数控机床主轴激光热处理工艺研究引言数控技术自20世纪中期出现以来获得了长足发展。数控机床具有广泛的适应性和较大的灵活性,能以较高的生产率适应煤矿机械不同零部件的加工,并可获得较高的加工精度和稳定的加工质量；工序集中,一机多用,能够完成普通机床难以完成和或不能完成的复杂型面加工。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。机床主轴发热量大,磨损严重已影响到数控机床特点的发挥。传统的高频淬火、主轴整体淬火、局部渗碳等方法只能满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。激光是20世纪60年代产生的重大科学技术成果之一，在工业、农业、军事、医学等各个领域已得到非常广泛的应用。激光金属表面硬化常称激光热处理，它是随大功率激光器功率不断提高而迅速发展起来的新技术。应用强激光方向性好的特点，把激光束作热源对金属材料表面进行局部快速加热，靠金属材料自身的热传导进行冷却(冷却速度高达100107U／s01)。导致被激光加热过的金属表层区域的金相组织、物理、化学性能发生变化，达到表面局部硬化的目的。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。激光热处理利用高密度的激光束照射金属材料表面,使材料表层温度迅速升高,当激光束停止作用后,材料基体温度迅速下降,从而使材料表层经历一个热处理过程。通过控制激光功率、功率密度分布、激光作用时间等参数,改变金属热循环形式,可以完成材料表层的淬火等工艺。激光热处理有如下一些特点:(1)激光束能量密度高,加工速度快,并且是局部加工,对非激光束照射部位影响极小。因此,其热影响区小,工件热变形小,加工精度高；(2)被加工件不受尺寸、形状限制,无需冷却介质；(3)无污染,噪声小,劳动强度低,生产效率高。经激光表面热处理过的主轴外表面(40Cr)可形成坚硬的淬硬层,硬度可达HRC60-66,并且淬硬层全部为超细马氏体,各项性能指标优于高频淬火组织。因此机床主轴磨损严重,表面容易烧伤等问题严重制约其发展。采用激光表面热处理工艺,对机床主轴主要表面进行快速激光扫描,可获得高硬度淬火硬化层。激光输出功率越大,光斑的平均密度越高,从而使淬硬层深度和宽度增加。理论和实践证明,在数控机床主轴的加工过程中,穿插激光热处理可有效提高其耐磨性。激光热处理技术1．激光热处理原理及工业生产装置强激光照射金属表面时，若克服高反射，大部分透入金属表面被吸收。激发态的电子与晶格或其它电子碰撞，将金属表面局部的热量迅速向内部传递，形成极高的冷却速度，使表面硬化。影响金属吸收光能的因素主要有金属材料的性质、表面状态(粗糙度、颜色等)。大多数金属对波长10.6μm的红外光的反射率均在90％以上，要提高金属表面对10.6μm的红外光的吸收必须对金属表面进行涂层处理，涂胶体石墨、磷化、磷酸锰、磷酸锌或特种专用涂料。对涂料要求：增强吸收10.6μm的红外光，除去容易，涂层工艺要简单、厚度要适宜。专用涂料配方中还可以加入适量有利相变的元素。主要目的是使材料对激光的吸收率大幅度提高。激光光束照射到钢表面时，表面层吸收能量，使钢迅速加热到相变温度以上，转变成奥氏体，在冷态基体自冷作用下实现淬火。由于加热速度快，钢的奥氏体化温度提高得很多，奥氏体形核率增大，但生长受到抑制，加上碳原子来不及扩散，得到成分不均匀且细小的奥氏体，故淬火后获得微细马氏体组织。所以激光淬火后的钢，具有高强度和硬度，而且表层存在残余压应力，有益于提高硬度、耐磨性、疲劳极限和抗蚀性。激光热处理装置系统组成如下：(1)激光器系统包括激光器(含激光电源)、激光功率监测及激光功率反馈装置。大部分用横流或轴流CO2激光器，上千瓦的常称大功率激光器。1～2kW能解决一般热处理问题。固体激光器中常用铷玻璃激光器及YAG激光器。(2)导光系统即光路转折调整机构与聚焦组成。光路部分常用H...
