激光表面淬火兩自由度工作臺(tái)設(shè)計(jì)【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化</p><p>　　激光表面淬火兩自由度工作臺(tái)設(shè)計(jì)</p><p>　　1激光表面熱處理設(shè)備研發(fā)的背景及意義</p><p>　　激光熱處理設(shè)備的發(fā)展始終服從于優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗的普遍市場(chǎng)規(guī)律，近代氣候和環(huán)境的熱點(diǎn)又把節(jié)能減

2、排提到了各行各業(yè)的日程。汽車、航空、電力工業(yè)對(duì)其產(chǎn)品和零部件提出了更高的質(zhì)量、質(zhì)量均勻性和延壽要求，從而對(duì)激光淬火技術(shù)和設(shè)備也提出更大挑戰(zhàn)。從熱處理生產(chǎn)用戶角度，希望激光熱處理設(shè)備能更便宜，使用更長(zhǎng)時(shí)間，可靠性更高，故障率更低，廢品率接近于零，工輔材料更省，從而能充分降低生產(chǎn)成本，保證高的利潤(rùn)率[1]。</p><p>　　激光淬火技術(shù)已在許多方面顯示了其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，世界各國(guó)都十分重視在這一方面的研究，并

3、已經(jīng)在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，以美國(guó)為例。目前，美國(guó)正在開(kāi)～展飛機(jī)重載齒輪激光硬化工藝研究，以取代滲碳淬火化學(xué)熱處理，激光硬化的齒輪包括直升飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置的行星齒輪和飛機(jī)主傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)齒輪。由于用激光硬化后的飛機(jī)重載齒輪不需最后研磨，故可以大大降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。</p><p>　　激光淬火在工業(yè)上越來(lái)越被廣泛的應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體表面淬火[2]，可使缸體耐磨性提高3倍以上；熱軋鋼板剪切機(jī)刃口淬火，與同等未處理

4、的刃口相比壽命提高了一倍左右；而且激光表面淬火還應(yīng)用在機(jī)床導(dǎo)軌淬火、齒輪齒面淬火、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的曲頸和凸輪部位局部淬火以及各種工具刃口激光淬火。</p><p>　　周建忠，花銀群等[3]在其球鐵曲軸激光淬火強(qiáng)化技術(shù)研究中，介紹了曲軸激光淬火強(qiáng)化系統(tǒng)，探討了各種因素對(duì)球鐵激光強(qiáng)化性能的影響，指出其在工程應(yīng)用中所要解決的主要問(wèn)題。同時(shí)研究結(jié)果表明，球鐵曲軸經(jīng)激光淬火強(qiáng)化后，能獲得較高的表面硬度和殘余壓應(yīng)力，從而有效的

5、提高和改善曲軸的使用壽命。</p><p>　　隨著科技的發(fā)展，激光淬火技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有一定的運(yùn)用及應(yīng)用。同時(shí)激光淬火技術(shù)也越來(lái)越成熟，也在各個(gè)行業(yè)發(fā)揮了其不可磨滅的作用。激光技術(shù)在不斷的發(fā)展，其工藝設(shè)備及其工藝參數(shù)都在不斷的優(yōu)化當(dāng)中，其在發(fā)展過(guò)程中不斷的與其它先進(jìn)技術(shù)結(jié)合在一起，從而更好的發(fā)揮了激光淬火技術(shù)的重要及其先進(jìn)性。張連寶，李俊等[4]在其研究中，建立的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)模型具有較好的可靠性，其將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與

6、遺傳算法的混合智能技術(shù)引入激光淬火領(lǐng)域，為解決激光淬火工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題提供了一條先進(jìn)、合理的途徑。</p><p>　　在此時(shí)設(shè)備的發(fā)展也就顯得特別的重要。我國(guó)激光熱處理裝備相對(duì)落后，激光熱處理行業(yè)是近些年隨機(jī)械工業(yè)的發(fā)展取得了較快速的發(fā)展，但激光熱處理設(shè)備更新落后于行業(yè)的發(fā)展。在激光熱處理設(shè)備制造方面，大量的先進(jìn)熱處理裝備仍需進(jìn)口，特別是先進(jìn)的傳感器方面，其技術(shù)水平仍相對(duì)落后。先進(jìn)節(jié)能保溫材料應(yīng)用普及率還相對(duì)較

