淺齒輪齒根激光沖擊強化試驗和仿真研究

李晨鷺，解麗靜，程冠華，梁國祥

（1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2.山西柴油機工業有限責任公司，大同 037000）

齒輪作為一種常見的傳動機械元件，廣泛應用于各種機械設備中，其所用材料多為高強度鋼，具有傳動準確、效率高、結構緊湊等諸多優點。但在其工作服役過程中，齒輪齒根部位長期受到交變彎曲應力作用，這是導致其發生疲勞斷齒失效的主要原因。

激光沖擊強化是一種新興的表面強化技術，不僅能夠在靶材表面形成殘余壓應力層，還能使表層材料晶粒細化甚至納米化，提高金屬表面耐磨性和抗疲勞性能[1]。目前，針對激光沖擊強化的研究主要集中在激光束、約束層、吸收層等方面，且大多數研究的靶材模型為基礎樣塊，在工程應用方面具有明顯的局限性。本文以高強度鋼的齒輪為研究對象，對齒輪實體進行有限元建模和激光沖擊強化試驗，并對齒輪齒根表面及內部殘余應力的變化進行對比分析，為實際激光沖擊強化工藝參數的優化提供指導。

有限元分析

1 激光沖擊強化理論分析

激光沖擊強化過程，應力波作用時間較短，約為幾十ns，導致靶材的應變率高達105～107/s。考慮到激光強化過程中應變率對于材料特性的影響，選擇Johnson–Cook本構模型對材料進行描述，該模型在應變率較高的情況下得到廣泛應用，例如高速沖擊、爆炸沖擊等[2]。同時，由于激光沖擊強化的過程是瞬時完成的，作用時間只有幾十ns并且在整個強化過程中約……