激光表面淬火兩自由度工作臺設(shè)計【開題報告】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計開題報告</b></p><p>　　機械設(shè)計制造及自動化</p><p>　　激光表面淬火兩自由度工作臺設(shè)計</p><p>　　1激光表面熱處理設(shè)備研發(fā)的背景及意義</p><p>　　激光熱處理設(shè)備的發(fā)展始終服從于優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗的普遍市場規(guī)律，近代氣候和環(huán)境的熱點又把節(jié)能減

2、排提到了各行各業(yè)的日程。汽車、航空、電力工業(yè)對其產(chǎn)品和零部件提出了更高的質(zhì)量、質(zhì)量均勻性和延壽要求，從而對激光淬火技術(shù)和設(shè)備也提出更大挑戰(zhàn)。從熱處理生產(chǎn)用戶角度，希望激光熱處理設(shè)備能更便宜，使用更長時間，可靠性更高，故障率更低，廢品率接近于零，工輔材料更省，從而能充分降低生產(chǎn)成本，保證高的利潤率[1]。</p><p>　　激光淬火技術(shù)已在許多方面顯示了其技術(shù)和經(jīng)濟上的優(yōu)勢，世界各國都十分重視在這一方面的研究，并

3、已經(jīng)在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，以美國為例。目前，美國正在開～展飛機重載齒輪激光硬化工藝研究，以取代滲碳淬火化學(xué)熱處理，激光硬化的齒輪包括直升飛機輔助動力裝置的行星齒輪和飛機主傳動裝置的傳動齒輪。由于用激光硬化后的飛機重載齒輪不需最后研磨，故可以大大降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。</p><p>　　激光淬火在工業(yè)上越來越被廣泛的應(yīng)用。發(fā)動機缸體表面淬火[2]，可使缸體耐磨性提高3倍以上；熱軋鋼板剪切機刃口淬火，與同等未處理

4、的刃口相比壽命提高了一倍左右；而且激光表面淬火還應(yīng)用在機床導(dǎo)軌淬火、齒輪齒面淬火、發(fā)動機曲軸的曲頸和凸輪部位局部淬火以及各種工具刃口激光淬火。</p><p>　　周建忠，花銀群等[3]在其球鐵曲軸激光淬火強化技術(shù)研究中，介紹了曲軸激光淬火強化系統(tǒng)，探討了各種因素對球鐵激光強化性能的影響，指出其在工程應(yīng)用中所要解決的主要問題。同時研究結(jié)果表明，球鐵曲軸經(jīng)激光淬火強化后，能獲得較高的表面硬度和殘余壓應(yīng)力，從而有效的

5、提高和改善曲軸的使用壽命。</p><p>　　隨著科技的發(fā)展，激光淬火技術(shù)在各個領(lǐng)域都有一定的運用及應(yīng)用。同時激光淬火技術(shù)也越來越成熟，也在各個行業(yè)發(fā)揮了其不可磨滅的作用。激光技術(shù)在不斷的發(fā)展，其工藝設(shè)備及其工藝參數(shù)都在不斷的優(yōu)化當(dāng)中，其在發(fā)展過程中不斷的與其它先進技術(shù)結(jié)合在一起，從而更好的發(fā)揮了激光淬火技術(shù)的重要及其先進性。張連寶，李俊等[4]在其研究中，建立的工藝優(yōu)化設(shè)計模型具有較好的可靠性，其將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與

6、遺傳算法的混合智能技術(shù)引入激光淬火領(lǐng)域，為解決激光淬火工藝優(yōu)化設(shè)計問題提供了一條先進、合理的途徑。</p><p>　　在此時設(shè)備的發(fā)展也就顯得特別的重要。我國激光熱處理裝備相對落后，激光熱處理行業(yè)是近些年隨機械工業(yè)的發(fā)展取得了較快速的發(fā)展，但激光熱處理設(shè)備更新落后于行業(yè)的發(fā)展。在激光熱處理設(shè)備制造方面，大量的先進熱處理裝備仍需進口，特別是先進的傳感器方面，其技術(shù)水平仍相對落后。先進節(jié)能保溫材料應(yīng)用普及率還相對較

