基于激光冲击的导轨表面形貌及性能研究

发布时间：2017-04-12 08:18

  本文关键词：基于激光冲击的导轨表面形貌及性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：导轨作为机床关键部件之一,其表面形貌和力学性能直接影响着工件的加工精度及导轨的使用寿命。刮削能够改善导轨表面形貌提高其接触状态和摩擦磨损性能,但存在自动化程度不高、加工效率低等缺点。本文将激光冲击处理技术应用于导轨表面的处理过程中,以40Cr镶钢导轨为研究对象,开展激光冲击处理40Cr表面的工艺探索及试验研究。主要研究内容如下:首先,理论分析激光冲击处理对40Cr导轨表面完整性及耐磨性的影响。分析认为激光冲击脉冲能量、冲击次数及光斑搭接率对冲击区域表面完整性及耐磨性的影响显著。激光脉冲能量不同,作用在试样表面的冲击波峰值压力不同,表面形貌和力学性能发生不同程度的变化。激光冲击次数和光斑搭接率不同,试样表面受冲击次数和覆盖率随之发生变化,对表面形貌及性能产生不同的效果。激光冲击试样表面,宏观上产生剧烈的塑性变形,形成微浅的凹坑,微观上形成大量的位错、晶粒滑移、晶粒细化等,这些宏观和微观上的变化对试样表面完整性及耐磨性影响显著。其次,研究激光冲击处理对40Cr表面形貌及力学性能的影响。对比研究未处理试样、刮削试样和不同工艺参数下激光冲击试样的表面残余应力、显微硬度及硬化层深度、表面凹坑轮廓及粗糙度的变化。研究表明:与未处理试样和刮削试样相比,激光冲击试样表面残余压应力、显微硬度得到很大提高。随着激光脉冲能量、冲击次数和光斑搭接率增加,试样表面残余压应力、显微硬度及硬化层深度均随之增大。残余压应力值最大达到-460.16MPa,显微硬度最大达到412.2HV0.2,硬化层深度达到1mm。随着脉冲能量、冲击次数增加表面凹坑深度随之增加,而光斑搭接率增加时,凹坑深度反而呈减小趋势。激光冲击后表面粗糙度得到了显著提高,粗糙度值随着激光冲击参数增大而减小,粗糙度最小达到0.25μm。最后,开展激光冲击处理40Cr表面摩擦磨损性能研究。对比研究未处理试样、刮削试样及不同工艺参数下激光冲击试样磨损量、摩擦系数及磨损机制。研究表明:经过激光冲击后试样表面磨损量明显小于未处理试样和刮削试样。随着激光冲击工艺参数增加磨损量呈减小趋势,磨损量最小达到2.1mg。2号激光冲击试样的稳态摩擦系数稳定在0.4左右,相比未处理试样和刮削试样更小更趋于稳定。分析不同工艺条件下试样表面磨痕形貌可知,主要磨损类型是磨粒磨损和粘着磨损,表面存在不同程度的犁沟和粘着碎片,但与未冲击试样相比,激光冲击试样磨损表面的犁沟和粘着碎片数量明显减少。
【关键词】：激光冲击 机床导轨 刮削工艺 显微硬度 表面形貌 耐磨性
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG502.6;TG665
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究背景及科学意义11-13
• 1.2 镶钢导轨的研究现状13-16
• 1.2.1 机床导轨的分类及失效形式13-14
• 1.2.2 影响导轨精度的主要因素14-15
• 1.2.3 镶钢导轨的发展现状15-16
• 1.2.4 镶钢导轨表面刮削工艺现状及存在的问题16
• 1.3 激光冲击处理技术的发展及研究现状16-19
• 1.3.1 激光冲击处理技术的原理及特点16-17
• 1.3.2 激光冲击处理技术的研究现状17-18
• 1.3.3 激光冲击改善金属表面完整性及耐磨性的研究现状18-19
• 1.4 本文主要研究内容19-21
• 第二章 激光冲击 40Cr导轨表面完整性及耐磨性理论研究21-32
• 引言21
• 2.1 激光冲击波强化基础理论21-26
• 2.1.1 激光冲击波的形成21-23
• 2.1.2 激光冲击波压力的估算及主要影响因素23-24
• 2.1.3 影响激光冲击区域的主要工艺参数24-26
• 2.2 激光冲击 40Cr导轨表面完整性及耐磨性基础理论26-31
• 2.2.1 激光冲击 40Cr导轨表面完整性理论研究26-30
• 2.2.2 激光冲击 40Cr导轨表面耐磨性理论研究30-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第三章 激光冲击处理 40Cr表面形貌及力学性能研究32-56
• 引言32
• 3.1 试验方法和装置32-34
• 3.1.1 试验材料与方法32-33
• 3.1.2 激光冲击试验设备33-34
• 3.2 检测方法与设备34-37
• 3.2.1 残余应力检测方法34-35
• 3.2.2 显微硬度检测方法35-36
• 3.2.3 微观组织观察36
• 3.2.4 表面轮廓和粗糙度检测36-37
• 3.3 激光冲击处理对 40Cr表面残余应力分布的影响37-40
• 3.3.1 脉冲能量对 40Cr表面残余应力分布的影响37-38
• 3.3.2.冲击次数对 40Cr表面残余应力分布的影响38-39
• 3.3.3.光斑搭接率对 40Cr表面残余应力场分布的影响39-40
• 3.4 激光冲击处理对 40Cr表面显微硬度的影响40-45
• 3.4.1 不同脉冲能量下 40Cr表面硬度及硬化层深度的变化40-42
• 3.4.2.不同冲击次数下 40Cr表面硬度及硬化层深度的变化42-44
• 3.4.3 不同光斑搭接率下 40Cr表面硬度及硬化层深度的变化44-45
• 3.5 激光冲击处理 40Cr表层微观组织研究45-47
• 3.6 激光冲击处理对 40Cr表面凹坑深度的影响47-51
• 3.6.1 脉冲能量对 40Cr表面凹坑深度的影响分析47-48
• 3.6.2 冲击次数对 40Cr表面凹坑深度的影响分析48-49
• 3.6.3 光斑搭接率对 40Cr表面凹坑深度的影响分析49-51
• 3.7 激光冲击处理对 40Cr表面粗糙度的影响51-54
• 3.7.1 脉冲能量对 40Cr表面粗糙度的影响分析51-52
• 3.7.2 冲击次数对 40Cr表面粗糙度的影响分析52-53
• 3.7.3 光斑搭接率对 40Cr表面粗糙度的影响分析53-54
• 3.8 本章小结54-56
• 第四章 激光冲击 40Cr表面摩擦磨损性能研究56-64
• 引言56
• 4.1 摩擦磨损试验56-57
• 4.1.1 试验材料与方法56-57
• 4.2 摩擦磨损试验结果与分析57-60
• 4.2.1 激光冲击处理对磨损量的影响分析57-59
• 4.2.2 激光冲击处理对摩擦系数的影响分析59-60
• 4.3 摩擦磨损机理研究60-62
• 4.3.1 磨痕形貌60-61
• 4.3.2 磨损过程及耐磨机理61-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第五章 总结与展望64-67
• 5.1 全文总结64-65
• 5.2 尚待解决的问题与前景展望65-67
• 参考文献67-72
• 致谢72-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文与科研情况73

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