齒輪曲面激光熔覆應力場數值模擬

齒輪曲面激光熔覆應力場數值模擬

　　0 引 言
　　
　　激光熔覆技術在材料表面改性、產品表面修復、提高零部件使用壽命等方面得到廣泛的應用[1-3]。但是目前該技術還面臨不少難題，如激光熔覆工藝參數選擇、熔覆材料的配對和新材料的開發、熔覆層表面和內部的質量問題、熔覆設備的改進等。特別是熔覆層質量的穩定性和可靠性是該項技術迅速推廣的主要障礙。目前激光熔覆研究多集中在平面基體上的熔覆，實際應用中熔覆會在各種曲面上進行，比如齒輪輪齒的修復和性能的加強。熔覆層表面平整與否不是判斷熔覆層質量好壞的唯一標準，熔覆層有否產生裂紋是一個更重要的指標，裂紋問題也是激光熔覆面臨的最大問題。齒輪輪齒曲面激光熔覆過程中裂紋產生的主要原因是熔覆過程中的溫度與組織變化所引起的內應力。影響裂紋產生的因素有熔覆層材料物理性能、基體材料物理性能、熔覆層厚度和熔覆工藝等。筆者利用ANSYS 對齒輪曲面激光熔覆進行數值模擬，并通過實驗驗證了模擬結果。
　　
　　1 數值模擬影響因素
　　
　　1.1 建立有限元模型時熔覆層形貌的處理
　　熔覆層幾何形貌是指單道激光熔覆層橫截面內的形狀及其特征尺寸，主要以熔覆層高度和熔覆層寬度來描述[4]。影響熔覆層幾何形貌的因素眾多，經過試驗驗證，主要影響因素有：激光掃描速度、送粉速率、光斑尺寸、激光功率和離焦量。
　　觀察熔覆橫截面的掃描電鏡照片（見圖1），表明熔覆層質量較好時的截面都呈拋物線狀，采用MATLAB 對熔覆層形貌進行擬合。根據熔覆前后能量及質量守恒定理進行計算得出熔覆層高度的估算公式。
　　
　　1.2 數值模擬時對激光功率的處理
　　激光熔覆時，通�？紤]對實際功率的影響因素有粉末對激光束的遮蔽和激光入射角的影響。除此之外，由于齒輪齒廓是曲面模擬時必須對其引起的激光功率分布不均予以考慮。
　　熔覆過程中激光在到達基體前穿過送粉器送出的粉末流時，粉末會遮擋部分激光束，衰減其到達基體的能量。粉末遮蔽激光能量的比例通常用遮光率來表示即粉末遮擋的激光功率與激光束輸出功率之比，根據粉末流速度、送粉流半徑、粉末顆粒半徑和激光束半徑等可計算得到粉末遮蔽率[5]。
　　齒輪熔覆掃描工藝主要有2 種：周向掃描和軸向掃描。實驗采用軸向掃描工藝，即激光束不動，以一定的角度照射到輪齒表面，而齒輪也固定只做軸向運動。當完成一個輪齒的齒面熔覆后，轉動齒輪以同樣的方法熔覆其他的輪齒。激光掃描時，齒廓上從基圓至齒頂圓任一點K 處的激光入射角kλ 可根據幾何關系計算得出[6]。已知激光束入射角度即可得到齒輪齒面任意一點處材料對激光的吸收率[7]。
　　相變分析必須考慮材料的潛熱，即在相變過程吸收或釋放的熱量，通過定義材料的焓特性來計入潛熱。在ANSYS 數值模擬中，焓材料特性為比焓。當比焓在某些材料中不能使用時，可用密度、比熱容和物質潛熱計算得出。
　　
　　2 實驗結果與分析
　　
　　2.1 實驗結果及分析
　　實驗設備采用SLC-20X30D 數控激光多功能加工機，配備ROFIN DC 030 激光器、側向自動送粉器、西門子數控系統和四軸聯動數控機床。試驗材料采用標準漸開線直齒圓柱齒輪，材料分別為10 鋼和45 鋼，齒寬45 mm，壓力角20°，模數為5，齒數為50。熔覆材料為Ni60 自熔性合金粉末，粒度45~105 μm。熔覆前齒面用砂紙打磨，掃描時不使用保護氣體，熔覆后自然冷卻。45 鋼表面熔覆Ni60 的工藝參數見表1。裂紋數單位為條（定義為肉眼可見的宏觀裂紋）。實驗結果如所示。
　　齒輪材料為10 鋼和45 鋼時在不同送粉率條件下產生的裂紋條數見表2。粉末為Ni60。其他工藝參數：功率1 100 W，掃描速度3 mm/s。
　　
　　2.2 數值模擬結果
　　筆者進行了4 組應力場的模擬計算：①采用45 鋼為基體材料，Ni60 為熔覆材料；②采用10 鋼為基體材料，Ni60 為熔覆材料；③采用10 鋼為基體材料，1Cr18Ni9Ti 為熔覆材料；④采用45 鋼為基體材料，Ni60 為熔覆材料，預熱到400 ℃。4 組模擬計算的工藝參數均為：激光功率1 100 W，掃描速度3 mm/s，送粉速率4 g/min。圖4、6、8、10 是熔覆層與基體結合處中點位置的應力隨時間變化圖。圖5、7、9、11 是端面熔覆層橫截面應力場模擬結果。
　　比較模擬結果發現，10 號鋼與Ni60 合金粉末匹配組時熔覆層應力值最大，其次是10號鋼與1Cr18Ni9Ti 粉末匹配組，45 號鋼與Ni60 合金粉末匹配組相對較小。比較圖4、5 與圖10、11 可知預熱基體后，熔覆層的應力值減小，熔覆層產生裂紋的傾向越小。不同的材料匹配下應力走向趨勢是一致的，都是在熔覆層與基體相交的部位產生應力集中，隨著冷卻時間的推移應力降低并趨于一個定值。對比模擬結果發現不同的材料應力值大小不同，因而產生裂紋的傾向也不同。此外，基體預熱后熔覆層應力減小。
　　從實驗結果可以看出在相同的熔覆工藝參數下10 號鋼相比45 號鋼更易產生裂紋，即45 號鋼與Ni60 比10 號鋼與Ni60 材料的匹配性能更佳。模擬結果與實驗結果說明材料匹配是影響裂紋產生的重要因素。選擇合適的材料匹配能夠減少加工過程中的溫度梯度，減小熔覆層中應力集中，避免裂紋的產生。此外，基體預熱也能減少裂紋的產生。數值模擬對預防熔覆層裂紋產生有一定的指導作用。
　　
　　3 結 論
　　
　　1）對熔覆層形貌尺寸進行了計算，提出了熔覆層高度的估算公式。
　　2）數值模擬時除考慮粉末遮蔽、激光入射角對實際功率的影響外，著重提出了曲面引起激光功率分布不均的處理辦法。此外，還引入了處理熔覆過程中相變的處理辦法。
　　3）對不同材料匹配的齒輪激光熔覆進行了模擬，結果表明材料的匹配對熔覆層裂紋有很大的影響。模擬基體預熱前后的溫度場及應力場，結果表明基體預熱也是減少裂紋產生的一種有效手段。

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　　[參考文獻] (References)
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　　[6]石娟．齒輪激光表面處理的若干關鍵技術研究[D]．上海：同濟大學，2006.Shi Juan. Key technology research of gear laser treatment [D]. Shanghai: Tongji University, 2006.(in Chinese)
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