数控机床主轴激光热处理工艺研究

数控技术自20世纪中期出现以来，获得了长足发展。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。传统的高频淬火、主轴整体淬火、局部渗碳等方法只能满足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。

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。本文以主轴常用材料40cr为实验材料，研究激光处理对其组织和性能的影响。

1 实验材料及方法

选择安阳莱必钛机械有限公司生产的电主轴，该电主轴材料为40cr，调质处理，主轴转速8～10万转/min。最后安装轴承处及主要表面性能要求：52～56hrc，σb=980mpa，σs=780mpa，δs≥9％，ψ>45％，a>7j·mm-2；并随机附带4个φ80mm×20mm试样，两端磨平。

一般钢铁材料对常用10.6μm波长激光吸收率很低，仅为30％左右，因此在实际使用co2激光器进行热处理前，分别在主轴和试样上涂一层特别的涂料，以增加其对激光的吸收。

用安阳睿愚有限公司5kw的co2横流式激光器对试样进行激光热处理，其输出功率(p)为1800～20000w，扫描速度为5mm/s，机床转速为30r/min，扫描宽度为2～3.5mm。

在hv-150a显微硬度计上进行表面淬火层显微硬度测试，通过光学显微镜(om)对试样进行金相组织观察，并对淬硬层深度和宽度进行测量。

2 实验结果与分析

2.1 激光淬火层的组织及硬度

激光热处理后的组织如图1所示，其淬火硬化层分为三层。第一层为完全淬硬层。由极细马氏体加少量残余奥氏体组成1，这一层与激光的作用时间最长，加热温度最高，加之原始调质组织成分比较均匀，为较理想的金相组织；第二层为过渡层，该层加热温度处于ac～ac3，温度梯度小，作用时间短，铁素体向奥氏体转变和渗碳体溶解不均匀，冷却后形成马氏体+铁素体+渗碳体混合组织；第三层为原始组织的高温回火层。

图1 激光处理后主轴表面显微组织

激光淬火后淬硬层硬度为60～66hrc，显然比原技术要求高10hrc左右，硬度提高，耐磨性增强。从表1可以看出，激光热处理对主轴综合性能的提高有很大影响。这是因为40cr钢的组织主要是珠光体和铁素体，激光束作用于40cr钢表面后，表面温度急剧上升到ac3以上，原来的珠光体转变成奥氏体后，随温度急剧下降。硬化区的组织由珠光体和铁素体转变成马氏体，从而使激光硬化区的组织更加致密，耐磨性增加，机床主轴综合性能得到提高。

表1 40cr激光热处理和常规热处理相对耐磨性比较

2.2 工艺参数对淬火层深度和宽度的影响

在扫描速度、离焦量不变的情况下，随输出功率的增加，淬火层的深度、宽度也相应增大，如图2所示。这是因为激光器的输出功率增大时，光斑的平均密度也增加，金属表面吸收的能量使得金属表面的温度进一步提高，金属表面处于相变温度以上的区域增大，从而导致淬火层深度和宽度增加。

图2 输出功率与淬火层深度、宽度的关系曲线

在激光器的输出功率、离焦量不变的情况下，随扫描速度的增大，淬火层的深度和宽度减小(图3所示)。这是因为扫描速度越大，激光在材料上作用的时间越短，金属表面吸收的能量越低，从而导致淬火层深度和宽度减小。因而应正确选择激光功率和扫描速度，来保证主轴表面达到理想的硬度、深度、宽度和力学性能。

图3 扫描速度与淬火层深度和宽度的关系曲线

3 结论

(1)机床主轴经激光热处理后，淬硬层可得到极细小的马氏体组织。

(2)机床主轴经激光淬火后，可获得较高的硬度；磨损质量损失比正常淬火的40cr钢的磨损质量损失小。改变功率、扫描速度，对淬硬层宽度和深度有较大的影响。