碳鋼軸類零件激光熔覆彎曲的定量實驗研究

鄭 暉，韓志仁，陳 江，王國棟

(1.東北大學 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110004;2.沈陽航空航天大學 航宇學院，沈陽 110136;3.沈陽大陸科技園，沈陽 110136)

碳鋼軸類零件激光熔覆彎曲的定量實驗研究

鄭 暉1，2，韓志仁2，陳 江3，王國棟1

(1.東北大學 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110004;2.沈陽航空航天大學 航宇學院，沈陽 110136;3.沈陽大陸科技園，沈陽 110136)

為了得到不同激光熔覆面積下軸彎曲量的變化情況，得到軸類零件激光熔覆彎曲過程的數(shù)學模型，得出熔覆面積與軸彎曲程度之間的經(jīng)驗公式，設(shè)計了激光熔覆校軸實驗.實驗在相同熔覆長度和深度下，改變?nèi)鄹仓行慕?，即熔覆面積，進行激光熔覆.實驗結(jié)果表明，在激光熔覆校軸中，軸發(fā)生了朝向激光束的彎曲;熔覆層所對中心角小于90(°)時，軸彎曲量與熔覆面積成正比關(guān)系，使軸彎曲量達到最大的熔覆層所對中心角為90(°);同時得到了激光熔覆校軸的數(shù)學模型和衡量軸彎曲量的參數(shù)，得出軸彎曲量與熔覆面積的經(jīng)驗公式，得出不同位置處軸跳動值的經(jīng)驗公式.通過經(jīng)驗公式計算得出的軸跳動值與實測的軸跳動值擬合良好，最大的誤差為0.032 mm，總平均誤差為0.001 mm，由此說明抽象出的彎曲數(shù)學模型正確，經(jīng)驗公式精度較高.

激光技術(shù);校軸;激光熔覆;數(shù)學模型;經(jīng)驗公式

所謂“再制造”是指把達到使用壽命的產(chǎn)品通過修復使其達到甚至超過原產(chǎn)品性能的加工過程.國外再制造工程從誕生至今雖僅有50多年的歷史，但其發(fā)展迅速，現(xiàn)已作為一獨具特色的新興產(chǎn)業(yè)成為制造業(yè)的重要組成部分.我國再制造產(chǎn)業(yè)處于起步階段，與發(fā)達國家有很大差距.上世紀90年代后期，開始受到企業(yè)界的認同與支持［1］.

軸是機械裝置的一種重要零件，支撐著其他轉(zhuǎn)動件并傳遞扭矩.軸的制造精度直接影響到機械運行的平穩(wěn)性［2］.在運行中，由于各部件的溫差而產(chǎn)生熱應力，過大的熱應力會使軸發(fā)生永久彎曲［2～3］;另外，對機械的使用不當，如緊急停車可能使軸發(fā)生永久彎曲.如果加工一根新軸，不僅成本高，而且工期長，會造成企業(yè)較大經(jīng)濟損失.轉(zhuǎn)而考慮再制造技術(shù)對彎曲軸進行校直，可以節(jié)約成本，縮短生產(chǎn)周期，使軸重新達到使用標準，也為加工新軸爭取到寶貴的時間.

考慮采用激光熔覆的方法進行校軸，是因為激光熔覆技術(shù)校軸加工速度快，熱影響區(qū)小，后續(xù)加工量小并且極易與數(shù)控系統(tǒng)配合實現(xiàn)自動化［4～5］.實際生產(chǎn)中激光熔覆校軸技術(shù)的應用，往往僅依靠工人經(jīng)驗，采取逐步增加熔覆區(qū)域的方法，邊熔覆邊檢測，這樣不僅浪費工時，而且增加成本.為了解決這個問題，需要得出熔覆參數(shù)對軸彎曲程度的影響的經(jīng)驗公式，以使熔覆之前就能較準確地設(shè)定各種參數(shù)，減少后續(xù)的工作.

1 實驗

1.1 實驗目的

為了掌握激光熔覆校軸的規(guī)律性，得到工藝參數(shù)與軸彎曲量的關(guān)系，需要設(shè)計實驗進行研究，因為很難將幾根實驗軸彎曲相同程度用于比較研究，所以換一角度考慮問題，由于激光熔覆后直軸會發(fā)生不同程度的彎曲，彎曲量常采用軸的徑向圓跳動值(軸在某一固定參考點繞基準軸線旋轉(zhuǎn)一周時，百分表的最大變動量)來衡量，簡稱為軸跳動值.根據(jù)軸跳動值的變化規(guī)律，得到軸類零件激光熔覆后彎曲的參考數(shù)據(jù)，對此數(shù)據(jù)進行分析比較也可以得到激光熔覆校軸的規(guī)律性.因此設(shè)計了如下實驗:

(1)確定激光熔覆時使軸彎曲量達到最大的熔覆層所對應的中心角α，以下簡稱中心角.