7、低，熱處理輔助材料發(fā)展較慢。近些年來(lái)，引進(jìn)了國(guó)外一些先進(jìn)激光熱處理裝備生產(chǎn)技術(shù)，但國(guó)內(nèi)在激光熱處理設(shè)備設(shè)計(jì)、裝備模塊化方面尚未掌握核心技術(shù)。對(duì)于設(shè)備的開(kāi)發(fā)與研究具有至關(guān)重要的意義，對(duì)激光淬火技術(shù)的發(fā)展提供了最基本的保障。</p><p>　　2 激光表面淬火技術(shù)的特點(diǎn)</p><p>　　激光淬火又稱為激光相變硬化[5，6]，是指以高能密度的激光束照射工件表面， 使其需要硬化部位瞬間吸收光

8、能并立即轉(zhuǎn)化為熱能，從而使激光作用區(qū)的溫度急劇上升形成奧氏體，經(jīng)隨后的快速冷卻，獲得極細(xì)小馬氏體和其他組織的高硬化層的一種熱處理技術(shù)。由于激光淬火的各種工藝的特殊性，與其它傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)相比有如下一些特點(diǎn)[7—10]：</p><p>　　極快的加熱和冷卻速度　</p><p>　　激光表面淬火時(shí)加熱速度可達(dá)( 104 ～ 106 ) ℃/ s ，冷卻速度可達(dá)(106～108) ℃/ s

9、。比感應(yīng)加熱的工藝周期短，通常只需要0．11s 即可完成淬火過(guò)程，生產(chǎn)效率很高。</p><p>　　可實(shí)現(xiàn)自冷淬火，淬火變形小　</p><p>　　由于激光加熱速度快，相變過(guò)程輸入的熱量少，熱影響區(qū)小，因而可實(shí)現(xiàn)自冷淬火，淬火變形小，不需要水或油等淬火介質(zhì)，既可降低消耗，又可避免環(huán)境污染。</p><p>　　(3)　工藝過(guò)程可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制和生產(chǎn)自動(dòng)。<

10、/p><p>　　(4)　淬火后表面質(zhì)量高　</p><p>　　只要工藝得當(dāng)，激光淬火后表面幾乎無(wú)氧化脫碳現(xiàn)象，表面粗糙度也幾乎不變，可以作為工件加工的最后工序。</p><p>　　淬火后硬度高,耐磨性好　</p><p>　　激光表面淬火后可獲得極細(xì)小的馬氏體和碳化物組織，其硬度比常規(guī)淬火硬度高15 %～30 %。尤其對(duì)于鑄鐵件，耐磨性可提

11、高3～4 倍。</p><p>　　(6) 淬火后表層產(chǎn)生很高的殘余壓應(yīng)力，可大幅度提高零件的疲勞強(qiáng)度。</p><p>　　(7) 易實(shí)現(xiàn)表面局部及特殊部位的淬火　</p><p>　　激光表面淬火只發(fā)生在激光照射的部位，其他部位無(wú)須進(jìn)行防護(hù)。激光束可聚焦到很細(xì)，特別適合小件的局部淬火和特殊部位的淬火，例如槽壁、小孔、深孔、腔體內(nèi)壁等，只要能將激光照射到位即可。&

12、lt;/p><p>　　王兆龍，王喜全等[11]在解決國(guó)產(chǎn)紡錠桿易磨損，壽命短的問(wèn)題，運(yùn)用了一種三點(diǎn)激光淬火熱處理新工藝，這種新工藝不僅可以克服傳統(tǒng)工藝的不足，淬火后紡錠桿表面硬度提高到HRC65，而其表面粗糙度不變，大大提高了其壽命，為紡織廠節(jié)約成本，提高質(zhì)量提供一條新的途徑。</p><p>　　周建忠，張永康等[12]在齒輪中運(yùn)用了激光淬火技術(shù)替代了常規(guī)的滲碳工藝。解決了滲碳存在變形較大

