采煤机大齿轮的激光熔覆再制造关键技术研究

发布时间：2016-03-18 10:19

第1章 绪   论

激光熔覆再制造技术是以丧失使用价值的损坏废旧零部件作为基材，以激光熔覆技术进行修复再制造为主的高新技术。这种技术利用激光发生器发射高能激光束在短时间内将被加工零件表面微熔，使零件表面预置粉末或与激光束同步输送的合金粉末、合金丝完全熔化，经过快速凝固，获得与基体形成良好结合的熔覆层，达到零件表面几何尺寸和原有性能的恢复。激光熔覆再制造技术的可以快速制备出相当于基体材料性能的熔覆层，赋予零件耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能。激光熔覆修复的生产模式有利于降低成本、减少资源消耗与环境污染，是符合可持续发展战略的一项绿色工程。 因此，本文以采煤机大齿轮为主要应用对象，研究激光熔覆再制造关键技术，以齿轮修复指标为目标，设计采煤机大齿轮激光熔覆再制造修复总体方案，建立激光熔覆再制造稀释率计算模型，分析激光熔覆稀释率的影响因素，同时对激光熔覆过程的温度场进行数值模拟与仿真分析，为确定修复工艺参数及材料选择建立基础，最后建立采煤机大齿轮激光熔覆再制造试验环境，通过正交试验设计建立采煤机大齿轮激光熔覆再制造工艺窗口，完成采煤机大齿轮破损部位的修复，并检测其组织及性能检测，完成指标要求。
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第2章   采煤机大齿轮激光熔覆再制造总体方案设计 

2.1   采煤机大齿轮激光熔覆修复总体方案的设计

采煤机大齿轮激光熔覆的修复方案结合理论探究、仿真分析与试验研究，根据采煤机大齿轮参数和再制造指标，分析采煤机大齿轮失效原因；基于金属成形理论、能量平衡理论与热传导等基础理论，建立激光熔覆稀释率模型；基于有限元理论，建立激光熔覆温度场分析模型，综合稀释率模型分析，进行熔覆粉末与熔覆工艺的初选；建立采煤机大齿轮激光熔覆再制造试验环境，进行采煤机大齿轮激光熔覆再制造试验，对激光熔覆再制造齿轮试件进行性能测试，完善工艺参数。本课题总体技术实施路线如图 2-1 所示。

2.2   采煤机大齿轮失效原因的分析

从图 2-2 中看到齿轮的失效形式为齿面的疲劳磨损和塑性变形。由于齿轮所受负载较大，导致齿轮在啮合时摩擦力较大，其值为105N 量级，并且摩擦力变化的幅值较大，直接造成齿轮磨损严重。同理，由于接触弹力较大，导致齿轮接触应力较大，使得齿轮的表面变形与齿体变形容易发生，因此摩擦力与接触弹力的综合作用是使得齿轮磨损变形严重，寿命较短的主要原因。

第 3 章  激光熔覆再制造稀释率数学模型的建立 .................. 19 

3.1  激光熔覆再制造稀释率数学模型的方案设计 .................... 19 
3.2  送粉式激光熔覆能量分配模型的建立及稀释率预测 ................................. 20
3.3  预置式激光熔覆能量分配模型的建立及稀释率预测 ................................. 28
3.4  本章小结................. 33 
第 4 章  激光熔覆温度场数值模拟的仿真与分析 .... 34 
4.1  激光熔覆温度场数值模拟的方案设计 ........ 34 
4.2  激光熔覆温度场的有限元数值模拟 .................. 35
4.3  激光工艺参数对激光熔覆温度场的影响分析 .................. 42
4.4  激光熔覆温度场仿真的模型验证 ...................... 48 
4.5  本章小结................... 50 
第 5 章  采煤机大齿轮激光熔覆再制造的成型试验研究 ........................... 51 
5.1  采煤机大齿轮激光熔覆再造成型试验的方案设计 ........................... 51 
5.2  预置式与送粉式激光熔覆成型精度的对比研究 ................. 52
5.3  预置式激光熔覆的成型试验研究 .......... 55
5.5  本章小结........................ 68

第5章   采煤机大齿轮激光熔覆再制造的成型试验研究 

5.1 采煤机大齿轮激光熔覆再造成型试验的方案设计 

试验首先评估预置式与送粉式激光熔覆环境；建立采煤机大齿轮激光熔覆再制造工艺窗口，通过正交试验优化工艺参数，制备激光熔覆试件；由质量检测试验获得工艺参数对熔覆质量的影响规律；最终建立齿轮缺损部位三维模型。经过测量得到，方块的实际尺寸为，27.50mm×26.30mm×2.88mm。如5.1.1 节阐述，在长宽方向上，由于刀具的向外补偿与激光熔覆时熔池表面张力的综合作用，使得加工方块在长宽方向上的产生一定误差；在高度方向上，由于送粉式激光熔覆过程中熔覆单道较宽，高度较高，，并且由于 CO2激光器的不稳定性，使得熔覆面累积时误差较大，加工误差为 28%。

5.2  预置式与送粉式激光熔覆成型精度的对比研究

从图 5-4 可以看出，采用 FORWARD LM180 金属粉末熔化成形机进行的预置式激光熔覆试验成型的零件加工精度较高，形成的方块零件顶面及侧面的表面比较光滑，在宏观形貌上没有加工缺陷。 经过测量，激光熔覆加工方块的尺寸为 20.20mm×20.20mm×15.50mm，零件实际尺寸大于设定尺寸是因为在激光熔覆成型时，为了保证加工零件可以进一步进行机械加工，为此加工工件要留有加工余量，采用刀具外补偿方式进行加工，因此零件的实际长宽均有 0.2mm 的加工余量；然而，在高度方向上，由于铺粉厚度与实际激光熔覆加工层厚间的误差累计，使得在高度方向上零件的成型误差较大，在没有预留加工余量的情况下，成型高度为 15mm 时，加工误差为 3.3%。
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结  论

本文主要完成的四个方面工作及结论如下：(1)根据采煤机大齿轮再制造指标，制定了采煤机大齿轮再制造总体技术实施方案，利用 ADAMS 接触碰撞理论，分析了采煤机大齿轮的主要失效原因；根据硬度指标，分析并选择了 Ni 基合金激光熔覆材料；对比分析了 CO2横流送粉式激光熔覆设备与光纤式金属粉末熔化设备的特点。(2)  基于 Beer-Lambert 定律、能量守恒定律和质量守恒定律分别推导了送粉式激光熔覆与预置式激光熔覆的熔覆层截面积、熔池截面积以及稀释率公式，并针对不同工艺参数进行了理论计算及试验检测，测量结果与计算结果反映了相同的规律性，为采煤机大齿轮激光熔覆再制造工艺优化与粉末优选提供理论依据。 (3)  以有限元计算方法为基础，利用 ANSYS 有限元分析软件通过 APDL参数化编程实现了激光熔覆过程的热源移动加载及熔覆粉末送入熔池的过程，获得了激光熔覆过程的温度场分布，并研究了激光工艺参数对激光熔覆过程的温度场影响规律，为参数优化提供理论依据，最后通过红外热像仪及实测熔覆层截面验证了激光熔覆温度场仿真的准确性。

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参考文献（略）

本文编号：35012