(2)得到軸類零件激光熔覆彎曲的數(shù)學模型，確定衡量彎曲程度的指標，從而得到彎曲程度與熔覆面積之間定量關(guān)系的經(jīng)驗公式.

1.2 實驗材料及設(shè)備

本實驗選用直軸，如圖1所示，材料為45﹟鋼，該軸的原始軸跳動值各處均在0.01 mm.實驗設(shè)備為沈陽大陸集團的DL－HJ－T5000激光器，DL－LPM－Ⅲ激光數(shù)控加工機;檢測軸跳動值在M1350Φ500 mm×3000 mm的外圓磨床上進行，檢測設(shè)備為百分表.

1.3 實驗方案確定

熔覆深度取為2 mm，熔覆層中心角α取6個.通過分析可知，熔覆區(qū)域大，零件彎曲程度也大.而軸類零件是軸對稱零件，熔覆區(qū)域過大，會使彎曲存在左右抵消現(xiàn)象，反而會減小彎曲量.同時借鑒火焰校直的實踐，校直時的加熱區(qū)域一般不會超過120(°)(軸圓周方向的三分之一)，所以選擇了6個中心角度，分別為30(°)，45(°)，60(°)，75(°)，90(°)和 120(°)，如圖 1 所示.考慮加工方便以及實驗數(shù)據(jù)可比性，在軸的0(°)相位前后α/2范圍內(nèi)加工深度均勻且為2 mm的熔覆槽，槽的長度統(tǒng)一取為230 mm，一邊留出10 mm用作測量.檢測工藝軸的軸跳動值和彎曲后高點相位.

圖1 實驗軸示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shaft specimen

1.4 實驗過程

(1)吊裝軸放在DL－LPM－Ⅲ激光數(shù)控加工機兩頂尖之間，用四爪卡盤夾緊.軸用一頂尖加兩滾輪拖住的形式，考慮軸變形不受限制.

(2)調(diào)設(shè)備DL－HJ－T5000的功率P、激光掃描速度v、焦距、光斑大小和熔覆層數(shù)n.基本實驗參數(shù)為P=4 kW，v=7 mm/s，焦距為180 mm，光斑Ф5 mm，熔覆層數(shù)n=4，搭接2 mm;

(3)清潔槽表面，水平儀找水平，預置粉均勻，厚約2 mm.

(4)激光熔覆.

(5)等軸徹底冷卻，再吊裝軸到外圓磨床M1350Φ500 mm×3000 mm上，檢測淬火處的硬度值.用百分表測量軸跳動值及高點相位.

(6)根據(jù)不同的α角，重復進行上面的步驟共6次.

2 熔覆層對應的中心角α對軸跳動值的影響

從圖2可知，最大軸跳動值位于熔覆區(qū)域右側(cè)，隨著熔覆中心角α的增大，最大軸跳動值增大.且當α小于90(°)時，最大軸跳動值增大的幅度近似為一固定值;當α大于90(°)時，最大軸跳動值仍有增加但增大效果不明顯.由此可以判斷，能使彎曲量達到最大的熔覆中心角度α為90(°)，即90(°)為最優(yōu)激光熔覆中心角.

通過測量，得出軸跳動值高點均出現(xiàn)在180(°)相位處，說明軸在激光熔覆后發(fā)生了朝向激光束的彎曲變形.

圖2 熔覆中心角度α不同時的軸跳動值Fig.2 Eccentricity along the axial length at the different laser cladding center angle

3 經(jīng)驗公式的確定

要想得出經(jīng)驗公式來，首先需要找到一個可以表示軸彎曲程度的量，這個量與軸的長度無關(guān).同時建立軸彎曲的幾何模型，見圖3.從圖3可以看出熔覆后的軸在熔覆區(qū)是彎曲的，在熔覆區(qū)外基本是直線，即假定軸只在熔覆區(qū)產(chǎn)生了彎曲，其他地方有跳動值的改變是由于彎曲部分的帶彎，因此可用彎曲部分弧線所對中心角的一半β來表示軸彎曲的程度.通過幾何關(guān)系計算得出不同熔覆中心角的情況下的β值以及tan β值.

圖3 軸激光熔覆后彎曲的數(shù)學描述Fig.3 Mthematical model of laser cladding bending of the shaft

表1 各次實驗的工藝參數(shù)和對應的彎曲程度Table 1 Processing parameter for the test and the corresponding bending degree

由表1可以得出熔覆面積與軸彎曲量之間的曲線如圖4所示:

從圖4中也能看出，熔覆中心角α增大到90°后，彎曲量不再增大，而且熔覆中心角在90°內(nèi)對彎曲程度的影響近似線性關(guān)系，反映在熔覆面積上如圖5所示:

