1、毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 激光表面淬火两自由度工作台设计 1 激光表面热处理设备研发的背景及意义 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。 激光淬火技术已在许多方面显示了其技术和经济上的优势，世界各国都十分重视在这一方面的研究，并
2、已经在生产中广泛应用，以美国为例。目前，美国正在开展飞机重载齿轮激光硬化工艺研究，以取代渗碳淬火化学热处理，激光硬化的齿轮包括直升飞机辅助动力装置的行星齿轮和飞机主传动装置的传动齿轮。由于用激光硬化后的飞机重载齿轮不需最后研磨，故可以大大降低生产成本，提高生产效率。 激光淬火在工业上越来越被广泛的应用。发动机缸体表面淬火 2，可使缸体耐磨性提高 3倍以上；热轧钢板剪切机刃口淬火，与同等未处理的刃口相比寿 命提高了一倍左右；而且激光表面淬火还应用在机床导轨淬火、齿轮齿面淬火、发动机曲轴的曲颈和凸轮部位局部淬火以及各种工具刃口激光淬火。 周建忠，花银群等 3在其球铁曲轴激光淬火强化技术研究中，介绍
3、了曲轴激光淬火强化系统，探讨了各种因素对球铁激光强化性能的影响，指出其在工程应用中所要解决的主要问题。同时研究结果表明，球铁曲轴经激光淬火强化后，能获得较高的表面硬度和残余压应力，从而有效的提高和改善曲轴的使用寿命。 随着科技的发展，激光淬火技术在各个领域都有一定的运用及应用。同时激光淬火技术也越来越成熟，也在各个行 业发挥了其不可磨灭的作用。激光技术在不断的发展，其工艺设备及其工艺参数都在不断的优化当中，其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及其先进性。张连宝，李俊等 4在其研究中，建立的工艺优化设计模型具有较好的可靠性，其将神经网络与遗传算法的混合
4、智能技术引入激光淬火领域，为解决激光淬火工艺优化设计问题提供了一条先进、合理的途径。 在此时设备的发展也就显得特别的重要。 我国 激光 热处理装备相对落后 ，激光 热处理行业是近些年随机械工业的发展取得了较快速的发展 ， 但 激光 热处理设备更新落后于行业的发展。在 激光 热处理设备制造方面 ， 大量的先进热处理装备仍需进口 ， 特别是先进的传感器方面 ， 其技术水平仍相对落后。先进节能保温材料应用普及率还相对较低 ， 热处理辅助材料发展较慢。近些年来 ， 引进了国外一些先进 激光 热处理装备生产技术 ， 但国内在 激光 热处理设备设计、装备模块化方面尚未掌握核心技术。 对于设备的开发与研究具
5、有至关重要的意义，对激光淬火技术的发展提供了最基本的保障。 2 激光表面淬火技术的特点 激光淬火又称为激光相变硬化 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间吸收光 能并立即转化为热能，从而使激光作用区的温度急剧上升形成奥氏体，经随后的快速冷却，获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层的一种热处理技术。由于激光淬火的各种工艺的特殊性，与其它传统表面强化技术相比有如下一些特点 7 10： (1) 极快的加热和冷却速度 激光表面淬火时加热速度可达 ( 104 106 ) / s ，冷却速度可达 (106108) / s。比感应加热的工艺周期短，通常只需要 0 11s 即可完成
6、淬火过程，生产效率很高。 (2) 可实现自冷淬火，淬火变形小 由于激光加热速度快，相变过程输入的热量少 ，热影响区小，因而可实现自冷淬火，淬火变形小，不需要水或油等淬火介质，既可降低消耗，又可避免环境污染。 (3) 工艺过程可实现计算机控制和生产自动。 (4) 淬火后表面质量高 只要工艺得当，激光淬火后表面几乎无氧化脱碳现象，表面粗糙度也几乎不变，可以作为工件加工的最后工序。 (5) 淬火后硬度高 ,耐磨性好 激光表面淬火后可获得极细小的马氏体和碳化物组织，其硬度比常规淬火硬度高 15 % 30 %。尤其对于铸铁件，耐磨性可提高 3 4 倍。 (6) 淬火后表层产生很高的残余压应力，可大幅度提
