張 華

（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西寶雞721000）

數(shù)控機床的應(yīng)用范圍較廣，而且具有顯著的靈活性，能夠高效率、高精度地加工不同的零部件，確保了零部件的質(zhì)量；另外數(shù)控機床的加工工序相對集中，功能全面，可以加工較復(fù)雜型面的零件。隨著零件的精度以及外型的要求越來越高，數(shù)控機床也實現(xiàn)了超高轉(zhuǎn)速的運行，但是這種高轉(zhuǎn)速、大功率的運行方式也引發(fā)了新的問題，在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生大量的熱量，而且主軸的嚴重磨損都不同程度的阻礙了機床的生產(chǎn)效率。

1 機床主軸的磨損原因分析

研究發(fā)現(xiàn)，機床主軸的磨損程度與其表層的硬度有著密切關(guān)系。通常情況下，傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)只能適用于主軸10 000 r/min左右的轉(zhuǎn)速，顯然不能滿足現(xiàn)代化的高轉(zhuǎn)速機床設(shè)備。不僅如此，傳統(tǒng)的熱處理工藝工作周期長，在運行時需要大量的電能，加工的工件容易出現(xiàn)不同程度的變形等各種缺點，因此急需一種新的表面熱處理工藝，滿足主軸高速運轉(zhuǎn)的需求。

經(jīng)過技術(shù)的不斷創(chuàng)新與改進，激光熱處理技術(shù)基本上能夠解決傳統(tǒng)方式中的缺點。該技術(shù)是向金屬材料表面照射一定能量的激光束從而使表面溫度增加，當(dāng)激光束停止照射后，材料的溫度隨之下降，這樣材料表面就受到了熱處理。在處理時要將激光的功率、功率密度分布以及作用時間等調(diào)整至合理范圍，從而改變材料表面的熱循環(huán)方式，進一步完成表面的淬火等[1]。激光熱處理工藝表現(xiàn)出了以下幾個優(yōu)勢：①激光束具有較高的能量，能夠迅速完成加工，尤其是進行局部加工時，基本不會影響激光束照射不到的區(qū)域，確保了工件的精度；②工件的尺寸、外型等因素不會妨礙激光的使用，而且不需要介質(zhì)進行冷卻處理；③熱處理過程不會對環(huán)境造成污染，而且噪聲較小，能夠?qū)崿F(xiàn)低強度高效率的加工。主軸表面經(jīng)過激光熱處理之后能夠形成硬度非常高的淬硬層，且淬硬層為超細馬氏體，主軸表面的性能要高于其他表面處理技術(shù)。

2 數(shù)控機床主軸金屬材料熱處理工藝技術(shù)優(yōu)化

為了減少工件的變形，需要對熱處理技術(shù)進行進一步的完善改進。由于數(shù)控機床在運行時主軸高速的旋轉(zhuǎn)，為了防止主軸在旋轉(zhuǎn)過程中造成表面的磨損，需要對主軸表面進行曲軸圓角旋轉(zhuǎn)的技術(shù)處理，同時增加內(nèi)滾道淬火的操作，使主軸的金屬材料具有更優(yōu)異的硬度[2]。通過對不同金屬材料的相關(guān)信息進行統(tǒng)計，得出了以表1所列數(shù)據(jù)。

表1 金屬材料基本信息

對主軸金屬表面進行熱處理時，材料表面的熱量會迅速集聚，導(dǎo)致表面溫度迅速升高變?yōu)榱藠W氏體，從而能夠防止機床運行時對主軸造成過多的磨損，也降低了工件發(fā)生變形而出現(xiàn)誤差的概率。使用傳統(tǒng)的熱處理方式對主軸表面進行處理時，金屬材料的奧氏體溫度會迅速變化，導(dǎo)致碳原子不能及時擴散使主軸的金屬材料出現(xiàn)分布不均的情況，這種條件下設(shè)備運行時主軸往往就會出現(xiàn)核率增大的現(xiàn)象，從而使加工工件產(chǎn)生一定程度的變形。因此，需要結(jié)合上表中的數(shù)據(jù)，合理選擇金屬材料，并充分考慮材料相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便更加適應(yīng)熱處理工藝防止誤差的產(chǎn)生，確保主軸表面的硬度。在激光加熱主軸表面時，應(yīng)當(dāng)充分分解其表面的殘余應(yīng)力，考慮這種措施對熱處理技術(shù)進一步的改進完善，操作流程如圖1所示。

圖1 主軸金屬材料熱處理流程

通過圖1 可以看出，熱處理過程需要不同的工藝技術(shù)對金屬表面進行強化，從而確保主軸在經(jīng)過淬火處理時其淬硬層能夠均勻分布，從而全面提升主軸表面的強度，并在一定程度上延長數(shù)控機床的使用壽命，防止機床在運行過程中因主軸磨損而造成工件的變形，也提高了數(shù)控機床的可靠性。

3 試驗材料與方法

試驗采用某廠生產(chǎn)的五軸數(shù)控機床主軸，金屬材料為20Cr。機床主軸轉(zhuǎn)速為100 000 r/min左右，其中的材料的硬度為51～55 HRC，主軸還附帶有4 只相同力學(xué)性能的試樣。

