1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 激光表面淬火两自由度工作台设计 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘 要 随着科技的发展，激光淬火技术在各个领域都有了一定的运用。激光淬火技术在不断的发展，其工艺设备及工艺参数都在不断的 优化当中，在发展过程中不断的与其它先进技术结合在一起，从而更好的发挥了激光淬火技术的重要性及其先进性。激光淬火技术是近些年随机械工业的发展取得了较快速的发展，但其设备的更新落后于行业的发展。对于设备的开发与研究具有至关重要的意义，对激光技术的发展提供了最基本的保障。 通过查阅相关资料以及市场调查，分析
2、目前激光淬火技术及设备的发展状况。通过分析工作台的运动方式以及选择合适的激光发生器，确定可行方案，进行方案的比较，确定工作台的最终设计方案。深入研究激光淬火技术的原理以及特点外，结合目前所具有的设备，在原先的基 础上进一步的加强和改善设备的功能。在步进电动机的驱动下，实现工作台在 X-Y方向的运动。 关键词 ：激光淬火，工作台，激光器 III Laser surface hardening of two degrees of freedom table design Abstract With the development of technology, laser hardening tec
3、hnology have a certain use in all areas. As the Laser quenching technology developing , the process equipment and the process parameters are optimizing, which are constantly in the development together with other advanced technologies to play the importance and advance of laser hardening technology
4、much better. As the machinery industry developing , Laser hardening technology achieved with a more rapid development in recent years .but its equipment updated behind the development of the industry. Equipment development and research have crucial significance , and the development of laser technol
5、ogy provide the most basic protection. Through access to relevant information and market research, analysis of the current laser quenching technology and equipment development. By analyzing the movement of the path table, and choosing a suitable laser generator to determine the possible options for
6、the comparison, determine the final design table. Depth study of the principles of laser hardening technology and features, which combined with current equipments, in the original basis for further strengthening and improvement of devices. Driven by the stepper motor to achieve in the XY direction o
7、f worktable movement. Keywords: Laser quenching, workstations, laser IV 目 录 摘 要 .I Abstract . III 1 绪论 . 1 1.1课题的来源 . 1 1.2课题的意义 . 1 1.3激光淬火技术国内外发展现状及发展趋势 . 1 1.3.1 激光淬火技术及设备国内的研究现状 . 1 1.3.2 激光淬火技术及设备国外的研究现状 . 2 1.3.3 激光淬火设备的发展趋势 . 3 1.4课题研究的主要内容 . 3 2设备方案设计与总体设计 . 5 2.1激光淬火工作台的方案设计 . 5 2.2 激光及光路系统
8、设计 . 6 2.2.1激光发生器选择 . 6 2.2.2激光淬火原理与特点 . 7 2.3 XY工作台的设计 . 8 2.3.1 主要设计参数 . 8 2.3.2 初步确定 XY工作台尺寸 . 8 3 工作台计算校核 . 9 3.1 初步对步进电机的选用 . 9 3.2步进电机的参数校核 . 10 3.2.1 脉冲当量计算校核 . 10 3.2.2步进电机上各个转矩、频率的近似计算 . 10 3.3 V带轮传动机构设 . 11 3.3.1 V带结构设计 . 11 3.3.2带轮结构主要参数的确定 . 11 3.3.3 带轮材料及结构 . 13 3.4.1 传动轴的设计计算 . 13 3.4.