圖5中所示熔覆深度為2 mm，熔覆面積不同(熔覆中心角不同)對軸彎曲量的影響.擬合的方程為

確定出衡量軸彎曲量的tan β后，可以著手根據(jù)tan β求出各位置預計熔覆后的軸跳動值.若設(shè)軸長為L，在距軸一端長為h的地方進行熔覆，熔覆槽的長度為l，求距離軸端x處的軸跳動值f，推導得出

圖6 軸跳動值測量值與計算值的比較曲線Fig.6 Eccentricity comparison curves between the measured value and the calculaed value

據(jù)上式計算出的跳動值與實測值的比較如圖6所示，由圖6可知，用公式計算出的跳動值與測量值平均誤差為0.001 02 mm，最大誤差為0.031 96 mm，因此若已知要校回的跳動值，可以利用這個公式反推回去求得彎曲程度tan β，再由此求出熔覆面積A以及熔覆槽的長度l.

4 結(jié)論

(1)軸在激光熔覆后發(fā)生了朝向激光束的彎曲變形，當熔覆中心角α小于90(°)時，熔覆面積與最大軸彎曲量成正比關(guān)系，熔覆中心角α大于90(°)時，彎曲效果不明顯，因此軸類零件激光熔覆校軸時，熔覆中心角α最大取90(°).

(2)抽象出激光熔覆校軸的數(shù)學模型，得到軸彎曲量tan β與熔覆面積A之間的關(guān)系方程，同時得到不同位置處的軸跳動值關(guān)系方程.用公式計算出的跳動值與測量值平均誤差為0.001 02 mm，最大誤差為0.031 96 mm.說明抽象出的激光熔覆校軸的數(shù)學模型正確.

［1］徐濱士，劉世參，史佩京.再制造工程發(fā)展及推進產(chǎn)業(yè)化中的前沿問題［J］.中國表面工程，2008，21(1):1－5.

(XU Bin－shi，LIU Shi－shen，SHI Pei－jing.The frontier issues of development and industrialization of remanufacturing engineering［J］.China Surface Engineering，2008，21(1):1 －5.)

［2］翟華.軸類零件校直工藝理論研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學，2003.

(ZHAI Hua.Research on the shaft straightening technology theory［D］.Hefei:Hefei University of Technology，2003.)

［3］田豐，盧華倫.大型機組汽輪機大抽彎曲原因分析及防彎措施探襯［J］.熱力透平，2005，35(2):112－116.

(Tian Feng， Lu Hualun. Cause analysisand technical countermeasures for rotor permanent bending of large steam turbine［J］.Thermal Turbine，2005，35(2):112 － 116.)

［4］李曉薇，張春華，張松，等.激光熔覆技術(shù)的研究進展［J］.激光雜志，2007，28(2):1－2.

(LiXiaowei， Zhang Chunhua， Zhang Song， etal.Developments of laser cladding technology ［J］.Laser Journal，2007，28(2):1 －2.)

［5］Geiger M.The mechanisms of laser forming［J］.Ann CRIP，1993，42(1):301－304.

［6］金志廣，賈鵬程.火焰加熱法矯直大型艉軸的探討［J］.中國修船，2007，20(2):14－15.

(JIN Zhi－guang，JIA Peng－cheng.Exploration of rectifying rear shaft with flame heating［J］.China Ship Repair，2007，20(2):14 －15.)

Quantitative experimental study on the carbon steel shaft laser cladding bending

ZHENG Hui1，2，HAN Zhi-ren2，CHEN Jiang3，WANG Guo-dong1

(1.State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110004，China;2.School of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China;3.Dulu Science and Technology Garden，Shenyang 110136，China)

In order to study the influence of the cladding area on the bending degree，to obtain the mathematic model in shaft laser cladding bending and to derive the empirical formula，the laser cladding test for shaft was designed.The laser cladding test was conducted at the same cladding coat thickness and different cladding coat corresponding center angle，that is cladding area.The results of the experiment show that the shaft is bended facing the laser beam.When the cladding coat corresponding center angle is less than 90(°)，the bending degree is proportional to the cladding area.At the same time，a mathematic model in shaft laser cladding bending was established and the parameter used to measure the degree of the bending was obtained.An empirical formula for the bending degree and the cladding area was established.And an eccentricity formula along the shaft length was derived.The calculated values are much agreeable to the measured ones.The maximal error is 0.032 mm，and the average error is 0.001 mm.It illustrates that the mathematic model is correct and the empirical formula has higher accuracy.

laser technique;shaft straightening;laser cladding;mathematic model;empirical formula

TN 249

A

1671-6620(2011)03-0212-04

2011-06-12.

遼寧省教育廳科學技術(shù)研究項目 (L2010428).

鄭暉 (1976—)，女，遼寧葫蘆島人，東北大學博士研究生，沈陽航空航天大學副教授;韓志仁 (1964—)，男，河北唐山人，沈陽航空航天大學教授;王國棟 (1942—)，男，遼寧大連人，東北大學教授，博士生導師，中國工程院院士.