双工位缸套激光淬火机及控制系统设计5张CAD图
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文献综述【摘要】激光淬火技术是一种材料表面改性技术,由于该技术能够提高各种材料的产品质量,延长产品的使用寿命,因此它在很多行业都得到了重要的应用。本文论述了激光淬火的原理、特点和国内外发展趋势,重点针对提高激光淬火质量这一研究方向,总结和分析了国内外研究现状,提出传统的通过优化工艺参数来提高激光淬火质量的方法具有其局限性。为了实现激光淬火过程的自动化,进一步提高激光淬火质量,提出了一种激光淬火机设计方案与控制方案,并对激光淬火机及其控制系统的硬件和软件设计进行了深入研究。【前言】自十九世纪六十年代激光问世以来,激光技术就成为一种高新技术而受到广泛关注,激光相变硬化(即激光淬火)是一种利用激光束作为能源对各种材料进行表面热处理的工艺,激光淬火技术具有显著的经济效益,它可以大幅度提高产品质量,成倍延长产品的使用寿命,目前在石油、纺织交通运输、冶金、机械制造航空航天、矿山等许多领域都得到了应用。激光淬火技术在加工时可以适用于各种不同的材料和不同形状材料的不同部位,主要用于强化零件的表面,它具有很多优良的特点,例如可以提高零件的耐磨性、冲击韧性、疲劳强度等机械性能,可使零件心部仍保持较好的韧性,同时可提高零件的耐磨性和疲劳强度。【研究现状】激光淬火技术在工业制造领域的引入和应用距今已有半个多世纪,经科研人员的不懈努力,激光淬火技术的发展突飞猛进。在当前激光淬火技术研究中,国内外的科研人员主要从两个研究方向推动激光淬火技术的发展:(1)硬化层性能分析硬化层是试样表面经激光淬火加工后,在激光作用下发生相变并提高试样表面硬度和耐磨性的原因,也是衡量激光淬火质量的标准,硬化层的件能研究是激光淬火技术中必不可少的环节。吴刚通过对激光淬火后的硬化层分析检测,建立了衡量激光淬火的质量标准体系,研究探讨了硬化层的表征性能、组织结构和几何外观与激光淬火工艺参数的关联性,提出了激光淬火在优化工艺参数的基础上配合辅助热源解决硬化层分布不均匀的问题。彭锦对4110柴油机缸体内壁实施激光淬火,观测出硬化层的主要组织为针状马氏体和石黑,并对耐性能做了试验研究结果表明淬火面积影响最大光斑扫描速度影响最小通过台架试验确定了柴油机缸体内壁最佳工艺参数为激光输出功率1100W光斑扫描速度20mm/光斑直径3mm和网纹角3071牛锐锋等人对T10/Q235复合钢板进行了单道和多道激光淬火试验研究,观测分析了硬化区与软化区的组织以及硬度的波动趋势。 Stanislav对铸铁进行激光淬火试验,描述了硬化层中石墨附近的相变,得出表面硬化层中马氏体和碳化物基相的形成促使铸铁硬度值高于65HRC,具有优异的耐磨性,pSoriano C等人利用 YAG 激光器对等温淬火球墨铸铁进行激光淬火。结果表明,激光淬火硬化区域中发现残余奥氏体组织和粗状马氏体组织,测得硬化层深为0.6mm至1mm,显微硬度在650HV至800HV之间,在硬化区域测得残余压应力分布与观察到的显微硬度和微观结构变化一致,激光淬火技术可以改善等温淬火球铁的硬度和疲劳性能0.colombiniE 等研究了激光淬火工艺参数与渗氮钢硬化层深度和表面硬度分布的规律,分析工艺参数对渗氮钢磨损性能的影响。通过科研人员对淬火硬化层的大量试验研究,表面耐磨性和硬度增强的主要原因是淬火后形成富含马氏体组织的硬化层,马氏体形成是激光淬火工艺参数提供奥氏体相变临界温度,试样上各部位在受热过程中因温度差异确定硬化层的尺寸。(2)数值模拟研究在实际激光淬火过程中,由于淬火过程时间非常短暂,对试样上瞬态温度的数值难以通过试验获取,因此利用计算机技术模拟激光淬火过程,获取节点处瞬态温度分布并结合实际淬火工艺参数分析,是研究激光淬火技术并使其成熟发展的必经之路。郭怡辉利用PrCAST软件分析了球墨铸铁淬火过程温度场分布情况1,通过模拟结果计算了硬化层尺寸,并得出在激光输出功率与光斑扫描速度数值较低时,适当增加光斑面积可以扩大硬化层尺寸。汪舟等人利用Abaqus获取了AISI4140 钢激光淬火温度场分布情况在不同光斑扫描速度下,解释了光斑扫描速度对淬火硬化层深度的影响,此外还得出了光斑区域内温度最高点的位置在距光束中心2mm处左右,并讨论了光斑扫描速度与温升的关系,光斑扫描速度对材料表面升温速度的影响大于降温速度网。