7、高零件的疲 劳强度。 (7) 易实现表面局部及特殊部位的淬火 激光表面淬火只发生在激光照射的部位，其他部位无须进行防护。激光束可聚焦到很细，特别适合小件的局部淬火和特殊部位的淬火，例如槽壁、小孔、深孔、腔体内壁等，只要能将激光照射到位即可。 王兆龙，王喜全等 11在解决国产纺锭杆易磨损，寿命短的问题，运用了一种三点激光淬火热处理新工艺，这种新工艺不仅可以克服传统工艺的不足，淬火后纺锭杆表面硬度提高到 HRC65，而其表面粗糙度不变，大大提高了其寿命，为纺织厂节约成本，提高质量提供一条新的途径。 周建忠，张永康 等 12在齿轮中运用了激光淬火技术替代了常规的渗碳工艺。解决了渗碳存在变形较大，硬化
8、层沿齿廓分布不均匀等缺陷，从而影响齿轮的使用寿命。在经过一系列的研究与讨论后，采用激光淬火齿面技术不仅能提高生产率，降低成本，而且对于某些材料的齿轮完全能代替渗碳淬火工艺。为了使此项技术能在工业中得到广泛应用，在研制性能可靠的工业用大功率激光器的同时，必须进行齿轮激光表面处理专家系统的研制和开发，激光处理实现工艺参数的计算机自动优化、处理过程的计算机仿真模拟和实时监控，以及热处理后表面组织结构和性能的计算机预测，做到齿轮激 光淬火过程的易操作性，实现复杂形状和人工智能化的表面处理。 激光表面处理技术，是在材料表面形成一定厚度的处理层，可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件
9、、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能。 3 激光表面热处理技术以及设备的国内发展现状以及发展趋势 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
10、在研究大功率激束对材料作用过程的理论和实际应用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
11、光器对硅钢片模具进行表面淬火，大大提高了耐磨性，使用寿命提高了 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。 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
12、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。 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
13、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。 由于我国激光器及外围设备的研制和生产与国外差距很大 18，造成在激光加工技术的 基础研究及其在焊接、切割上的应用与发达国家的差距很大。但是由于激光表面强化在国内
14、起步较早，投入的力量相对较多，加上国内工业领域中大量表面强化问题急待解决，因此在激光表面强化研究方面并不比发达国家差，只是在实际应用中还需进一步努力。 激光热处理设备 19主要包括激光器、导光系统、工作台、控制系统及安全防护装置等。导光系统的作用是将激光器发出的激光束经光学元件引向工作台。工作台的作用是完成各项操作以满足热处理加工的要求，亦称加工机床，根据用途的不同分为专用机床和通用机床两种。 近年来 ， 在汽车、航空、兵器、模具 和基础件行业技改的拉动之下 ， 其他行业热处理技术改造和设备更新高潮也会接踵而至 。 而设备更新是企业技术改造的有效途径，设备更新的主要出发点应当是节能环保、高效可
15、靠、少无氧化、少无质量分散以及性价比合理。目前，企业技术改造的高度和深度已经开始出现明显的变化 ， 大多数企业已经不满足于常规技术和设备的新旧交替 ， 而是倾向于一步一个台阶 ， 迈向更高的境界 ， 优先选购技术水平高、优质可靠及节能环保热处理设备 ， 以达到高水平的生产目标 。 在科技的发展和市场的要求下，未来设备的发展趋势为高度的智能化与自动化，激光加工机床与其它加工设备 的复合化， 建立激光加工中心等。具体的发展情况如下： （ 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
16、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。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
17、 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
