第1章 緒   論

激光熔覆再制造技術是以喪失使用價值的損壞廢舊零部件作為基材，以激光熔覆技術進行修復再制造為主的高新技術。這種技術利用激光發(fā)生器發(fā)射高能激光束在短時間內(nèi)將被加工零件表面微熔，使零件表面預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)過快速凝固，獲得與基體形成良好結合的熔覆層，達到零件表面幾何尺寸和原有性能的恢復。激光熔覆再制造技術的可以快速制備出相當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)略的一項綠色工程。 因此，本文以采煤機大齒輪為主要應用對象，研究激光熔覆再制造關鍵技術，以齒輪修復指標為目標，設計采煤機大齒輪激光熔覆再制造修復總體方案，建立激光熔覆再制造稀釋率計算模型，分析激光熔覆稀釋率的影響因素，同時對激光熔覆過程的溫度場進行數(shù)值模擬與仿真分析，為確定修復工藝參數(shù)及材料選擇建立基礎，最后建立采煤機大齒輪激光熔覆再制造試驗環(huán)境，通過正交試驗設計建立采煤機大齒輪激光熔覆再制造工藝窗口，完成采煤機大齒輪破損部位的修復，并檢測其組織及性能檢測，完成指標要求。
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第2章   采煤機大齒輪激光熔覆再制造總體方案設計 

2.1   采煤機大齒輪激光熔覆修復總體方案的設計

采煤機大齒輪激光熔覆的修復方案結合理論探究、仿真分析與試驗研究，根據(jù)采煤機大齒輪參數(shù)和再制造指標，分析采煤機大齒輪失效原因；基于金屬成形理論、能量平衡理論與熱傳導等基礎理論，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分析模型，綜合稀釋率模型分析，進行熔覆粉末與熔覆工藝的初選；建立采煤機大齒輪激光熔覆再制造試驗環(huán)境，進行采煤機大齒輪激光熔覆再制造試驗，對激光熔覆再制造齒輪試件進行性能測試，完善工藝參數(shù)。本課題總體技術實施路線如圖 2-1 所示。

2.2   采煤機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。由于齒輪所受負載較大，導致齒輪在嚙合時摩擦力較大，其值為105N 量級，并且摩擦力變化的幅值較大，直接造成齒輪磨損嚴重。同理，由于接觸彈力較大，導致齒輪接觸應力較大，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)學模型的建立 .................. 19 

3.1  激光熔覆再制造稀釋率數(shù)學模型的方案設計 .................... 19 
3.2  送粉式激光熔覆能量分配模型的建立及稀釋率預測 ................................. 20
3.3  預置式激光熔覆能量分配模型的建立及稀釋率預測 ................................. 28
3.4  本章小結................. 33 
第 4 章  激光熔覆溫度場數(shù)值模擬的仿真與分析 .... 34 
4.1  激光熔覆溫度場數(shù)值模擬的方案設計 ........ 34 
4.2  激光熔覆溫度場的有限元數(shù)值模擬 .................. 35
4.3  激光工藝參數(shù)對激光熔覆溫度場的影響分析 .................. 42
4.4  激光熔覆溫度場仿真的模型驗證 ...................... 48 
4.5  本章小結................... 50 
第 5 章  采煤機大齒輪激光熔覆再制造的成型試驗研究 ........................... 51 
5.1  采煤機大齒輪激光熔覆再造成型試驗的方案設計 ........................... 51 
5.2  預置式與送粉式激光熔覆成型精度的對比研究 ................. 52
5.3  預置式激光熔覆的成型試驗研究 .......... 55
5.5  本章小結........................ 68

第5章   采煤機大齒輪激光熔覆再制造的成型試驗研究 

5.1 采煤機大齒輪激光熔覆再造成型試驗的方案設計 

試驗首先評估預置式與送粉式激光熔覆環(huán)境；建立采煤機大齒輪激光熔覆再制造工藝窗口，通過正交試驗優(yōu)化工藝參數(shù)，制備激光熔覆試件；由質(zhì)量檢測試驗獲得工藝參數(shù)對熔覆質(zhì)量的影響規(guī)律；最終建立齒輪缺損部位三維模型。經(jīng)過測量得到，方塊的實際尺寸為，27.50mm×26.30mm×2.88mm。如5.1.1 節(jié)闡述，在長寬方向上，由于刀具的向外補償與激光熔覆時熔池表面張力的綜合作用，使得加工方塊在長寬方向上的產(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，使得熔覆面累積時誤差較大，加工誤差為 28%。

5.2  預置式與送粉式激光熔覆成型精度的對比研究

從圖 5-4 可以看出，采用 FORWARD LM180 金屬粉末熔化成形機進行的預置式激光熔覆試驗成型的零件加工精度較高，形成的方塊零件頂面及側面的表面比較光滑，在宏觀形貌上沒有加工缺陷。 經(jīng)過測量，激光熔覆加工方塊的尺寸為 20.20mm×20.20mm×15.50mm，零件實際尺寸大于設定尺寸是因為在激光熔覆成型時，為了保證加工零件可以進一步進行機械加工，為此加工工件要留有加工余量，采用刀具外補償方式進行加工，因此零件的實際長寬均有 0.2mm 的加工余量；然而，在高度方向上，由于鋪粉厚度與實際激光熔覆加工層厚間的誤差累計，使得在高度方向上零件的成型誤差較大，在沒有預留加工余量的情況下，成型高度為 15mm 時，加工誤差為 3.3%。
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結  論

本文主要完成的四個方面工作及結論如下：(1)根據(jù)采煤機大齒輪再制造指標，制定了采煤機大齒輪再制造總體技術實施方案，利用 ADAMS 接觸碰撞理論，分析了采煤機大齒輪的主要失效原因；根據(jù)硬度指標，分析并選擇了 Ni 基合金激光熔覆材料；對比分析了 CO2橫流送粉式激光熔覆設備與光纖式金屬粉末熔化設備的特點。(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了送粉式激光熔覆與預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，并針對不同工藝參數(shù)進行了理論計算及試驗檢測，測量結果與計算結果反映了相同的規(guī)律性，為采煤機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)  以有限元計算方法為基礎，利用 ANSYS 有限元分析軟件通過 APDL參數(shù)化編程實現(xiàn)了激光熔覆過程的熱源移動加載及熔覆粉末送入熔池的過程，獲得了激光熔覆過程的溫度場分布，并研究了激光工藝參數(shù)對激光熔覆過程的溫度場影響規(guī)律，為參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)，最后通過紅外熱像儀及實測熔覆層截面驗證了激光熔覆溫度場仿真的準確性。

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參考文獻（略）

本文編號：35012