惠英龙等人应用ANSYS 研究18CINiS 齿轮钢激光淬火时的温度场,比较分析了模拟淬火与实际淬火后的硬化层深度,模拟硬化层深度为12mm,实际淬火试验获取硬化层深为0.Smm,并提出了热流堆积效应和解决方法。 Hamar等人建立了一种由两个偏微分方程组成的三维模型用于解决钢体激光硬化及其感应预热,详述了激光淬火过程中非线性和非稳态磁场的分布以及加热对象的瞬杰温度场分布XuH等人建立了一种激光感应温度场模型,模型中考了初始温度对总温度的影响,计算表面温度并比较不同的光斑扫描速度和光斑尺寸的影响。研究表明,后期加热区域的温度远高于前期加热区域的温度,对影响淬火区域温度的主要工艺参数中,光斑扫描速度是作为淬火过程中易控制的理想工艺参数网。Kusuhara,T.等人使用有限差分计算模型来模拟热流随时间的变化,计算碳钢激光硬化的温度场,研究了光束轮廓和工艺参数对碳钢微观硬化的影响,随后使用二极管激光器对碳钢淬火,试验结果与模拟结果表现良好。Hongweix 等人提出了一种算法模型用于分析气缸圆周表面上激光淬火问题,分析了温度场耦合对激光淬火温度场形成的影响,得出气缸的直径影响温度场形成。激光淬火技术虽然发展时间较短但在制造业领域的应用日益广泛,综合国内外的研究成果分析当前激光淬火技术存在的问题:(1)工艺参数与硬化层深度的关联。由于激光淬火过程是一个淬火区域受热、热量传递、铁碳组织相变和冷却的综合过程,均匀硬化层的形成受各项因素制约影响,研究结果显示淬火质量完全依赖参数的设置和对淬火过程的控制,虽然当前在对参数优化和淬火温度场研究有了很大的发展,但在模拟过程中依旧不能准确定性每一个参数,与试验结果不能相符一致,无法保证激光淬火工艺参数实施的可行性,影响了激光淬火技术推广(2)多道激光淬火表面质量有待解决。激光淬火工艺在大面积工作件上实施时,由于光斑尺寸大小有限,大面积淬火时需要多道淬火。实施多道淬火时,后一道淬火实施对前一道硬化层产生高温回火软化现象,形成回火软化区,多道激光淬火表面质量无法保证,影响了激光淬火技术向实际生产的移植。(3)激光淬火技术难以推广。目前大部分金属零件激光淬火硬化层深度在1mm以下,且通过实际应用取得理想的效果,然而人们会质疑硬化层深度较小等现状,激光淬火技术研究中缺乏相关联的理论数据支撑材料文件,难以获取某种材料表面激光淬火工艺参数和硬化层尺寸对力学性能技术要求的换算标准或计算标准,因此只能进行重复的基础试验参数优化研究,推测硬化层的深度是否满足实际改性产品的技术需求,给激光淬火技术的应用带来困难。激光淬火技术发展趋势(1)激光淬火技术与计算机结合。激光淬火技术提升材料性能的关键因素是硬化层的形成,工艺参数优化一直是科研人员的研究重点,随着计算机辅助功能技术的完善,借助计算机仿真技术建立激光淬火模型,模拟激光淬火过程,通过试验结果验证淬火模型,利用模拟结果优化加工参数是成为激光淬火发展的必然趋势。借助计算机还可以实现对激光淬火过程的实时监测,杨彩霞等人设计研发了基于CCD的激光淬火控制系统B9,该系统能准确采集温度场实时变化趋向,改变光斑扫描速度来达到调节硬化层宽度,但该系统存在检测误差和模拟计算简单化等问题,使得检测系统无法完全与实际淬火相吻合,有待改善。(2)激光淬火复合强化技术。激光淬火技术虽然在表面改性领域上取得显著的成果,但随着对产品工作性能的要求日益增高,技术人员发现将激光淬火技术同其他的表面工程技术相结合可以满足技术要求和带来经济效益。已实现的激光淬火复合强化技术有激光淬火-渗硫激光淬火-渗氮4激光淬火-激光冲击强化等,但激光淬火复合强化技术研究成果多出现在高校实验室,在实际生产应用领域小,将会是激光淬火技术发展趋势之一。激光淬火技术的应用现状1974年,美国通用汽车公司率先引用激光淬火技术,将其应用到齿轮箱内表面并创立激光淬火生产线,随后德国英国和日本等诸多品牌汽车公司引入激光淬火技术强化汽车发动机及其他关键性零部件。MartinezS等人通过热模拟控制回路方法调节淬火过程中的温度,将激光淬火技术应用在汽车复杂零件上,在激光机床中通过试验验证了模拟方法的有效性143FranciscoCordovilla等人基于激光淬火技术的优点将其应用在冶金行业中,开发一种模型考虑了表层氧化物的对激光吸收率的影响,通过模型获取的热场结果和冶金结果与试验数据具有一致性。