18、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。 4 小结 激光淬火技术作为一 种新型高效的加工处理手段，自从其出现后，就迅速的应用到生产中，并产生了巨大的经济效益。激光淬火技术目前在汽车发动机缸套，曲轴表面淬火应用较广，在冶金行业也发挥着巨大作用。但是由于这项工艺的技术含量太高，工艺过程中影响因素大的多，设备费用不菲， 除了对形状简单、工艺基本定型且批量较大的工件可以专门建立生产线， 并可获得稳定的加工质量外，在形状较为复杂的工件中应用仍存在不少问题，基本上还是一种成本高、控制复杂但性能特殊的实验室技术。但是，由于激光淬火技术所具有的独特优点
19、，它仍是一项有广泛应用前景的高新技术。随着 数值模拟与计算机控制、技术研究的不断进展，可适用与各种情况的激光淬火工艺实时控制系统的研制也将获得成功，那时必将为激光淬火技术全面进入自动化生产线铺平道路。伴随着激光淬火技术的发展，对设备的有了更高的要求。设备的发展也将会带来更多的经济效益，也将会更进一步的推动热处理技术的发展。 参考文献 1樊东黎 . 新中国 60年来热处理设备的发展与展望 (上 )J.金属加工 ,2010,(1):8 12. 2应小东 ,李午申 ,冯灵芝 .激光表面改性技术及国内外发展现状 J.专题综述 ,2003(1):5-8. 3周 建忠 ,张永康 ,杨继昌 ,毕瑞 .球铁曲
20、轴激光淬火强化技术研究 J.农业机械学 ,2001,32(3)： 109-112. 4张连宝 ,范青武 ,左演声 ,李俊 .混合智能技术在激光淬火工艺优化中的应用J.材料科学与工艺 ,2004,12(6)： 654-657. 5Jae-Ho LEE,Jeong-Hwan JANG,Byeong-Don JOO,Young-Myung SON,Young-Hoon MOON.Laser surface hardening of AISI H13 tool steel TransJ Nonferrous Met Soc China ,2009,(19)： 917-920. 6Edoardo Cap
21、ello . Luca Giorleo . Barbara Previtali.Modelling of the transient thermal field in laser surface treatment test J.Int J Adv Manuf Technol ,2009,(40):307 315. 7 丁阳喜 , 周 立 志 . 激 光 表 面 处 理 技 术 的 现 状 及 发 展 J. 热加 工工艺 ,2007,36(6)： 69-72. 8刘永镇 .一种新的热处理方法 -激光表面淬火 J.机械工人 ,1999(7)： 31-32. 9舒炳生 ,程宏杰 ,李奇 ,钱经亮
22、,胡小刚 .激光淬火在高压空气压缩机气缸套中的应用 J.流体机械 ,2007,35(12)： 43-46. 10 于 宏 林 , 于 宏 朋 . 激 光 技 术 在 机 械 加 工 和 材 料 热 处 理 中 的 应 用J.2004,32(5):17-19. 11王兆龙 ,王喜全 ,徐宏伟 .纺锭杆激光淬火新工艺研究 J.纺织器材 ,2008,35(2)： 93-94. 12周建忠 ,张 永康 ,杨继昌 ,毕瑞 ,陈奉斌 .齿轮激光淬火技术替代常规渗碳工艺J.江苏理工大学学报 ,2000(2)： 39-43. 13胡静 .激光热处理综述 J.江苏石油化工学院学报 ,1999,11(2)： 61
23、-64. 14迟彩芬 .激光表面处理技术的现状及其工业应用 J.中国科技信息 ,2005(24)： 129. 15鲁晓芳 .激光淬火提高柴油机气缸套使用寿命的研究 D.江苏：江苏大学 ,2005. 16吴光治 .关于我国热处理装备技术发展若干问题的思考 J.热处理技术与装备 ,2007,28(4)： 6-10. 17吴光治 ,陈志 远 .节 能 环 保 新型 热处 理 装 备 的 技术 探讨 J.工业炉 ,2010,32(1)： 18-21. 18曾炼冰 .节能环保 技术创新 J.中国科技投资 ,2009(8)： 80. 19范雪燕 .激光表面淬火瞬态温度场的有限元模拟及硬化层深预测 D.上海：上海海事大学 ,2004. 20刘千军 .FAGOR 8055B /M 数控系统在大型激光热处理设备中的运用 J.新技术新工艺 ,2005(11)： 4-6.
