復(fù)雜形體激光表面淬火設(shè)備改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

鄭道友

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州325003）

0 前言

隨著科技的進(jìn)步以及應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的需求，現(xiàn)代產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，對(duì)表面淬火質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的表面淬火技術(shù)難以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，表面淬火技術(shù)已成為現(xiàn)代制造業(yè)的技術(shù)瓶頸之一。高頻淬火是目前零件表面硬化處理最常用的一種方法，它是將工件置于淬火圈中迅速加熱、快速冷卻的一種熱處理工藝，提高零件表面硬度，而內(nèi)部仍保持很好的韌性[1]。但高頻淬火只局限于一些對(duì)工藝要求不高、精密度低的零件，對(duì)于零部件形狀的較為復(fù)雜的零部件，其淬火效果往往達(dá)不到規(guī)定的要求，成為現(xiàn)代制造業(yè)的一大難題，激光淬火技術(shù)的出現(xiàn)為解決該難題帶來(lái)曙光[2]。激光淬火是將高能量的激光光束照射在待淬火的工件表面，在激光束照射區(qū)域內(nèi)的工件表面瞬間被加熱到相變溫度，并通過(guò)空冷使得表面產(chǎn)生高硬度的馬氏體組織。激光淬火技術(shù)理論上能夠彌補(bǔ)高頻淬火對(duì)復(fù)雜形體的不足，但是在實(shí)際淬火過(guò)程中，由于某些形體表面較為復(fù)雜，影響激光淬火的因素很多，而且相互制約，激光淬火后的產(chǎn)品質(zhì)量也存在部分缺陷，如激光束距離物體表面太近，將導(dǎo)致表層溫度過(guò)高，其組織會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而影響淬火的質(zhì)量；反之，若激光束距離物體表面太遠(yuǎn)，則溫度達(dá)不到淬火的要求，也會(huì)影響淬火的質(zhì)量。此外，激光的輸出功率的波動(dòng)也是一個(gè)極為重要的因數(shù)，也將影響淬火的最終質(zhì)量。為了達(dá)到最佳的激光淬火效果，傳統(tǒng)的做法是在淬火前把激光束到工件表面的距離調(diào)節(jié)為恒定值，同時(shí)讓激光輸出功率也保持穩(wěn)定，這種工藝方法對(duì)于平面或圓柱面等形狀較為規(guī)則的形體是可行的，對(duì)于形狀較為復(fù)雜的形體，當(dāng)激光束照射到形體表面時(shí)，一部分激束被反射出去，且反射量的大小是隨著反射角度的改變而變化的，激光發(fā)射多了，吸收自然少了，工件表面加熱的溫度就低，而且吸收能量和工件表面溫度也時(shí)刻在波動(dòng)，這種情況導(dǎo)致工件表面的淬火硬度均勻性差，影響淬火質(zhì)量。為此，必須開(kāi)發(fā)出適用于激光的復(fù)雜形體表面淬火專用設(shè)備，避免因激光光束反射原因造成的工件表面淬火硬度不均缺陷，并且對(duì)影響質(zhì)量的關(guān)鍵控制方式進(jìn)行分析。

1 激光表面淬火設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 激光表面淬火設(shè)備結(jié)構(gòu)