与此同时,国外发达国家也将激光淬火技术引入航空航天、船舶、铁路导轨、重工机械等行业。国内对于激光淬火技术的应用始于上世纪80年代,高校与企业对激光淬火技术联合研究,西安内燃机配件厂在1992年与华中科技大学联合进行缸套内表面激光淬火,将缸套寿命提高数倍目前国内应用较为成熟的激光淬火生产线有:大连机车车辆厂、首都汽车公司、长春第一汽车制造厂等。此外,在对于其他行业激光淬火技术的引入和研究,国内的研究人员积极开展工作,Xue-longPing等人对轨道表面使用1000W的光纤激光器实施淬火,结果表明,具有细小马氏体和残余奥氏体组织的硬化层提高了轨道表面耐磨性,与未处理表面相比提高至167%。西南石油大学王书亮等人讨论了激光淬火技术在石油行业中的应用现状,激光淬火技术可用于组合泵缸套、整简泵泵简及其他相关性零部件的表面强化,提高了使用寿命。激光淬火技术优势突出且发展势头迅猛,但技术在应用实施的数量比在目前表面强化技术中较小且大量研究停留在试验阶段,因此激光淬火技术的实际应用发展具有较大潜力。【结论】早在二十世纪七十年代美国通用汽车公司就成功地将激光淬火技术应用于汽车转向器壳体及发动机缸套的热处理生产线,由于激光器成本高、且淬火工艺控制复杂等特点而未能广泛采用,但是,出于激光淬火技术具有传统热处理方式所不具备的优良特点所以它仍是一门面向二十一世纪有潜在应用前景的高新技术。激光淬火实时控制系统的研制对于提高激光淬火质量、推广激光淬火技术有很重要的现实意义,如果能够实现激光淬火工艺过程的自动控制,就可以用廉价、易于加工传统热处理方式对材料进行普通加工,而对于在工件的关键部分可用激光淬火来处理,以提高工件的加工质量,实现工件从成产工艺到加工成本的优化,延长工件的使用寿命。【本设计的研究思路和方法】1通过查阅和掌握大量有关文献和资料,熟悉和了解激光淬火机的发展技术以及国内外对此的研究现状。2. 通过查阅文献及相关资料,结合本课题任务书要求,初步确定双工位缸套激光淬火机的总体结构。3.根据激光淬火检测对象和控制参数,研究检测方法与原理,选择合理的检测控制方案。4.根据所确定的检测控制方案确定激光淬火机的总体结构,包括MCS-51控制系统。为了实现激光淬火过程的在线检测和控制,保证加工过程中硬化带均匀分布,对激光淬火控制系统进行硬件设计和系统集成,研究其各硬件设备的选型方法和集成方案并完成电机及关键零部件选型计算、控制系统芯片选择等。5.根据课题要求及激光淬火检测对象设计实验方案,利用实验结果分析检测系统的准确性,验证本文所设计的控制系统的可行性。6.完成机械关键零部件设计与计算、绘制装配图、和部分零件图;完成以MCS-51组成控制系统设计,绘制控制系统原理图。 7.对本次课题设计进行总结,分析本次设计取得的主要成果,思考本次设计存在的一些问题,提出一些相应的进一步研究方向及意见等。【参考文献】 1 蔡美琴编MCS-51系列单片机及应用M. 北京:高等教育出版社,20122 黄鹤汀主编机械制造装陪备M. 北京:机械工业出版社,20173 杜国臣主编机床数控技术M. 北京:机械工业出版社,20164 刘伟主编数控技术M. 北京:机械工业出版社,2019 5 闻邦春主编;机械设计手册(第6版)(1)(2) (3) (4)(5)(6)(7). 北京:机械工业出版社,2019;6 机械设计实用手册编委会机械设计实用手册(上)(下). 北京:机械工业出版社,20157 车洪麟、张素辉非标准机械设计(第1版)M.北京:机械工业出版社,2011;8 彭如恕现代工程制图(第1版)M.长沙:国防工业出版社,2006;9 屈波互换性与技术测量M. 北京:机械工业出版社,2014;10 孙桓、陈作模,机械原理(第7版)M.北京:高等教育出版社,2005;11 濮良贵、纪名刚机械设计(第8版)M.北京:高等教育出版社,2005;12 于永泗、齐民机械工程材料(第8版)M.大连:大连理工大学出版社,2007;13 水根机械制造工艺学(第2版)M.北京:清华大学出版社,2004;14 刘宏新主编.机电一体化技术. 北京:机械工业出版社,2019;15 黄鹤汀主编.金属切削机床设计. 北京:机械工业出版社,2015;
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