本實驗選取橫流二氧化碳激光器，對附帶的試樣表面進行相應(yīng)的熱處理。為了確保金屬材料能夠有效的吸收照射的激光，在試驗開始前要在其表面涂覆特殊的涂料，利于激光束的充分吸收。本實驗工藝選取的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 激光熱處理工藝參數(shù)

試驗結(jié)束后需要借助顯微硬度計對主軸試樣表面的淬硬層硬度進行準(zhǔn)確的測量；同時利用光學(xué)顯微鏡檢測試樣表面的顯微組織，然后還要對淬硬層的硬度、深度進行測量檢測其是否滿足加工的實際需求。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 激光淬硬層的顯微組織形態(tài)

激光熱處理之后，主軸試樣在顯微鏡下所觀測到的顯微形態(tài)，如圖2所示。

圖2 試樣經(jīng)激光熱處理后的顯微組織

從圖2中可看出試樣的淬硬層共有3層。最表面的為完全淬硬層，顯微組織為細化的馬氏體+少部分的奧氏體組織。試樣的最表面受到激光的照射時間最長，相對的溫度會最高，并且在熱處理之前表層涂覆了特殊的涂料，使表面受熱均勻，這樣最表層的組織也分布較為連續(xù)。其次是過渡層，該層激光加熱溫度變化不明顯，而且受到激光束作用的時間相對較短，金屬組織中的鐵素體部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱藠W氏體，但是滲碳體不能充分溶解，這樣在材料冷卻后就形成了大部分的奧氏體、少部分的鐵素體以及部分未溶解的滲碳體組織形態(tài)[3]。最后一層為試樣組織的高溫回火層。

在經(jīng)過了激光淬火試驗后，金屬試樣的淬硬層硬度為61～65 HRC，要優(yōu)于原硬度10 HRC，處理效果較為明顯。表3 顯示了激光熱處理之后金屬試樣的相關(guān)性能，能夠明顯的看出其性能優(yōu)良有了較大的提升。

表3 經(jīng)激光熱處理后20Cr試樣的性能

20Cr 的組織形態(tài)主要是鐵素體以及珠光體，其表現(xiàn)經(jīng)歷了激光的熱處理之后，溫度迅速升高至AC3，組織中的珠光體雖溫度的升高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。停止激光的作用后，表面溫度會迅速降低，其中的鐵素體+珠光體組織會隨溫度的變化逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這樣在表層的印花區(qū)就形成了較為致密的組織，使得金屬試樣的耐磨性有效提升，試樣的整體性能也得到了提高。

4.2 熱處理工藝對淬火層影響的分析

在進行激光熱處理時，適當(dāng)?shù)奶岣呒す馄鞯妮敵龉β室约肮獍叩钠骄芏?，會使試樣表面在同等時間內(nèi)獲得吸收更多的激光束，試樣表面的溫度升高速度也會隨之加快。這樣在金屬試樣表面就會產(chǎn)生更多面積的溫度大于其相變溫度，經(jīng)過淬火后，會淬硬層的深度以及寬度也會有所提升[4]。當(dāng)激光的能量以及輸出功率保持不變時，激光掃描速度與淬硬層深度、寬度之間的相關(guān)性可以通過圖3進行表示。

圖3 激光掃描速度與試樣淬硬層深度和寬度的相關(guān)性曲線

4.3 激光熱處理工藝參數(shù)對淬火層深度和寬度的影響

激光熱處理工藝參數(shù)三要素:激光功率、光斑直徑、掃描速度，參數(shù)的控制決定了淬硬層的深度、寬度、硬度以及金屬表現(xiàn)的其他性能。

（1）當(dāng)掃描速度、離焦量保持一定時，增加激光的輸出功率，則淬火層的深度、寬度也會相應(yīng)的變大。原因是當(dāng)輸出功率提高時，就相當(dāng)于擴大了其光斑的密度，那么金屬表面會吸收更多能量的激光，使得表面溫度升高速度加快，大于相變溫度AC3的區(qū)域更多，這樣就利于形成更深、更寬的淬火層[5]。

（2）當(dāng)輸出功率、離焦量保持一定時，當(dāng)掃描速度加快，對降低淬火層的深度、寬度。這是由于掃描速度的加快，使得激光就會縮短在材料表面停留的時間，溫度升高的速度就會降低，從而使淬火層的深度、寬度降低。

綜合以上分析可知，要確保金屬材料表面具有較高的硬度，效果較好的淬火層以及其他良好的性能，應(yīng)當(dāng)對激光處理的參數(shù)，如輸出功率、掃描速度等進行合理的控制。

5 結(jié) 論

（1）數(shù)控機床的主軸選取20Cr，激光處理之后其表面的淬硬層形成了較為理想的馬氏體，其硬度也增加了約10 HRC。

（2）在熱處理時，激光的輸出功率以及掃描速度的變化均能對淬火層的深度、寬度造成一定的影響。

6 結(jié) 語

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展離不開數(shù)控機床的作用，而超過的轉(zhuǎn)速容易導(dǎo)致主軸的磨損，通過對主軸加工的傳統(tǒng)熱處理方式進行分析研究，提出激光熱處理技術(shù)。經(jīng)過試驗證明，激光熱處理技術(shù)能夠有效提升主軸金屬的硬度，能夠保證數(shù)控機床正常運行，因此激光處理技術(shù)在主軸硬度的提升方面具有較大的推廣空間。