激光淬火設(shè)備由兩大部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，第一部分能夠讓工件繞著o-o軸作轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置，裝置上帶有裝夾盤(pán)，能夠讓工件準(zhǔn)確定位、快速裝夾；第二部分是使激光頭沿著o-o軸線移動(dòng)的同時(shí)，根據(jù)復(fù)雜形體轉(zhuǎn)動(dòng)，讓激光頭自動(dòng)地靠近或遠(yuǎn)離復(fù)雜形體表面，最終使激光頭與工件表面的距離保持不變，是整個(gè)淬火設(shè)備的關(guān)鍵部分，該裝置由動(dòng)力源、帶有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動(dòng)副、中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及激光模塊等四大部分構(gòu)成。其中伺服電機(jī)9是整個(gè)徑向移動(dòng)的動(dòng)力源泉，在控制系統(tǒng)的作用下可以進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，且運(yùn)動(dòng)精度較高；蝸輪蝸桿傳動(dòng)副由蝸輪3、蝸桿10以及蝸輪座1、蝸桿座2、蝸輪座軸承4等附件組成，該機(jī)構(gòu)除了具有減速功能外，還帶有防倒轉(zhuǎn)和自鎖功能；中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由蝸輪軸11、驅(qū)動(dòng)滑塊支座5、驅(qū)動(dòng)滑塊6、連桿支撐座7、連桿軸12等組成，該機(jī)構(gòu)能夠平穩(wěn)、精確地把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線移動(dòng)，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求使激光頭靠近或遠(yuǎn)離工件；激光模塊由激光頭13、定位測(cè)距頭8等組成，兩個(gè)定為光頭隨激光頭一起移動(dòng)時(shí)，可以測(cè)出工件表面與激光頭之間的距離，且及時(shí)將其信息反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋的信息及時(shí)調(diào)節(jié)工件表面與激光頭之間的距離。

圖1 激光淬火設(shè)備徑向移動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 激光表面淬火設(shè)備工作原理

激光淬火是通過(guò)讓激光束均勻地照射到復(fù)雜形體表面，工件表面極薄一層的小區(qū)域內(nèi)快速吸收能量，使該區(qū)域的溫度以105～106℃/s的速度急劇上升到高于相變點(diǎn)而低于融化點(diǎn)之間；當(dāng)激光束離開(kāi)該小區(qū)域后又以106～108℃/s的速度急速冷卻，獲得在常規(guī)加熱淬火條件下不容易獲得的馬氏體組織，從而實(shí)現(xiàn)工件表面相變硬化的一種淬火方法[3-5]。要保持激光束掃描過(guò)的工件表面保持恒定的溫度，除了讓激光輸出的功率保持不變情況下，必須讓激光頭與工件表面保持恒定的距離，這一點(diǎn)可以通過(guò)激光淬火設(shè)備徑向移動(dòng)裝置，如圖1所示。當(dāng)工件繞著O-O旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于工件是復(fù)雜的三位立體結(jié)構(gòu)，工件表面與激光頭的距離X隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度的改變而變化，如圖2所示。當(dāng)定位測(cè)距頭8測(cè)出X值變小時(shí)，該信息立刻輸送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)讓伺服電機(jī)9正轉(zhuǎn)，通過(guò)蝸桿10、蝸輪3使蝸輪軸11旋轉(zhuǎn)，蝸輪軸11與驅(qū)動(dòng)滑塊6是是一對(duì)精密螺紋副，蝸輪軸11旋轉(zhuǎn)可以帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)滑塊后移，從而使激光頭遠(yuǎn)離工件表面，讓X變大；反之，定位測(cè)距頭8測(cè)出X偏大，通過(guò)相同的方式讓激光頭靠近工件表面，使X變小，從而使X值保持恒定。

2 復(fù)雜形體激光表面淬火設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

2.1 復(fù)雜形體激光淬火質(zhì)量分析

在激光淬火過(guò)程中，如果表面是平面或者是圓柱面等非常規(guī)則的工件，只要保持激光頭到工件表面距離X不變、激光頭輸出功率不變、激光均勻地束掃描工件表面，那么整個(gè)工件表面被加熱的溫度和冷卻的速率等參數(shù)基本上保持恒定值，那么工件外表面淬火硬度、深度基本一致，淬火質(zhì)量就比較好。但是，對(duì)于形體比較復(fù)雜的工件，只給定上述淬火條件是不夠的。復(fù)雜形體在淬火過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩種情況，第一種是如圖2（a）所示，形體外表面與激光束成垂直狀態(tài)，激光光束的能量基本被形體表面所吸收，此時(shí)形體表面的溫度最高。第二種是如圖2(b)所示，激光光束與形體表面呈一定角度，激光束產(chǎn)生反射，把光束的部分能量反射出去，形體表面吸收的能量就少，表面溫度就低，且隨著反射角度的增大，反射能量越多，形體表面的溫度相應(yīng)地就越低。所以，在激光淬火過(guò)程中，復(fù)雜形體由于截面呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，激光光束在掃描過(guò)程中部分能量被反射，且所反射的能量隨著反射角的增大而增加，造成形體表面溫度時(shí)而高、時(shí)而低，將致使形體表面淬火硬度不均勻，甚至使部分表面硬度達(dá)不到規(guī)定的而要求，影響了激光淬火的質(zhì)量。

圖2 復(fù)雜形體表面淬火示意圖

2.2 復(fù)雜形體激光表面淬火設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

由于復(fù)雜形體截面是一個(gè)不規(guī)則形狀，導(dǎo)致其表面淬火不均勻，影響了淬火質(zhì)量，為此，通過(guò)改變激光光束輸出功率來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。如圖2(c)所示，激光頭在移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)定位測(cè)距頭也隨著激光頭同時(shí)移動(dòng)，考慮到兩個(gè)定位測(cè)距頭之間的距離C是一個(gè)定值，而且C的值不大，在設(shè)計(jì)時(shí)把兩個(gè)定位光束、激光束與復(fù)雜形體表面的三個(gè)交點(diǎn)近似成一直線，于是有：

其中：θ為激光束反射角；△x=x2-x1；c為兩個(gè)定位測(cè)距頭之間的距離，是個(gè)恒定值；x1、x2分別為定位測(cè)距頭到形體表面之間的距離；x為激光頭到形體表面之間的距離。

由（2）式可以看出，激光束反射角θ隨著定位測(cè)距頭到形體表面之間距離差△x而變化，只要測(cè)出x1和x2的值，就可以通過(guò)（2）式確定激光束反射角θ。因此，在控制系統(tǒng)中，建立激光束反射角與輸出功率的關(guān)系，即反射角θ增大，輸出激光功率相應(yīng)增大，可以抵消復(fù)雜形體因激光束反射所損失的不能能量，可以讓發(fā)展砸形體表面所吸收的能量保持恒定，進(jìn)而使形體表面在淬火過(guò)程中的溫度盡可能穩(wěn)定，避免了形體表面淬火的不均勻性。

3 結(jié)論

由于激光束在淬火過(guò)程中存在反射的特性，光束在掃描復(fù)雜形體表面過(guò)程中反射角一直在波動(dòng)，使激光束反射量、形體表面能量的吸收量、形體表面的溫度也隨著改變，導(dǎo)致復(fù)雜形體表面激光淬火后硬度均勻性差，影響淬火質(zhì)量。改進(jìn)后的設(shè)備，在激光頭處增設(shè)了兩個(gè)定位測(cè)距頭，實(shí)時(shí)測(cè)出定位測(cè)距頭到工件表面之間的實(shí)際距離，在控制系統(tǒng)中建立了定位測(cè)距頭、激光束的反射角、激光輸出功率三者之間的關(guān)系，一旦發(fā)現(xiàn)反射角改變，控制系統(tǒng)就及時(shí)改變輸出功率，以此彌補(bǔ)激光束反射影響形體表面淬火硬度均勻性差的難題。

［1］Klein F.Thermal Conditions in Die Casting Dies for Aluminum A-lloys[M].New York：North American Die Casting AssociationPub,1993：341-348.

［2］徐宏偉，等.實(shí)驗(yàn)優(yōu)化激光淬火工藝參數(shù)研究[J].中國(guó)印刷與包裝，2013（1）：53-58.

［3］江超,王又青,胡少六.激光拋光技術(shù)的發(fā)展與展望[J].激光技術(shù),2002,26(6):421-424.

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［5］李建新,王紹理.激光加工工藝與設(shè)備[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2008.