13、，硬化層沿齒廓分布不均勻等缺陷，從而影響齒輪的使用壽命。在經(jīng)過(guò)一系列的研究與討論后，采用激光淬火齒面技術(shù)不僅能提高生產(chǎn)率，降低成本，而且對(duì)于某些材料的齒輪完全能代替滲碳淬火工藝。為了使此項(xiàng)技術(shù)能在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在研制性能可靠的工業(yè)用大功率激光器的同時(shí)，必須進(jìn)行齒輪激光表面處理專家系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā)，激光處理實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)化、處理過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真模擬和實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及熱處理后表面組織結(jié)構(gòu)和性能的計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)，做到齒輪激光淬火過(guò)

14、程的易操作性，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀和人工智能化的表面處理。</p><p>　　激光表面處理技術(shù)，是在材料表面形成一定厚度的處理層，可以改善材料表面的力學(xué)性能、冶金性能、物理性能，從而提高零件、工件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等一系列性能。</p><p>　　3激光表面熱處理技術(shù)以及設(shè)備的國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　激光的誕生[13]，以1960 年第一臺(tái)固體激

15、光器紅寶石激光器及1961 年第一臺(tái)氣體激光器氦氖激光器的先后研制成功為標(biāo)志，經(jīng)過(guò)三十年的發(fā)展，激光技術(shù)已成為一種具有巨大吸引力的新興技術(shù)，在工業(yè)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。激光熱處理便是激光技術(shù)最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。七十年代初由于大功率氣體激光器的出現(xiàn)，使得材料激光加工技術(shù)的研究變得更為活躍，材料的激光加工作為高能束(激光束、電子束和離子束)加工材料的一種，已成為最有前途的方向之一。在當(dāng)時(shí)從高能束材料加工的理論和實(shí)踐來(lái)說(shuō)，激光加工還不完

16、美，是在研究大功率激束對(duì)材料作用過(guò)程的理論和實(shí)際應(yīng)用方面都取得了很大成果。從而誕生了激光淬火表面處理技術(shù)。美國(guó)通用汽車公司于20世紀(jì)70年代初率先將該項(xiàng)技術(shù)用于工業(yè)生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[14]。我國(guó)從20世紀(jì)70年代末千瓦級(jí)CO2 激光器研制成功以來(lái)，已有30多年的應(yīng)用歷史。盡管目前激光表面淬火技術(shù)的應(yīng)用還不及傳統(tǒng)熱處理技術(shù)那樣廣泛和成熟，但由于其具有的獨(dú)特優(yōu)越性，正日益受到人們的重視，已經(jīng)在機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、石油、礦山、紡織、

17、冶金、航空航天等許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。</p><p>　　此外，我國(guó)也在積極進(jìn)行激光淬火的研究和應(yīng)用實(shí)踐，天津渤海無(wú)線電廠采用美國(guó)820型1.5kW橫流CO2激光器對(duì)硅鋼片模具進(jìn)行表面淬火，大大提高了耐磨性，使用壽命提高了10倍。青島激光技工中心采用HJ-3kW級(jí)橫流CO2激光器，對(duì)柴油機(jī)氣缸孔進(jìn)行表面淬火取代了硼缸套，耐磨效果優(yōu)良，配副性優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)效益顯著。激光表面淬火的工藝參數(shù)還不完善，不同材料的淬火參數(shù)不同，

18、還需要大量試驗(yàn)來(lái)總結(jié)、分析，制定合理的工藝參數(shù)；激光表面淬火的數(shù)值模擬還處在探索階段,對(duì)相變后的組織分布，材料性能對(duì)溫度場(chǎng)的相互影響卻很少考慮。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展及計(jì)算方法的不斷完善，激光熱處理理論正向預(yù)測(cè)淬火材料性能，硬化層深度的方向發(fā)展。</p><p>　　在國(guó)外激光的應(yīng)用面很廣[15]，其中又以激光加工發(fā)展最快。激光表面處理不僅為傳統(tǒng)的熱處理、表面強(qiáng)化、表面冶金和快速凝固域增添了新的方法和內(nèi)容，而且開(kāi)辟了激

19、光束——物質(zhì)交換作用、激光感應(yīng)等離子體、高能束作用下的傳熱等新的學(xué)科和研究方向。</p><p>　　為了發(fā)展激光技術(shù)特別是加工技術(shù)，各國(guó)制定了自己的或聯(lián)合的激光發(fā)展計(jì)劃[15]，如美國(guó)的“戰(zhàn)略防御倡議”、英國(guó)的“阿維爾計(jì)劃”、日本的“激光研究五年計(jì)劃”、原蘇聯(lián)的“激光工業(yè)發(fā)展綱要”、西歐的“尤里卡計(jì)劃”、德國(guó)的“激光技術(shù)及其研究重點(diǎn)”等。同時(shí)這些國(guó)家為這些執(zhí)行發(fā)展計(jì)劃還建立了專門(mén)的研究機(jī)構(gòu)和激光加工應(yīng)用中心，并