7、低，熱處理輔助材料發(fā)展較慢。近些年來，引進了國外一些先進激光熱處理裝備生產(chǎn)技術(shù)，但國內(nèi)在激光熱處理設(shè)備設(shè)計、裝備模塊化方面尚未掌握核心技術(shù)。對于設(shè)備的開發(fā)與研究具有至關(guān)重要的意義，對激光淬火技術(shù)的發(fā)展提供了最基本的保障。</p><p>　　2激光表面熱處理技術(shù)以及設(shè)備的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢</p><p>　　激光的誕生[13]，以1960 年第一臺固體激光器紅寶石激光器及1961

8、年第一臺氣體激光器氦氖激光器的先后研制成功為標(biāo)志，經(jīng)過三十年的發(fā)展，激光技術(shù)已成為一種具有巨大吸引力的新興技術(shù)，在工業(yè)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。激光熱處理便是激光技術(shù)最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。七十年代初由于大功率氣體激光器的出現(xiàn)，使得材料激光加工技術(shù)的研究變得更為活躍，材料的激光加工作為高能束（激光束、電子束和離子束）加工材料的一種，已成為最有前途的方向之一。在當(dāng)時從高能束材料加工的理論和實踐來說，激光加工還不完美，是在研究大功率激束對材料

9、作用過程的理論和實際應(yīng)用方面都取得了很大成果。從而誕生了激光淬火表面處理技術(shù)。美國通用汽車公司于20世紀(jì)70年代初率先將該項技術(shù)用于工業(yè)生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟效益[14]。我國從20世紀(jì)70年代末千瓦級CO2 激光器研制成功以來，已有30多年的應(yīng)用歷史。盡管目前激光表面淬火技術(shù)的應(yīng)用還不及傳統(tǒng)熱處理技術(shù)那樣廣泛和成熟，但由于其具有的獨特優(yōu)越性，正日益受到人們的重視，已經(jīng)在機械制造、交通運輸、石油、礦山、紡織、冶金、航空航天等許多領(lǐng)域得到

10、應(yīng)用。</p><p>　　此外，我國也在積極進行激光淬火的研究和應(yīng)用實踐，天津渤海無線電廠采用美國820型1.5kW橫流CO2激光器對硅鋼片模具進行表面淬火，大大提高了耐磨性，使用壽命提高了10倍。青島激光技工中心采用HJ-3kW級橫流CO2激光器，對柴油機氣缸孔進行表面淬火取代了硼缸套，耐磨效果優(yōu)良，配副性優(yōu)良，經(jīng)濟效益顯著。激光表面淬火的工藝參數(shù)還不完善，不同材料的淬火參數(shù)不同，還需要大量試驗來總結(jié)、分析，

11、制定合理的工藝參數(shù)；激光表面淬火的數(shù)值模擬還處在探索階段,對相變后的組織分布，材料性能對溫度場的相互影響卻很少考慮。隨著計算機的發(fā)展及計算方法的不斷完善，激光熱處理理論正向預(yù)測淬火材料性能，硬化層深度的方向發(fā)展。</p><p>　　在國外激光的應(yīng)用面很廣[15]，其中又以激光加工發(fā)展最快。激光表面處理不僅為傳統(tǒng)的熱處理、表面強化、表面冶金和快速凝固域增添了新的方法和內(nèi)容，而且開辟了激光束——物質(zhì)交換作用、激光感

12、應(yīng)等離子體、高能束作用下的傳熱等新的學(xué)科和研究方向。</p><p>　　為了發(fā)展激光技術(shù)特別是加工技術(shù)，各國制定了自己的或聯(lián)合的激光發(fā)展計劃[15]，如美國的“戰(zhàn)略防御倡議”、英國的“阿維爾計劃”、日本的“激光研究五年計劃”、原蘇聯(lián)的“激光工業(yè)發(fā)展綱要”、西歐的“尤里卡計劃”、德國的“激光技術(shù)及其研究重點”等。同時這些國家為這些執(zhí)行發(fā)展計劃還建立了專門的研究機構(gòu)和激光加工應(yīng)用中心，并給予了大量投資。激光淬火技術(shù)

