第1章 緒   論

激光熔覆再制造技術(shù)是以喪失使用價(jià)值的損壞廢舊零部件作為基材，以激光熔覆技術(shù)進(jìn)行修復(fù)再制造為主的高新技術(shù)。這種技術(shù)利用激光發(fā)生器發(fā)射高能激光束在短時(shí)間內(nèi)將被加工零件表面微熔，使零件表面預(yù)置粉末或與激光束同步輸送的合金粉末、合金絲完全熔化，經(jīng)過(guò)快速凝固，獲得與基體形成良好結(jié)合的熔覆層，達(dá)到零件表面幾何尺寸和原有性能的恢復(fù)。激光熔覆再制造技術(shù)的可以快速制備出相當(dāng)于基體材料性能的熔覆層，賦予零件耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能。激光熔覆修復(fù)的生產(chǎn)模式有利于降低成本、減少資源消耗與環(huán)境污染，是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一項(xiàng)綠色工程。 因此，本文以采煤機(jī)大齒輪為主要應(yīng)用對(duì)象，研究激光熔覆再制造關(guān)鍵技術(shù)，以齒輪修復(fù)指標(biāo)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)采煤機(jī)大齒輪激光熔覆再制造修復(fù)總體方案，建立激光熔覆再制造稀釋率計(jì)算模型，分析激光熔覆稀釋率的影響因素，同時(shí)對(duì)激光熔覆過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬與仿真分析，為確定修復(fù)工藝參數(shù)及材料選擇建立基礎(chǔ)，最后建立采煤機(jī)大齒輪激光熔覆再制造試驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立采煤機(jī)大齒輪激光熔覆再制造工藝窗口，完成采煤機(jī)大齒輪破損部位的修復(fù)，并檢測(cè)其組織及性能檢測(cè)，完成指標(biāo)要求。
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第2章   采煤機(jī)大齒輪激光熔覆再制造總體方案設(shè)計(jì) 

2.1   采煤機(jī)大齒輪激光熔覆修復(fù)總體方案的設(shè)計(jì)

采煤機(jī)大齒輪激光熔覆的修復(fù)方案結(jié)合理論探究、仿真分析與試驗(yàn)研究，根據(jù)采煤機(jī)大齒輪參數(shù)和再制造指標(biāo)，分析采煤機(jī)大齒輪失效原因；基于金屬成形理論、能量平衡理論與熱傳導(dǎo)等基礎(chǔ)理論，建立激光熔覆稀釋率模型；基于有限元理論，建立激光熔覆溫度場(chǎng)分析模型，綜合稀釋率模型分析，進(jìn)行熔覆粉末與熔覆工藝的初選；建立采煤機(jī)大齒輪激光熔覆再制造試驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行采煤機(jī)大齒輪激光熔覆再制造試驗(yàn)，對(duì)激光熔覆再制造齒輪試件進(jìn)行性能測(cè)試，完善工藝參數(shù)。本課題總體技術(shù)實(shí)施路線如圖 2-1 所示。

2.2   采煤機(jī)大齒輪失效原因的分析

從圖 2-2 中看到齒輪的失效形式為齒面的疲勞磨損和塑性變形。由于齒輪所受負(fù)載較大，導(dǎo)致齒輪在嚙合時(shí)摩擦力較大，其值為105N 量級(jí)，并且摩擦力變化的幅值較大，直接造成齒輪磨損嚴(yán)重。同理，由于接觸彈力較大，導(dǎo)致齒輪接觸應(yīng)力較大，使得齒輪的表面變形與齒體變形容易發(fā)生，因此摩擦力與接觸彈力的綜合作用是使得齒輪磨損變形嚴(yán)重，壽命較短的主要原因。

第 3 章  激光熔覆再制造稀釋率數(shù)學(xué)模型的建立 .................. 19 

3.1  激光熔覆再制造稀釋率數(shù)學(xué)模型的方案設(shè)計(jì) .................... 19 
3.2  送粉式激光熔覆能量分配模型的建立及稀釋率預(yù)測(cè) ................................. 20
3.3  預(yù)置式激光熔覆能量分配模型的建立及稀釋率預(yù)測(cè) ................................. 28
3.4  本章小結(jié)................. 33 
第 4 章  激光熔覆溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的仿真與分析 .... 34 
4.1  激光熔覆溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的方案設(shè)計(jì) ........ 34 
4.2  激光熔覆溫度場(chǎng)的有限元數(shù)值模擬 .................. 35
4.3  激光工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆溫度場(chǎng)的影響分析 .................. 42
4.4  激光熔覆溫度場(chǎng)仿真的模型驗(yàn)證 ...................... 48 
4.5  本章小結(jié)................... 50 
第 5 章  采煤機(jī)大齒輪激光熔覆再制造的成型試驗(yàn)研究 ........................... 51 
5.1  采煤機(jī)大齒輪激光熔覆再造成型試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì) ........................... 51 
5.2  預(yù)置式與送粉式激光熔覆成型精度的對(duì)比研究 ................. 52
5.3  預(yù)置式激光熔覆的成型試驗(yàn)研究 .......... 55
5.5  本章小結(jié)........................ 68