9、2 键的设计计算 . 14 3.5导轨的选择与设计 . 16 3.5.1导轨的选择 . 16 3.5.2 导轨的设计计算 . 17 结论 . 18 参考文献 . 19 V 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 21 附录图 1 装配图 . 21 附录图 2 箱板 . 21 附录图 3 皮带轮 . 22 附录图 4 防尘外罩 . 22 附录图 5 传动轴 . 23 附录图 6 机构 . 23 附录图 7 支架 . 24 附录图 8 工作台 . 24 激光表面淬火两自由度工作台设计 1 绪论 1.1 课题的来源 自从年代激光问世以后激光技术作为一门举世瞩目的高新技术几乎在各行业都获得了重要的应
10、用。近年来，激光表面热处理技术不仅在研究和开发方面迅速发展，在工业应用方面也取得了长足进步，成为表面处理和表面工程一个十分活跃的新兴领域。根据目前的发展形势，激光淬火技术的发展设备的发展相对比较落后，对于设备的改善与研究具有深刻的 意义。 1.2 课题的意义 激光热处理既可以通过仅改变基体上部材料的微观结构也可以通过激光淬火、渗碳、渗氮、离子注入、激光熔覆和合金化等方法同时改变基体上层的化学成份和微观结构。其中，激光淬火是现有各种激光表面处理技术中研究和应用最多的方法之一。自从多年前，利用大功率激光实现材料表面硬化的可能性在实验室里得到证实后，激光相变硬化就以其简便、价廉等优点在工业应用上得到
11、了迅速的发展。至今，人们始终未中断对这项技术的应用研究，并不断对以往的设备、工艺进行完善和改进，使之更趋实用化、经济化、系统化。 激光热处理设备的 发展始终服从于优质、高产、低消耗的普遍市场规律，近代气候和环境的热点又把节能减排提到了各行各业的日程。汽车、航空、电力工业对其产品和零部件提出了更高的质量、质量均匀性和延寿要求，从而对激光淬火技术和设备也提出更大挑战。从热处理生产用户角度，希望激光热处理设备能更便宜，使用更长时间，可靠性更高，故障率更低，废品率接近于零，工辅材料更省，从而能充分降低生产成本，保证高的利润率 1。 1.3 激光淬火技术国内外发展现状及发展趋势 1.3.1 激光淬火技术
12、及设备国内的研究现状 激光的诞生 13，以 1960 年第一 台固体激光器红宝石激光器及 1961 年第一台气体激光器氦氖激光器的先后研制成功为标志，经过三十年的发展，激光技术已成为一种具有巨大吸引力的新兴技术，在工业技术中得到了广泛的应用。激光热处理便是激光技术最为重要的应用领域之一。七十年代初由于大功率气激光表面淬火两自由度工作台设计 2 体激光器的出现，使得材料激光加工技术的研究变得更为活跃，材料的激光加工作为高能束（激光束、电子束和离子束）加工材料的一种，已成为最有前途的方向之一。在当时从高能束材料加工的理论和实践来说，激光加工还不完美，是在研究大功率激束对材料作用过程的理论和实际应用
13、方面都取得了 很大成果。从而诞生了激光淬火表面处理技术。美国通用汽车公司于 20 世纪 70 年代初率先将该项技术用于工业生产，取得了良好的经济效益 14。我国从 20 世纪70年代末千瓦级 CO2 激光器研制成功以来，已有 30多年的应用历史。尽管目前激光表面淬火技术的应用还不及传统热处理技术那样广泛和成熟，但由于其具有的独特优越性，正日益受到人们的重视，已经在机械制造、交通运输、石油、矿山、纺织、冶金、航空航天等许多领域得到应用。 此外，我国也在积极进行激光淬火的研究和应用实践，天津渤海无线电厂采用美国 820型 1.5kW横流 CO2激光器对硅钢片模具进行表面淬火，大大提高了耐磨性，使用
14、寿命提高了 10倍。青岛激光技工中心采用 HJ-3kW级横流 CO2激光器，对柴油机气缸孔进行表面淬火取代了硼缸套，耐磨效果优良，配副性优良，经济效益显著。激光表面淬火的工艺参数还不完善，不同材料的淬火参数不同，还需要大量试验来总结、分析，制定合理的工艺参数；激光表面淬火的数值模拟还处在探索阶段 ,对相变后的组织分布，材料性能对温度场的相互影响却很少考虑。随着计算机的发展及计算方法的不断完善，激光热处理理论正向预测淬火材料性能，硬化层深度的方向发展。 我国热处理 企业的工艺装备陈旧落后 16,17，众多的加热炉系炉龄达三、四十年的箱式、井式、盐浴炉（俗称老三炉）。设备老化，能耗很高。而高效、优
