1、毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 激光表面淬火三自由度工作台设计 1 激光表面淬火设备研发的目的和意义 在我国对于激光热处理设备的研究还尚未成熟激光热处理技术的应用很不普遍主要是人们对激光技术的应用还存在不同程度的神秘化和偏见。即使想去运用这套技术却也在设备问题上止步因此应尽快把激光热处理技术及其相应设备的科研成果特别是激光表面淬火技术面向经济、面向市场、面向全社会主要是为工业企业服务不断推广扩大其应用有着巨大的研发价值。 激光相变硬化 1又称激光淬火，它通过具有够功率密度的激光束，快速加热金属表面 ，使其达到相变温度以上金属材料内部则保持冷态。在停止加热后，内部金属迅速传热，使表层金属
2、急剧冷却，从而达到淬火的目的。由于金属是良导体，材料基体的热扩散作用作用区温度迅速下降，从而使材料表层经历了一个与常规淬火相似的热循环过程，通过控制作用激光的功率、功率密度分布、激光作用时间 (扫描速度 )等参数，可以改变热循环，从而完成材料表层的激光淬火工艺。激光淬火适用于珠光体灰铁、铁素体灰铁、球墨铸铁、碳钢、合金钢、马氏体型不锈钢、铝合金等。 作为一种波长一定方向性极强的电磁波来说激光与淬火 23的两个技术的结合堪称 一种完美不管从宏观还是微观上解释都大大提高提高金属材料的力学性能。例如：提高工件的耐磨性和硬度提高弹性极限综合力学性能等。改变改变某些金属钢的力学性能和化学性能。如不锈钢的
3、耐蚀性增加磁钢的永磁性。 李刚况军等在对 GCr15钢表面激光淬火的组织与性能研究 4是表面 GCr15钢主要用于制造滚动轴承、滚珠、轴套和模具等由于工作环境差工件的抗疲劳性能、耐磨性能和耐蚀性能经常不能满足实际生产的需要激光淬火具有能量密度高、加热时间短、可表面局部淬火、易控制、畸变小等优点激光淬火处理的主要目的是获得淬硬组织以改善表面性 能。 还有花银群等在对 40Cr钢表面激光复合强化机理研究 5中表明对 40Cr 钢进行激光淬火后表面发生了明显的塑性形变，表面粗糙度明显降低，其强化区表面硬度明显提高表面表层残余应力得到了大幅提高可以大幅提高受力复杂零件的抗疲劳寿命和耐磨性。以上是激光淬
4、火技术在不同型号的金属材料表面的应用因此，采用激光表面淬火技术时， 要选择适当的件、材料和工艺， 充分利用其优点，使之成为高效率、高经济效益的方法。 本课题论文通过对激光表面淬火的关键技术展开研究并设计完成用于激光表面淬火的三自由度工作台。通过对工作 台的设计加强激光淬火技术优点改良激光淬火技术所存在的问题和缺陷提高淬火工艺的稳定性。 2 激光淬火技术的特点 激光硬化处理工艺 6是一种具有很多特点的表面硬化处理新工艺。其主要特点有 : (1)材料表面的高速加热和高速自冷，生产率高，成本低。 (2)激光硬化处理后的工件表面硬度高，比常规淬火要高 15% 20%，可获得极细的硬化组织，耐磨性得到提
5、高 。 (3)由于激光加热速度快，因而热影响区小，淬火应力及变形小，表面光洁度高，故可作为最后加工工序。 (4)可实现自冷淬火，不需冷却介质，对环境无污染。 (5)可以对形 状复杂的零件和不能使用其他常规方法处理的零件进行局部硬化处理。同时，也可以根据需要在同一零件的不同部位进行不同的激光硬化处理。 (6)激光硬化工艺周期短，生产效率高，工艺过程易实现计算机控制，自动化程度高，可纳入生产流水线。 (7)硬化层深度受限制，一般在 1mm以下。 (8)金属表面对波长 10.6 m激光反射严重，一般 90%的激光被反射，为了提高材料对激光的吸收，需作表面处理。 激光淬火技术自身所在的优越性工业上生产
6、上马上得到了运用譬如 姚成武 ，黄坚在 9Cr2Mo冷轧辊用钢的激光淬火试验 7中提到 与常规淬火 相比， 9Cr2Mo钢激光淬火后硬度明显提高激光淬火后，条块状碳化物溶解或部分溶解，未完全溶解的碳化物细化成球形颗粒，其断口为浅韧窝 +脆性准解理的断裂特征。减少冷轧辊表面破坏的失效问题大大提高了轧辊的质量和寿命。 3 激光表面淬火技术及其热处理设备的现状及未来发展趋势 20世纪 70年代初研制出大功率激光器 2之后，激光表面处理技术才获得实际的应用，并在近十年内得到迅速的发展。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、工件