第5章   采煤機(jī)大齒輪激光熔覆再制造的成型試驗(yàn)研究 

5.1 采煤機(jī)大齒輪激光熔覆再造成型試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì) 

試驗(yàn)首先評(píng)估預(yù)置式與送粉式激光熔覆環(huán)境；建立采煤機(jī)大齒輪激光熔覆再制造工藝窗口，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)，制備激光熔覆試件；由質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)獲得工藝參數(shù)對(duì)熔覆質(zhì)量的影響規(guī)律；最終建立齒輪缺損部位三維模型。經(jīng)過(guò)測(cè)量得到，方塊的實(shí)際尺寸為，27.50mm×26.30mm×2.88mm。如5.1.1 節(jié)闡述，在長(zhǎng)寬方向上，由于刀具的向外補(bǔ)償與激光熔覆時(shí)熔池表面張力的綜合作用，使得加工方塊在長(zhǎng)寬方向上的產(chǎn)生一定誤差；在高度方向上，由于送粉式激光熔覆過(guò)程中熔覆單道較寬，高度較高，，并且由于 CO2激光器的不穩(wěn)定性，使得熔覆面累積時(shí)誤差較大，加工誤差為 28%。

5.2  預(yù)置式與送粉式激光熔覆成型精度的對(duì)比研究

從圖 5-4 可以看出，采用 FORWARD LM180 金屬粉末熔化成形機(jī)進(jìn)行的預(yù)置式激光熔覆試驗(yàn)成型的零件加工精度較高，形成的方塊零件頂面及側(cè)面的表面比較光滑，在宏觀形貌上沒(méi)有加工缺陷。 經(jīng)過(guò)測(cè)量，激光熔覆加工方塊的尺寸為 20.20mm×20.20mm×15.50mm，零件實(shí)際尺寸大于設(shè)定尺寸是因?yàn)樵诩す馊鄹渤尚蜁r(shí)，為了保證加工零件可以進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)械加工，為此加工工件要留有加工余量，采用刀具外補(bǔ)償方式進(jìn)行加工，因此零件的實(shí)際長(zhǎng)寬均有 0.2mm 的加工余量；然而，在高度方向上，由于鋪粉厚度與實(shí)際激光熔覆加工層厚間的誤差累計(jì)，使得在高度方向上零件的成型誤差較大，在沒(méi)有預(yù)留加工余量的情況下，成型高度為 15mm 時(shí)，加工誤差為 3.3%。
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結(jié)  論

本文主要完成的四個(gè)方面工作及結(jié)論如下：(1)根據(jù)采煤機(jī)大齒輪再制造指標(biāo)，制定了采煤機(jī)大齒輪再制造總體技術(shù)實(shí)施方案，利用 ADAMS 接觸碰撞理論，分析了采煤機(jī)大齒輪的主要失效原因；根據(jù)硬度指標(biāo)，分析并選擇了 Ni 基合金激光熔覆材料；對(duì)比分析了 CO2橫流送粉式激光熔覆設(shè)備與光纖式金屬粉末熔化設(shè)備的特點(diǎn)。(2)  基于 Beer-Lambert 定律、能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律分別推導(dǎo)了送粉式激光熔覆與預(yù)置式激光熔覆的熔覆層截面積、熔池截面積以及稀釋率公式，并針對(duì)不同工藝參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算及試驗(yàn)檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果反映了相同的規(guī)律性，為采煤機(jī)大齒輪激光熔覆再制造工藝優(yōu)化與粉末優(yōu)選提供理論依據(jù)。 (3)  以有限元計(jì)算方法為基礎(chǔ)，利用 ANSYS 有限元分析軟件通過(guò) APDL參數(shù)化編程實(shí)現(xiàn)了激光熔覆過(guò)程的熱源移動(dòng)加載及熔覆粉末送入熔池的過(guò)程，獲得了激光熔覆過(guò)程的溫度場(chǎng)分布，并研究了激光工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆過(guò)程的溫度場(chǎng)影響規(guī)律，為參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)，最后通過(guò)紅外熱像儀及實(shí)測(cè)熔覆層截面驗(yàn)證了激光熔覆溫度場(chǎng)仿真的準(zhǔn)確性。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：35012