一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊強化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光表面沖擊強化技術(shù)，其特指一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊強化方法，該方法可以拓展到小齒距花鍵凸模和小螺距螺紋的表面強化。將按配比混合而成的透明填充物填充于齒輪齒間空隙處，并完全充滿，確保齒輪與之形成柱體，之后，在此柱面粘貼鋁箔作為能量吸收層，以流水為約束層的條件下，實現(xiàn)對齒輪表面的大面積搭接激光沖擊強化處理。本方法的優(yōu)點在于透明填充物完全填充齒輪齒間空隙，使齒輪齒頂與上述透明填充物共同形成平滑柱面，方便對齒輪進行大面積搭接激光沖擊處理，大大改善了激光沖擊強化效果；沖擊處理后齒輪齒間空隙內(nèi)的透明填充物易于清理，滿足了大規(guī)模生產(chǎn)的需求。
【專利說明】
一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊強化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及激光表面沖擊強化技術(shù)，其特指一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊強化方法，該方法可以拓展到小齒距花鍵凸模和小螺距螺紋的表面強化。
【背景技術(shù)】
[0002]激光沖擊強化是一種新型的表面強化技術(shù)，強激光作用于金屬表面形成的超強沖擊波使金屬表層產(chǎn)生劇烈塑性變形，誘導(dǎo)較深殘余壓應(yīng)力和細化晶粒，顯著提高了金屬零件表面性能，與其他技術(shù)相比具有高壓(沖擊波壓力達到GPa-TPa量級)、高能(峰值功率達到GW量級)、超快(幾十納秒)和超高應(yīng)變率(達到ΙΟ、—1)四個鮮明特點，是極端條件下的先進制造方法之一，具有常規(guī)加工方法無可比擬的優(yōu)點和顯著的技術(shù)優(yōu)勢。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光沖擊強化技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在機械制造工業(yè)、航空工業(yè)、汽車工業(yè)、船舶工業(yè)、核工業(yè)、醫(yī)療工業(yè)、生物工程、電器及半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域。研究內(nèi)容涉及層裂研究、文物表面除污清洗、模擬高速撞擊、無損檢測和工程材料改性等。
[0003]為了有效提高激光沖擊波的壓力和作用時間，保護工件材料表面不受到激光的熱損傷，在進行激光沖擊處理時，先要在工件表面涂敷一層對激光不透明的吸收涂層，以充分吸收激光的能量，汽化電離形成爆炸等離子體，產(chǎn)生沖擊波。還要在吸收涂層表面覆蓋一層對激光透明的約束層，以約束等離子體的膨脹，提高等離子體沖擊波的壓力。
[0004]目前，對于大齒距的花鍵凸模和齒輪類零件，可采用多光斑搭接沖擊處理齒面、側(cè)面和齒槽，輪齒齒面、側(cè)面和齒槽都可以完全覆蓋，實現(xiàn)激光沖擊波均勻強化。對于此類工件的激光沖擊強化可直接在表面粘貼鋁箔作為吸收層。但對于小齒距的花鍵凸模和齒輪類零件，激光束直徑為2-8_，當(dāng)花鍵凸?；騻鲃育X輪齒距小于1mm時，激光束先輻射到側(cè)面，側(cè)面上粘貼的吸收層吸收激光能量產(chǎn)生氣化形成等離子體，屏蔽了激光束向下輻射齒槽，齒槽部分不能夠被強化。且在大面積沖擊時搭接區(qū)域吸收層易出現(xiàn)翹曲、剝落的問題。因此，普通激光沖擊強化方法以無法實現(xiàn)對此類工件表面的整體強化，嚴(yán)重削弱了激光沖擊強化后工件表面的各項性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊方法:即通過得到一種透明填充物填充于齒輪齒間空隙處，使齒輪齒頂與上述透明填充物共同形成平滑柱面，便于對齒輪表面進行大面積搭接激光沖擊強化處理，實現(xiàn)了對此類齒輪表面的整體強化，增強了激光沖擊強化后齒輪表面各個部位的各項性能。需要說明的是，該激光沖擊強化方法特指用于一類直徑為30-50mm，模數(shù)為l-2mm，齒距為l-4mm的小齒距齒輪類工件。同時該方法可以拓展到小齒距花鍵凸模和小螺距螺紋等類似工件的表面強化。
[0006]具體操作步驟為:
[0007](I)將PVC有機溶膠、丙烯酸合成樹脂和有機溶劑增稠劑氫氧化鋁混合并充分?jǐn)嚢?，形成一種均勻的具有粘性的透明填充物。
[0008](2)將上述透明填充物放入真空中排出其中的氣泡。
[0009](3)將排氣后的透明填充物填充于齒輪齒間空隙內(nèi)，并使透明填充物適當(dāng)高出齒頂柱面I?2mm，透明填充物應(yīng)完全填充齒輪齒間空隙部分。
[0010](4)將粘著透明填充物的齒輪再置于真空條件下排氣。
[0011](5)對粘著在齒輪上的透明填充物加熱使其完全固化，除去齒頂柱面以外的多余透明填充物，使得齒輪待加工部分形成柱體。
[0012](6)用酒精清洗上述柱體表面，之后將鋁箔粘貼在該柱體表面。
[0013](7)待鋁箔完全粘貼在上述柱體表面后，使用流水作為約束層，對齒輪待加工部分進行大面積搭接激光沖擊強化處理。
[0014](8)處理完成后，將鋁箔和透明填充物同時從齒輪齒面剝離，之后用丙酮清洗齒輪表面的殘余透明填充物。
[0015]進一步地，步驟(I)中，所述透明填充物各組分按重量比例配比為:PVC有機溶膠65?75%，丙烯酸合成樹脂20%?30%，有機溶劑增稠劑氫氧化鋁2%?5%。
[0016]進一步地，步驟(2)中，排氣時間1min，相對真空度為_50KPa。
[0017]進一步地，步驟(4)中，排氣時間1min，相對真空度為_50KPa。
[0018]進一步地，步驟(5)中，加熱條件為80°C，5min。
[0019]進一步地，步驟(6)中，鋁箔厚度為100?200μπι。
[0020]進一步地，步驟(7)中，流水約束層厚度為I?2mm，使用的激光沖擊參數(shù)為:光斑直徑2?8_，橫向和縱向光斑搭接率均為50%?70%，脈沖能量6?12J，脈寬8?30ns。
[0021]進一步地，步驟(8)中，將鋁箔和透明填充物同時從齒輪齒面剝離的方法為:將齒輪浸入80?100 °C的熱水中5?1分鐘。
[0022]本發(fā)明的有益效果為:透明填充物完全填充齒輪齒間空隙，使齒輪齒頂與上述透明填充物共同形成平滑柱面，方便對齒輪進行大面積搭接激光沖擊處理，大大改善了激光沖擊強化效果;沖擊處理后齒輪齒間空隙內(nèi)的透明填充物易于清理，滿足了大規(guī)模生產(chǎn)的需求。本方法還同時解決了對小齒距齒輪表面的大面積搭接沖擊時搭接區(qū)域吸收層易翹曲、易剝落的難題。
【附圖說明】
[0023]圖1為已附著吸收層的待沖擊齒輪剖面示意圖，圖中:1.工件，2.鋁箔，3.透明填充物。
[0024]圖2為本發(fā)明所述小齒距齒輪表面激光沖擊強化方法的操作步驟流程圖。
[0025]圖3為齒輪齒槽處基體原始態(tài)微觀形貌圖。
[0026]圖4為齒輪齒槽處沖擊處理后微觀形貌圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的保護范圍不僅限于實施例。
[0028]本實施例采用一種用于汽車發(fā)動機端的，材質(zhì)為304不銹鋼的小齒距標(biāo)準(zhǔn)齒輪，其幾何尺寸為:齒數(shù)50，模數(shù)Imm，齒距為3mm。
[0029]—種使用上述工件做激光沖擊強化的實例，其具體步驟為:
[0030](I)將PVC有機溶膠、丙烯酸合成樹脂和有機溶劑增稠劑氫氧化鋁以一定配比混合，并充分?jǐn)嚢瑁纬梢环N均勻的具有粘性的透明填充物，其透明填充物的各組分按重量比例配比為:PVC有機溶膠70g，丙烯酸合成樹脂28g，有機溶劑增稠劑2g。
[0031 ] (2)將上述透明填充物放入真空中排出其中的氣泡，排氣時間1min，相對真空度為-50KPa。
[0032](3)將排氣后的透明填充物填充于齒輪齒間空隙內(nèi)，并使透明填充物適當(dāng)高出齒頂柱面I?2mm，透明填充物應(yīng)完全填充齒輪齒間空隙部分。
[0033](4)將粘著透明填充物的齒輪再置于真空中排氣，排氣時間lOmin，相對真空度為-50KPa。
[0034](5)在80°C條件下對粘著在齒輪上的透明填充物加熱5min，使其完全固化，除去齒頂柱面以外的多余透明填充物，應(yīng)保證除去多余透明填充物后，齒輪待加工部分形成柱體。
[0035](6)用酒精清洗上述柱體表面，之后將鋁箔粘貼在該柱體表面，鋁箔厚度為100?200μηιο
[0036](7)待鋁箔完全粘貼在上述柱體表面后，使用流水作為約束層，對齒輪待加工部分進行大面積搭接激光沖擊強化處理，流水約束層厚度為I?2mm。使用的激光沖擊參數(shù)為:光斑直徑3mm，橫向和縱向光斑搭接率均為50%，脈沖能量9J，脈寬20ns。
[0037](8)處理完成后，將齒輪浸入80?100°C的熱水中5?10分鐘，使鋁箔和透明填充洗物同時從齒輪齒面剝離，之后用丙酮清齒輪表面的殘余透明填充物。