13、在不斷的提高，此時設(shè)備的發(fā)展也應(yīng)該跟隨技術(shù)同步發(fā)展。</p><p>　　我國熱處理企業(yè)的工藝裝備陳舊落后[16,17]，眾多的加熱爐系爐齡達(dá)三、四十年的箱式、井式、鹽浴爐（俗稱老三爐）。設(shè)備老化，能耗很高。而高效、優(yōu)質(zhì)、低污染、環(huán)保型的氣氛爐和真空爐等占不到熱處理設(shè)備總數(shù)的5%。美國等發(fā)達(dá)國家對熱處理工藝過程的控制已向著自動化、智能化和柔性化發(fā)展，而我國不少企業(yè)仍憑借經(jīng)驗，人工操作。由于歷史的原因，許多企業(yè)大而

14、全、小而全，熱處理的社會化、產(chǎn)業(yè)化及規(guī)模生產(chǎn)尚未形成。因而，生產(chǎn)效率低下，比美國差26倍，設(shè)備利用率和負(fù)荷率不到30%，而能耗卻比美國高出40%以上。</p><p>　　由于我國激光器及外圍設(shè)備的研制和生產(chǎn)與國外差距很大[18]，造成在激光加工技術(shù)的基礎(chǔ)研究及其在焊接、切割上的應(yīng)用與發(fā)達(dá)國家的差距很大。但是由于激光表面強化在國內(nèi)起步較早，投入的力量相對較多，加上國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域中大量表面強化問題急待解決，因此在激光

15、表面強化研究方面并不比發(fā)達(dá)國家差，只是在實際應(yīng)用中還需進一步努力。</p><p>　　激光熱處理設(shè)備[19]主要包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、工作臺、控制系統(tǒng)及安全防護裝置等。導(dǎo)光系統(tǒng)的作用是將激光器發(fā)出的激光束經(jīng)光學(xué)元件引向工作臺。工作臺的作用是完成各項操作以滿足熱處理加工的要求，亦稱加工機床，根據(jù)用途的不同分為專用機床和通用機床兩種。</p><p>　　近年來，在汽車、航空、兵器、模具和基

16、礎(chǔ)件行業(yè)技改的拉動之下，其他行業(yè)熱處理技術(shù)改造和設(shè)備更新高潮也會接踵而至。而設(shè)備更新是企業(yè)技術(shù)改造的有效途徑，設(shè)備更新的主要出發(fā)點應(yīng)當(dāng)是節(jié)能環(huán)保、高效可靠、少無氧化、少無質(zhì)量分散以及性價比合理。目前，企業(yè)技術(shù)改造的高度和深度已經(jīng)開始出現(xiàn)明顯的變化，大多數(shù)企業(yè)已經(jīng)不滿足于常規(guī)技術(shù)和設(shè)備的新舊交替，而是傾向于一步一個臺階，邁向更高的境界，優(yōu)先選購技術(shù)水平高、優(yōu)質(zhì)可靠及節(jié)能環(huán)保熱處理設(shè)備，以達(dá)到高水平的生產(chǎn)目標(biāo)。</p><

17、;p>　　在科技的發(fā)展和市場的要求下，未來設(shè)備的發(fā)展趨勢為高度的智能化與自動化，激光加工機床與其它加工設(shè)備的復(fù)合化，建立激光加工中心等。具體的發(fā)展情況如下：</p><p>　?。?）高度智能化與自動化</p><p>　　激光熱處理設(shè)備自動化與機器人化是一個非常重要的發(fā)展趨勢， 激光加工機器人可以準(zhǔn)確地、高精度、高質(zhì)量地完成各種加工，尤其適合大工件不便移動的場合。開發(fā)智能淬火冷卻裝

18、備技術(shù)-以氣淬、水淬、水霧冷卻技術(shù)替代油、聚合物淬火液等淬火。在該方面研究上，上海交通大學(xué)潘健生院士、陳乃錄教授等開發(fā)的淬火冷卻系統(tǒng)啟動良好的示范作用。采用水-空冷卻方式，是截面厚度600~900mm的塑料模具鋼鍛件的截面硬度差小于3-5HRC。武漢萬實冶金研制成功了一套新型熱處理設(shè)備——二十輥軋機輥系新型熱處理設(shè)備[18]。該設(shè)備自動化程度高，從而保障了機械設(shè)備運行和工藝操作順利進行。</p><p>　?。?

19、）激光加工機床與其它加工設(shè)備復(fù)合化</p><p>　　這種復(fù)合可以有效地減少轉(zhuǎn)移工位及定位時間，節(jié)約車間面積，降低產(chