激光表面淬火三自由度工作台设计【文献综述】

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[2，3]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10.6μm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co
激光加工设备的总产值就达到了
2
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,而且大大提高了加工质量。

激光热处理设备研究至今，这个行业中还是出现了不少优秀的设备投入试产，在汽车行业，程愿应、刘顺洪等所研究的汽车缸体激光淬火生产线成套设备[16]中，对激光器光腔结构、光学元件及冷却技术进行了改进；水基金属氧化物胶体吸光剂和精密的内孔自动喷涂方法,解决了缸体激光淬火吸光层在线制备的技术难题；开发了发动机缸体激光淬火数控机床。

采用模块化设计,有效实现光、机、电系统集成,在国内首次实现了汽车发动机缸体激光淬火的在线式生产。

把智能化、自动化表现的淋漓尽致。

在模具制造上，数控激光热处理机床解决了大型模具复杂零件的热处理变形问题，加热快冷却快，加工精确控制，输入热量少等特点让激光加工机床和传统摸具制造工艺完美结合。

例如，TJ-5000型CO2数控激光热处理机床就是利用高功率密度的激光束对金属表面处理的方法[17]，对材料实现相变硬化、表面合金化和溶覆、表面熔凝等表面改性处理，产生用其它表面热处理达不到的表面成分、组织、性能的改变。

具有实用性广，工艺性稳定，以及不受设备限制等优点。

4.总结
当今的激光表面加工技术还是存在不少问题和缺陷，特别是激光淬火技术仍受许多因素的影响，但随着研制性能可靠的工业大功率激光器发展，激光表面处理专家系统的研制和开发，激光处理将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[15]，以及热处理后表面组织结构和性能的计算机预测，做到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。

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):54-57.
[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):1119-1123.
[14]S.P.Gadag,M.N.Srinivasan.Surface properties of laser processed ductile iron[J].Material science&process,1996.appl.phys.a63,409-414.
[15]paul R.woodard,thermal analysis of a laser pulse for discrete spot surface transformation hardening[J].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.。