7、的耐磨、耐蚀、耐 疲劳等一系列性能。 从 1960年第一台固体激光器红宝石激光器到激光淬火技术开始运用激光淬火技术在应用领域上不断扩展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。 此外国内外运用激光表面淬火技术的领域很多但是技术运用层面参次不齐仅 1996年 1月至 2002年 10月美国有关激光加工的专利就有 9432件而相对应的我国有关专利只有 294件这说明我国的激光 加工技术及其应用开发方面还需要进一步地提高。激光加工技术在加工
8、质量、生产率和经济性方面的优势是有目共睹的。就日本来说仅 1994年日本国内的 co2激光加工设备的总产值就达到了 220亿日元8。明显的数据落差告诉我们我国的激光表面淬火技术还有待研究和发展。 但我国近些年在该技术上的进步也是有目共睹的随着激光器功率不断增大稳定性不断提高我国不少科研人员提出的理论和创新已经给现代工业和经济带来不少优秀成果。拿齿轮来说齿轮极易产生疲劳、胶合、断齿等失效现象，为了有效提高齿轮的承载能力，延长其使用寿命，通常需 要对齿轮表面进行强化处理。徐铭，苏华礼在齿轮激光淬火工艺研究 9中提到激光淬火作为一种新的齿轮表面强化技术， 可以有效克服传统表面强化工艺的上述缺点。 再
9、如激光淬火在高压空气压缩机气缸套中的应用 10将激光淬火技术应用于高压空气压缩机气缸套内表面处理，试验表明激光淬火能大大提高气缸套内表面机械性能，改善摩擦副间的润滑状况从而延长其使用寿命。 激光淬火不仅仅在零部件上发挥其功效它在汽车行业同样有着不小的作用。汽车覆盖件模具其表面状态直接影响到产品质量和模具使用寿命 11特别是在模具的重复 使用过程中模具表面承受着各种形式的复杂应力包括摩擦、挤压等从而降低了模具的使用质量和寿命。为了提高模具的使用寿命改善模具表面在工作时的受力状况提高模具使用寿命和使用质量。应用激光表面淬火技术对数十套汽车大型模具进行了处理涉及卡车、微型面包车、小型轿车的内、外板拉
10、深模、整形翻边模经生产厂实际生产使用达到满意效果。 激光表面淬火技术的自身优越性小到一个零部件大到一个行业所带了的影响是不可估量的。一项优秀的加工工艺没有其相应设备的支持任何的优点都是理论只有当设备满足了工艺要求激光淬火技术才能发挥它最完美的 一面。 激光热处理设备 12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，其发展在激光热处理技术发展中取着十分重要的作用， 根据用途的不同分为专用机床和通用机床两种。典型的激光加工机床有北京机电研究院研制的缸套激光淬火
11、专用机床、美国 HOFFMAN 公司生产的五轴计算机数控激光加工机床、日本东芝公司生产的 LAC553P型激光加工机床、澳大利亚激光实验公司生产的 LA32516 型三坐标激光加工机床、英国 Rous-Royce公司生产的激光熔覆机床。 不光光是国外有一大批型号功能各异的激光淬火加工机床我国也研发了不少此类机床董必达何晓雄在激光热处理新技术的应用与工艺研究 13中介绍的 FQJ 21500 激光加工机床热变形极微小，加热快 硬度值提高显著，比常规工艺硬度高10%以上；硬化层均匀等优点丝毫不逊与国外设备。 随着经济发展工业产业化激光淬火技术将面临各种先进技术的考验因此激光加工技术设备未来的发展趋
12、势将朝着智能化、自动化等发展。 a.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场合。 b.激光加工机床与其它加工设备复合化 激光加工将与更多的传统加工技术相结合技术的结合设备复合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。 c.建立激光加工中心 以一控多的工作方式建立激光加工中心是激光淬火等加工技术未来发展的必然趋势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 14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
13、高了加工质量。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 3.1 课题研究内容 （ 1）完成能实现 X、 Y、 Z 三个方向运动用于激光表面淬火的工作台的设计要求加工速度： 0 2m/min 可调；空走速度： 0 10m/min 可调。 （ 2）通过计算合理选择激光表面淬火的工作台基本尺寸大小。 （ 3）合理选择三个方向上运动的传动方式。 （ 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。 3.2 技术路线 （ 1）从文献资料上初步了解该项技术要领和概况。 （ 2）对该技术及其工作设备进行一个系统的市场调
14、研， 了解当前的设备所具有的功能及其被使用的领域对激光淬火工作台的结构、工作原理、特点进一步了解。 （ 3）根据所了解的知识和市场调查情况进行总结，开始初定可行方案，然后对众多方案进行、讨论、修改、优化，最终确定最合理的实施方案。 （ 4）设计并制定出所有激光淬火工作台结构部件的尺寸及参数。 （ 5）选择带动各个部件的传动的方式，完成三个自由度的工作台运动。 (6)在传动方式合理的情况下选择标准化零件。 （ 7）对已确定的部件尺寸及参数进行校核，在校核为合理的情况下，完成工作台的装配图及零件图，写出设计计算说明书，完成工作台的整体设计。 3.3 研究难点 在确定好最终方案后，对工作台的各个部件
15、设计和制定尺寸及参数相对而言会带来不少困难。这一点必须通过大量的调研和设计，在允许误差内，选择最合理的尺寸及参数，并在最后校核时符合规定。 3.4 预期达到的目标 （ 1）完成激光淬火工作台设计并画出工作台的装配图和零件图。 （ 2）自身的自主设计能力得到锻炼具有初步的科研、开发能力。 4 研究工作详细工作进度和安排 (1) 2011-01-10 日前：通过文献的收集和阅读完成文献综述和外文文献翻译。 (2) 01-10 03-04：完成开题报告。 (3) 03-05 03-25：完成工作台总体设计方案。 (4) 03-26 04-30：完成设计计算和设计图纸。 (5) 05-01 05-12
16、：整理毕业论文资料完成毕业论文的初稿。 (6) 05-13 05-20: 毕业论文的修改和完善。 (7) 05-21 05-26: 毕业论文答辩准备工作。 (8) 05-27 05-29: 毕业论文答辩。 参考文献 1王秀彦 ,安国平 ,林道盛 .激光相变硬化在模具表面强化中的应用研究 J.锻压机械 ,2001,(1):42-46. 2 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(2):69-72. 3王章忠 .机械工程材料 M.武汉 :机械工业出版社 ,2007,102-121. 4李刚 ,况军 .GCr15 钢表面
17、激光淬火的组织与性能 J.材料热处理学报 ,2010,31(4):129-132. 5花 银 群 , 杨继昌 .40Cr 钢 表 面 激 光 复 合 强 化 机 理 研 究 J.中国激光 ,2005,32(10):1445-1448. 6邱星武 ,李刚 ,陈华 .激光相变硬化技术发展现状及展望 J.热处理技术与装备 ,2009,30(1):5-8. 7 姚 成 武 , 黄坚 .9Cr2Mo 冷 轧 辊 用 钢 的 激 光 淬 火 试 验 J. 金 属 热 处理 ,2009,34(7):50-52. 8徐宏伟 ,黄玉美 ,刘鸿雁 .多功能激光加工机床的研制 J.设计与研究 ,2005,(9):5
18、4-57. 9徐铭 ,苏华礼 .齿轮激光淬火工艺研究 J.热加工工艺 ,2008,37(14):70-71. 10舒炳生 ,程宏杰 .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. 11温宗胤 ,冯树强 ,李宝灵 ,徐永宾 .汽车模具材料表面强化中的激光相变硬化技术的研究与应用 J.制造技术与机床 ,2007,1:118-121. 12胡 静 ,激光热处理综述 J.江苏石油化工学院学报 ,1999.6,11(2):61-64. 13董必达 ,何晓雄 .激光热处理新技术的应用与工艺研究 J.合肥工业大学学报 (自然科学版 ),2001,24(6):1
19、119-1123. 14S.P.Gadag,M.N.Srinivasan.Surface properties of laser processed ductile ironJ.Material science&process,1996.appl.phys.a63,409-414. 15paul R.woodard,thermal analysis of a laser pulse for discrete spot surface transformation hardeningJ.J Appl.phys.Vol,85,No.5,1 march 1999. 16程愿应 ,刘顺洪 ,王汉生 .汽车缸体激光淬火生产线成套设备 J.激光技术 .2002,26(3):223-226. 17吴丽 ,狄坤 .数控激光淬火技术在模具制造中的应用 J.齐齐哈尔大学学报 .2010,68:64-67.
