数控机床主轴激光热处理工艺研究

发布者: 发布时间:2016/8/8 14:47:08 阅读:次 【字体:

    数控技术自20世纪中期出现以来,获得了长足发展。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。传统的高频淬火、主轴整体淬火、局部渗碳等方法只能满足10000r/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。

  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。本文以主轴常用材料40Cr为实验材料,研究激光处理对其组织和性能的影响。

  1 实验材料及方法

  选择安阳莱必钛机械有限公司生产的电主轴,该电主轴材料为40Cr,调质处理,主轴转速8~10万转/min。最后安装轴承处及主要表面性能要求:52~56HRC,σb=980MPa,σs=780MPa,δs≥9%,ψ>45%,A>7J·mm-2;并随机附带4个φ80mm×20mm试样,两端磨平。

  一般钢铁材料对常用10.6μm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,以增加其对激光的吸收。

  用安阳睿愚有限公司5kW的CO2横流式激光器对试样进行激光热处理,其输出功率(P)为1800~20000W,扫描速度为5mm/s,机床转速为30r/min,扫描宽度为2~3.5mm。

  在HV-150A显微硬度计上进行表面淬火层显微硬度测试,通过光学显微镜(OM)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。

  2 实验结果与分析

  2.1 激光淬火层的组织及硬度

  激光热处理后的组织如图1所示,其淬火硬化层分为三层。第一层为完全淬硬层。由极细马氏体加少量残余奥氏体组成1,这一层与激光的作用时间最长,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;第二层为过渡层,该层加热温度处于Ac~Ac3,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;第三层为原始组织的高温回火层。

数控机床主轴激光热处理工艺研究

  图1 激光处理后主轴表面显微组织

  激光淬火后淬硬层硬度为60~66HRC,显然比原技术要求高10HRC左右,硬度提高,耐磨性增强。从表1可以看出,激光热处理对主轴综合性能的提高有很大影响。这是因为40Cr钢的组织主要是珠光体和铁素体,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。

表1 40Cr激光热处理和常规热处理相对耐磨性比较

  表1 40Cr激光热处理和常规热处理相对耐磨性比较

  2.2 工艺参数对淬火层深度和宽度的影响

  在扫描速度、离焦量不变的情况下,随输出功率的增加,淬火层的深度、宽度也相应增大,如图2所示。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得金属表面的温度进一步提高,金属表面处于相变温度以上的区域增大,从而导致淬火层深度和宽度增加。

输出功率与淬火层深度、宽度的关系曲线

  图2 输出功率与淬火层深度、宽度的关系曲线

  在激光器的输出功率、离焦量不变的情况下,随扫描速度的增大,淬火层的深度和宽度减小(图3所示)。这是因为扫描速度越大,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减小。因而应正确选择激光功率和扫描速度,来保证主轴表面达到理想的硬度、深度、宽度和力学性能。

 扫描速度与淬火层深度和宽度的关系曲线

  图3 扫描速度与淬火层深度和宽度的关系曲线

  3 结论

  (1)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。

  (2)机床主轴经激光淬火后,可获得较高的硬度;磨损质量损失比正常淬火的40Cr钢的磨损质量损失小。改变功率、扫描速度,对淬硬层宽度和深度有较大的影响。

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