【摘 要】
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中国是全球最大的城市轨道交通和城际高速铁路建设市场,盾构机市场需求巨大,但是国产盾构机刀具表面性能与国外仍存在较大的差距。武汉某钻具股份有限公司是国内最大的盾构机刀具制造商之一,所生产盾构机滚刀材质采用KDCMSV特种钢,现使用传统调质处理提升表面性能,硬度低、耐磨性差,使用寿命短。激光淬火是一种新型表面强化技术,利用急热急冷的特性,花费较小成本,大幅提高工件表面硬度、耐磨等性能。然而,激光淬火性
【基金项目】
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国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目“面向低碳制造的激光加工工艺及系统优化基础理论与关键技术”,项目编号5181101756； 广东省重点领域研发计划项目“面向汽车零部件制造的绿色、高效、智能压铸岛系统开发与应用”,项目编号:2019B090921001；
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中国是全球最大的城市轨道交通和城际高速铁路建设市场,盾构机市场需求巨大,但是国产盾构机刀具表面性能与国外仍存在较大的差距。武汉某钻具股份有限公司是国内最大的盾构机刀具制造商之一,所生产盾构机滚刀材质采用KDCMSV特种钢,现使用传统调质处理提升表面性能,硬度低、耐磨性差,使用寿命短。激光淬火是一种新型表面强化技术,利用急热急冷的特性,花费较小成本,大幅提高工件表面硬度、耐磨等性能。然而,激光淬火性能受到不同工艺参数的影响,传统上通过反复实验总结经验选取加工参数,优化性能有限,耗费成本高、时间长。本文采用有限元仿真模拟、实验对比等新方法研究盾构刀具激光淬火强化,并获得较优工艺参数。本文的主要内容如下:（1）针对未调质处理的KDCMSV特种钢滚刀,使用ANSYS Workbench建立激光淬火的有限元模型和热弹塑性模型并进行仿真分析,根据金属热处理理论确定硬化层尺寸并与实验结果对比分析,发现最高温度不超过熔点时平均误差为5.43%,具有较大的准确性,并通过应力场分析激光淬火的应力分布;（2）根据模拟的参数对调质前后的特种钢分别进行实验,运用光学显微镜和电子显微镜观察硬化层、过渡区、基体的显微组织差异,分析激光淬火硬化的机理。实验结果显示,调质处理后的刀具的激光淬火效果更好,最佳工艺参数为激光功率2200W、扫描速度45 mm/s、离焦量3 cm;（3）通过直线往复滑动摩擦实验测试空白组与不同激光表面淬火工艺下硬化层的耐磨性能。使用称重法根据磨损量确定耐磨性,采用超景深三维显微镜和扫描电子显微镜观察磨损的表面形貌,并分析磨损的机理。实验结果显示:调质处理+激光淬火后,磨损量最小为调质处理前的10.8%,是调质处理后的41.7%,几乎为完全的磨粒磨损破坏机制,其磨损表面的微观形貌表现为明显的犁沟现象和少量的脆性断裂解理面。
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