面較寬，可分兩次或兩次以上掃描。激光束在避開相鄰齒廓干涉的前提下，盡量與被照表面垂直，入射角不小于45°。
上述吸光涂料為復合吸光涂料。復合吸光涂料是在常用CO2吸光涂料中添加有鎳基合金粉和WC、TiC等硬質碳化物粉末。
激光束沿人字齒面的掃描速度由齒輪的旋轉圓周速度與聚焦鏡的軸向進給速度合成，如圖1所示。
為了提高激光處理的工作效率，上述激光束對齒輪的齒廓表面的掃描運動按齒的旋向依次逐齒掃描，先掃描一個旋向的輪齒之后，再掃描另一個旋向的輪齒。
本發明逐齒掃描的分齒方法采用劃針盤定位法分齒，該方法簡便有效。
上述所處理的齒輪在激光表面強化處理前已經經過調質(或正火)等預先熱處理和機械加工，經過激光表面強化處理后可直接投入使用。
經過激光表面硬化處理后，齒面硬度為HRC55～60，齒面光潔如初，使用效果很好。
權利要求
1.一種齒輪的激光表面硬化工藝，其特征在于用激光束將齒輪的齒廓表面相變硬化，其按如下步驟進行(1)將待處理齒輪的表面進行清理，涂吸光涂料；(2)用激光束對齒輪齒廓表面進行掃描運動，使齒廓表層得以快速加熱到相變溫度以上；(3)將激光束離開齒輪的齒廓表面，齒輪因本身的熱傳導而隨即自身快速冷卻而淬火，在齒面表層形成硬化層。
2.根據權利要求1所述的齒輪的激光表面硬化工藝，其特征在于上述激光束為CO2激光束。
3.根據權利要求1所述的齒輪的激光表面硬化工藝，其特征在于上述照射到齒面的光斑功率密度為104～105W/cm2。
4.根據權利要求3所述的齒輪的激光表面硬化工藝，其特征在于上述硬化層的深度為0.4～1mm。
5.根據權利要求1所述的齒輪的激光表面硬化工藝，其特征在于上述吸光涂料為復合吸光涂料。
6.根據權利要求5所述的齒輪的激光表面硬化工藝，其特征在于上述復合吸光涂料是在常用CO2吸光涂料中添加有鎳基合金粉和WC、TiC等硬質碳化物粉末。
7.根據權利要求1所述的齒輪的激光表面硬化工藝，其特征在于上述照射到齒面的激光光斑為窄帶圓形光斑或寬帶條形光斑；
8.根據權利要求1或2或3或4或5或6或7所述的齒輪的激光表面硬化工藝，其特征在于上述所處理的齒輪在激光表面強化處理前已經經過調質或正火或滲碳等預先熱處理和機械加工，經過激光表面強化處理后可直接投入使用。對于限于熱處理條件而無法作齒輪調質或正火的齒輪，亦可用激光表面硬化處理。
9.根據權利要求8所述的齒輪的激光表面硬化工藝，其特征在于上述所用的激光束對齒輪的齒廓表面的掃描運動用數控激光加工機床來實現，對于直齒輪，激光束的掃描方式為齒輪不動，聚焦鏡沿齒廓表面作軸向進給運動；對于斜齒輪或人字齒輪，激光束沿齒廓表面的掃描運動由齒輪的旋轉運動和聚焦鏡的軸向進給運動合成；
10.根據權利要求8所述的齒輪的激光表面硬化工藝，其特征在于上述激光束對齒輪的齒廓表面的掃描運動按齒的旋向依次逐齒掃描，而且是先掃完全齒輪一側的齒面，再掃描另一側的齒面；逐齒掃描的分齒方法有用機械定位機構控制定位，或用數控分度兩種方式。
全文摘要
本發明是一種齒輪的激光表面硬化工藝。其按如下步驟進行(1)將待處理齒輪的表面進行清理，涂吸光涂料；(2)用激光束對齒輪齒廓表面進行掃描運動，使齒廓表層得以快速加熱到相變溫度以上；(3)將激光束離開齒輪的齒廓表面，齒輪因本身的熱傳導而隨即自身快速冷卻而淬火，在齒面表層形成硬化層。本發明不僅淬火硬度高，而且齒面表層形成的硬化層為合金化表層，其晶粒細化，變形極小，無環境污染。本發明所用的機床設備及工藝器件的通用性強，操作自動化程度高，工藝流程短，制造成本低。本發明可以部分替代用滲碳、滲氮、感應淬火、火焰淬火等常規齒輪熱處理工藝。
文檔編號C21D9/32GK1394969SQ0213441
公開日2003年2月5日 申請日期2002年7月22日 優先權日2002年7月22日
發明者馬春印, 趙欽 申請人:廣州富通光科技術有限公司