20、給予了大量投資。激光淬火技術(shù)在不斷的提高，此時(shí)設(shè)備的發(fā)展也應(yīng)該跟隨技術(shù)同步發(fā)展。</p><p>　　我國(guó)熱處理企業(yè)的工藝裝備陳舊落后[16,17]，眾多的加熱爐系爐齡達(dá)三、四十年的箱式、井式、鹽浴爐（俗稱老三爐）。設(shè)備老化，能耗很高。而高效、優(yōu)質(zhì)、低污染、環(huán)保型的氣氛爐和真空爐等占不到熱處理設(shè)備總數(shù)的5%。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)熱處理工藝過(guò)程的控制已向著自動(dòng)化、智能化和柔性化發(fā)展，而我國(guó)不少企業(yè)仍憑借經(jīng)驗(yàn)，人工操作。

21、由于歷史的原因，許多企業(yè)大而全、小而全，熱處理的社會(huì)化、產(chǎn)業(yè)化及規(guī)模生產(chǎn)尚未形成。因而，生產(chǎn)效率低下，比美國(guó)差26倍，設(shè)備利用率和負(fù)荷率不到30%，而能耗卻比美國(guó)高出40%以上。</p><p>　　由于我國(guó)激光器及外圍設(shè)備的研制和生產(chǎn)與國(guó)外差距很大[18]，造成在激光加工技術(shù)的基礎(chǔ)研究及其在焊接、切割上的應(yīng)用與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距很大。但是由于激光表面強(qiáng)化在國(guó)內(nèi)起步較早，投入的力量相對(duì)較多，加上國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域中大量表面

22、強(qiáng)化問(wèn)題急待解決，因此在激光表面強(qiáng)化研究方面并不比發(fā)達(dá)國(guó)家差，只是在實(shí)際應(yīng)用中還需進(jìn)一步努力。</p><p>　　激光熱處理設(shè)備[19]主要包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、工作臺(tái)、控制系統(tǒng)及安全防護(hù)裝置等。導(dǎo)光系統(tǒng)的作用是將激光器發(fā)出的激光束經(jīng)光學(xué)元件引向工作臺(tái)。工作臺(tái)的作用是完成各項(xiàng)操作以滿足熱處理加工的要求，亦稱加工機(jī)床，根據(jù)用途的不同分為專用機(jī)床和通用機(jī)床兩種。</p><p>　　近年來(lái)，

23、在汽車、航空、兵器、模具和基礎(chǔ)件行業(yè)技改的拉動(dòng)之下，其他行業(yè)熱處理技術(shù)改造和設(shè)備更新高潮也會(huì)接踵而至。而設(shè)備更新是企業(yè)技術(shù)改造的有效途徑，設(shè)備更新的主要出發(fā)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是節(jié)能環(huán)保、高效可靠、少無(wú)氧化、少無(wú)質(zhì)量分散以及性價(jià)比合理。目前，企業(yè)技術(shù)改造的高度和深度已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)明顯的變化，大多數(shù)企業(yè)已經(jīng)不滿足于常規(guī)技術(shù)和設(shè)備的新舊交替，而是傾向于一步一個(gè)臺(tái)階，邁向更高的境界，優(yōu)先選購(gòu)技術(shù)水平高、優(yōu)質(zhì)可靠及節(jié)能環(huán)保熱處理設(shè)備，以達(dá)到高水平的生產(chǎn)目標(biāo)。&

24、lt;/p><p>　　在科技的發(fā)展和市場(chǎng)的要求下，未來(lái)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)為高度的智能化與自動(dòng)化，激光加工機(jī)床與其它加工設(shè)備的復(fù)合化，建立激光加工中心等。具體的發(fā)展情況如下：</p><p>　?。?）高度智能化與自動(dòng)化</p><p>　　激光熱處理設(shè)備自動(dòng)化與機(jī)器人化是一個(gè)非常重要的發(fā)展趨勢(shì)， 激光加工機(jī)器人可以準(zhǔn)確地、高精度、高質(zhì)量地完成各種加工，尤其適合大工件不便移