[0038]經(jīng)測定，基體原始態(tài)齒輪齒面的平均硬度為180HV，而經(jīng)激光沖擊處理后的區(qū)域平均硬度提高到了220HV，硬度值提高約22%，硬化深度約為0.6mm。并且對處理前后齒輪齒槽處微觀形貌進行表征，圖2為基體原始態(tài)微觀形貌，圖3為沖擊處理后微觀形貌，可以看到，齒輪齒槽處的基體原始態(tài)微觀組織晶粒粗大，但在激光沖擊處理后，表層組織晶粒得到細化，獲得了理想均勻的細小晶粒組織，并形成了大量的孿晶結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，激光沖擊處理后，齒輪齒面硬度得到顯著提高，晶粒細化效果明顯，從而證明了本發(fā)明中的激光沖擊強化方法可以有效地實現(xiàn)對齒輪類工件進行大面積搭接激光沖擊處理。
【主權(quán)項】
1.一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊強化方法，其特征在于: (1)將PVC有機溶膠、丙烯酸合成樹脂和有機溶劑增稠劑氫氧化鋁混合并充分?jǐn)嚢?，形成一種均勻的具有粘性的透明填充物； (2)將上述透明填充物放入真空中排出其中的氣泡； (3)將排氣后的透明填充物填充于齒輪齒間空隙內(nèi)，并使透明填充物適當(dāng)高出齒頂柱面I?2_，透明填充物應(yīng)完全填充齒輪齒間空隙部分； (4)將粘著透明填充物的齒輪再置于真空條件下排氣； (5)對粘著在齒輪上的透明填充物加熱使其完全固化，除去齒頂柱面以外的多余透明填充物，使得齒輪待加工部分形成柱體； (6)用酒精清洗上述柱體表面，之后將鋁箔粘貼在該柱體表面； (7)待鋁箔完全粘貼在上述柱體表面后，使用流水作為約束層，對齒輪待加工部分進行大面積搭接激光沖擊強化處理； (8)處理完成后，將鋁箔和透明填充物同時從齒輪齒面剝離，之后用丙酮清洗齒輪表面的殘余透明填充物。2.如權(quán)利要求1所述的一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊強化方法，其特征在于:步驟(I)中，所述透明填充物各組分按重量比例配比為:PVC有機溶膠65?75%，丙烯酸合成樹脂20%?30%，有機溶劑增稠劑氫氧化鋁2%?5 %。3.如權(quán)利要求1所述的一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊強化方法，其特征在于:步驟(2)中，排氣時間I Omin，相對真空度為_50KPa。4.如權(quán)利要求1所述的一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊強化方法，其特征在于:步驟(4)中，排氣時間lOmin，相對真空度為-50KPa。5.如權(quán)利要求1所述的一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊強化方法，其特征在于:步驟(5)中，加熱條件為80°C，5min。6.如權(quán)利要求1所述的一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊強化方法，其特征在于:步驟(6)中，鋁箔厚度為100?200μπι。7.如權(quán)利要求1所述的一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊強化方法，其特征在于:步驟(7)中，流水約束層厚度為I?2mm，使用的激光沖擊參數(shù)為:光斑直徑2?8mm，橫向和縱向光斑搭接率均為50%?70%，脈沖能量6?12J，脈寬8?30ns。8.如權(quán)利要求1所述的一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊強化方法，其特征在于:步驟(8)中，將鋁箔和透明填充物同時從齒輪齒面剝離的方法為:將齒輪浸入80?100°C的熱水中5?10分鐘。9.如權(quán)利要求1-8任一所述的一種用于小齒距齒輪表面的激光沖擊強化方法，其特征在于:所述方法用于一類直徑為30-50mm，模數(shù)為l-2mm，齒距為l-4mm的小齒距齒輪類工件的表面強化;或用于小齒距花鍵凸模和小螺距螺紋類似工件的表面強化。
【文檔編號】C21D9/32GK105936974SQ201610247694
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】魯金忠, 趙釗, 曹海迪
【申請人】江蘇大學(xué)