15、质、低污染、环保型的气氛炉和真空炉等占不到热处理设备总数的 5%。美国等发达国家对热处理工艺过程的控制已向着自动化、智能化和柔性化发展，而我国不少企业仍凭借经验，人工操作。由于历史的原因，许多企业大而全、小而全，热处理的社会化、产业化及规模生产尚未形成。因而，生产效率低下，比美国差 26倍，设备利用率和负荷率不到 30%，而能耗却比美国高出 40%以上。 1.3.2 激光淬火技术及设 备国外的研究现状 在国外激光的应用面很广 15，其中又以激光加工发展最快。激光表面处理不仅为传统的热处理、表面强化、表面冶金和快速凝固域增添了新的方法和内容，而且开辟了激光束 物质交换作用、激光感应等离子体、高能
16、束作用下的传热等新的学科和研究方向。 为了发展激光技术特别是加工技术，各国制定了自己的或联合的激光发展计划 15，如美国的“战略防御倡议”、英国的“阿维尔计划”、日本的“激光研激光表面淬火两自由度工作台设计 3 究五年计划”、原苏联的“激光工业发展纲要”、西欧的“尤里卡计划”、德国的“激光技术及其研究重点”等。同 时这些国家为这些执行发展计划还建立了专门的研究机构和激光加工应用中心，并给予了大量投资。激光淬火技术在不断的提高，此时设备的发展也应该跟随技术同步发展 1.3.3 激光淬火设备的发展趋势 （ 1）高度智能化与自动化 激光热处理设备自动化与机器人化是一个非常重要的发展趋势， 激光加工机
17、器人可以准确地、高精度、高质量地完成各种加工，尤其适合大工件不便移动的场合。开发智能淬火冷却装备技术 -以气淬、水淬、水雾冷却技术替代油、聚合物淬火液等淬火。在该方面研究上，上海交通大学潘健生院士、陈乃录教授等开发的淬火冷却 系统启动良好的示范作用。采用水 -空冷却方式，是截面厚度 600900mm的塑料模具钢锻件的截面硬度差小于 3-5HRC。武汉万实冶金研制成功了一套新型热处理设备 二十辊轧机辊系新型热处理设备 18。该设备自动化程度高，从而保障了机械设备运行和工艺操作顺利进行。 （ 2）激光加工机床与其它加工设备复合化 这种复合可以有效地减少转移工位及定位时间，节约车间面积，降低产品成本
18、。日本已成功地将激光加工机床与冲床组成复合机床。刘千军阐述了 FAGOR 8055B /M 数控系统在大型激光热处理设备中的运用 20。其具 有以下几个特点：1)手工编程时， TCP(G48)功能具有很强的实用性。 2) 具有 G51E0.1程序预读功能，提高了加工程序换行扫描时间，此特点成为该设备成功的技术核心。因为在国产激光器加工过程中，功率不能自动调节。当换行时间较长时， 激光光束就会因停留时间过长而烧伤工件，从而影响表面粗糙度。 3) 数控系统自身功能比较完善，除了配备自己的伺服驱动和电动机外，还可以与其他伺服驱动相匹配。 （ 3）建立激光加工中心 用一台或多台高功率激光器，设置几个工
19、位 ,分别进行激光切割、焊接、热处理等各种加工，不仅节约了成本，提 高了劳动生产率，而且大大提高了加工质量。目前国内上海、武汉、天津、北京等地都在建立和发展激光加工中心。 1.4 课题研究的主要内容 （ 1） 通过上网查找与课题相关的资料，对激光淬火技术的特点及原理进一步了解，更好的对课题展开研究。 （ 2） 完成能实现 X、 Y二个方向运动用于激光表面淬火的工作台的设计，要求激光表面淬火两自由度工作台设计 4 加工速度： 0 2m/min 可调；空走速度： 0 10m/min可调。 （ 3） 根据实际要求确定工作台的尺寸，传动方式，控制方式等参数。 （ 4） 通过计算，选择合适的步进电机。 （ 5） 完成工作台的装配图以及零件图。 （ 6） 完成设计计算说明书 。 激光表面淬火两自由度工作台设计 5 2 设备方案设计与总体设计 2.1 激光淬火工作台的方案设计 图 2-1 设备总体设计方案 在 X 轴方向上，在另一步进电机的驱动下，皮带轮带动传动轴的转动，同时驱动与其相连另一皮带轮转动。在传动轴的另一侧，还安装着一个带轮，在传动轴开始转动的同时跟着同步运转。从而实现了在 X方向工作台的水平运行，使工作台在 X方向上完成了移动。 图 2-2 X轴方向的运动简图