25、動(dòng)的場(chǎng)合。開(kāi)發(fā)智能淬火冷卻裝備技術(shù)-以氣淬、水淬、水霧冷卻技術(shù)替代油、聚合物淬火液等淬火。在該方面研究上，上海交通大學(xué)潘健生院士、陳乃錄教授等開(kāi)發(fā)的淬火冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)良好的示范作用。采用水-空冷卻方式，是截面厚度600~900mm的塑料模具鋼鍛件的截面硬度差小于3-5HRC。武漢萬(wàn)實(shí)冶金研制成功了一套新型熱處理設(shè)備——二十輥軋機(jī)輥系新型熱處理設(shè)備[18]。該設(shè)備自動(dòng)化程度高，從而保障了機(jī)械設(shè)備運(yùn)行和工藝操作順利進(jìn)行。</p>

26、<p>　?。?）激光加工機(jī)床與其它加工設(shè)備復(fù)合化</p><p>　　這種復(fù)合可以有效地減少轉(zhuǎn)移工位及定位時(shí)間，節(jié)約車間面積，降低產(chǎn)品成本。日本已成功地將激光加工機(jī)床與沖床組成復(fù)合機(jī)床。劉千軍闡述了FAGOR 8055B /M 數(shù)控系統(tǒng)在大型激光熱處理設(shè)備中的運(yùn)用[20]。其具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1)手工編程時(shí)，TCP(G48)功能具有很強(qiáng)的實(shí)用性。2) 具有G51E0.1程序預(yù)讀功能，提高了加工程序換

27、行掃描時(shí)間，此特點(diǎn)成為該設(shè)備成功的技術(shù)核心。因?yàn)樵趪?guó)產(chǎn)激光器加工過(guò)程中，功率不能自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)換行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)， 激光光束就會(huì)因停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而燒傷工件，從而影響表面粗糙度。3) 數(shù)控系統(tǒng)自身功能比較完善，除了配備自己的伺服驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)外，還可以與其他伺服驅(qū)動(dòng)相匹配。</p><p>　　（3）建立激光加工中心</p><p>　　用一臺(tái)或多臺(tái)高功率激光器， 設(shè)置幾個(gè)工位,分別進(jìn)行激光切割、焊接

28、、熱處理等各種加工，不僅節(jié)約了成本，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且大大提高了加工質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)上海、武漢、天津、北京等地都在建立和發(fā)展激光加工中心。</p><p><b>　　4 小結(jié)</b></p><p>　　激光淬火技術(shù)作為一種新型高效的加工處理手段，自從其出現(xiàn)后，就迅速的應(yīng)用到生產(chǎn)中，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。激光淬火技術(shù)目前在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套，曲軸表面淬火應(yīng)用較廣，在

29、冶金行業(yè)也發(fā)揮著巨大作用。但是由于這項(xiàng)工藝的技術(shù)含量太高，工藝過(guò)程中影響因素大的多，設(shè)備費(fèi)用不菲， 除了對(duì)形狀簡(jiǎn)單、工藝基本定型且批量較大的工件可以專門(mén)建立生產(chǎn)線， 并可獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量外，在形狀較為復(fù)雜的工件中應(yīng)用仍存在不少問(wèn)題，基本上還是一種成本高、控制復(fù)雜但性能特殊的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)。但是，由于激光淬火技術(shù)所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，它仍是一項(xiàng)有廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)。隨著數(shù)值模擬與計(jì)算機(jī)控制、技術(shù)研究的不斷進(jìn)展，可適用與各種情況的激光淬火工藝

30、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的研制也將獲得成功，那時(shí)必將為激光淬火技術(shù)全面進(jìn)入自動(dòng)化生產(chǎn)線鋪平道路。伴隨著激光淬火技術(shù)的發(fā)展，對(duì)設(shè)備的有了更高的要求。設(shè)備的發(fā)展也將會(huì)帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益，也將會(huì)更進(jìn)一步的推動(dòng)熱處理技術(shù)的發(fā)展。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]樊東黎. 新中國(guó)60年來(lái)熱處理設(shè)備的發(fā)展與展望(上)[J].金屬加工,2010,(1):

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