20CrMnMo大模数齿轮激光淬火工艺有限元分析及试验研究

摘要

随着激光技术的迅猛发展，激光淬火在各个零部件的热处理中的应用越来越广泛。激光淬火是通过激光光斑的扫描，使得工件表面瞬间获得高温并达到马氏体转变的临界点，然后通过冷的基体使温度快速降低，从而达到淬火的目的。激光淬火在齿轮中的应用，研究较少，实际应用也不太广泛。本文针对目前国内常用齿轮钢材料20CrMnMo进行齿轮激光淬火的工艺和机械性能研究。
　　从激光淬火工艺的理论层面进行了研究，总结了工艺中五大关键技术的解决方法。其中，扫描方式是核心，决定着淬火的整体效果，本文分析了适合不同尺寸齿轮的扫描方式，提出了大模数齿轮新的扫描方式。针对于工艺中的扫描速度、偏移值和入射角的问题，进行了分析和研究，提出了新的计算方法。
　　基于ANSYS有限元软件，通过模拟齿轮激光淬火过程的温度场，对其做初步分析。本模拟的模型是通过UG软件导入到ANSYS中的三维齿轮模型，在齿面上进行模拟分析。激光光斑的移动以及部分载荷施加等采用APDL语言进行编程，直接导入到软件中，便于修改和发现错误。模拟结果符合预想结果，一定程度上反映了激光淬火的优良特性。根据模拟结果也得出了有一定参考价值的加工参数数据，为进一步试验研究奠定了基础。
　　初步分析后，选择20CrMnMo钢材加工了一定尺寸的齿轮并开始试验研究。根据有限元模拟数据以及其他研究成果中的数值，整理划分不同的参数组合（激光功率、扫描速度和光斑直径）进行激光淬火加工试验。采用MATLAB软件对齿面硬度数据做进一步处理，分析得出齿面硬度值最大处的工艺参数。而后通过SEM对齿面微观组织进行观察，获得最佳的加工参数组合。分析最佳加工参数加工后齿轮的硬度、硬化层深度等以及当量硬化层深度的换算关系。
　　通过对齿轮激光淬火理论和试验研究，一方面丰富了激光淬火的工艺理论和工艺参数计算方法;另一方面填补了低碳合金钢齿轮渗碳后激光淬火的试验研究空白。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景、目的及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究的目的和意义

1．2 齿轮常见失效形式和热处理方法及缺陷

1．3 激光加工技术的发展和在齿轮齿面淬火中的应用研究

1．3．1 激光加工技术的发展和现状

1．3．2 齿轮激光淬火的优势

1．4 论文研究的主要内容和思路

第2章 齿轮激光淬火工艺参数理论分析

2．1 齿轮激光淬火硬化层形成机理的独特性分析

2．2 扫描方式分析及最佳方式确定

2．2．1 周向螺旋扫描方式

2．2．2 轴向分齿扫描方式

2．2．3 最优扫描方式确定

2．3 轴向偏移值的确定

2．4 齿面入射角的确定

2．5 齿轮激光淬火扫描速度的计算

2．6 辅助淬冷工艺确定

2．7 本章小结

第3章 齿轮激光淬火工艺过程有限元分析

3．1 有限元分析基本依据

3．1．1 齿轮激光淬火过程传热分析

3．1．2 齿轮激光淬火有限元模拟热源模型确定

3．1．3 齿轮激光淬火有限元模拟硬化层相变界定

3．2 齿轮激光淬火温度场仿真前处理

3．2．1 求解单元确定

3．2．2 材料属性设置和相变潜热的处理

3．2．3 齿轮模型建立与表面离散化处理

3．2．4 网格划分和表面效应单元创建

3．2．5 载荷的施加方案

3．3 齿轮激光淬火温度场仿真后处理

3．3．1 热源移动过程和温度场分布情况

3．3．2 热源中线上部分节点温度变化图

3．3．3 硬化层深度推断

3．4 本章小结

第4章 齿轮激光淬火试验及其淬火质量分析

4．1 20CrMnMo齿轮的加工和预处理以及试验设备选择

4．1．1 试验材料和设备

4．1．2 渗碳处理对激光淬火的影响

4．2 20CrMnMo齿轮激光淬火后硬度分析

4．2．1 硬度的测定

4．2．2 不同实验组硬度值的MATLAB软件分析

4．3 典型齿面的微观组织观察

4．3．1 SEM试验前试样处理

4．3．2 SEM试验图片微观组织分析

4．3．3 最佳加工参数确定

4．4 硬化层深度分析

4．4．1 最佳硬化层深的讨论

4．4．2 有效硬化层深度对齿轮机械性能的影响

4．4．3 当量硬化层深度的折算

4．4．4 本次试验中满足硬度要求轮齿的有效硬化层深

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间完成的学术论文

致谢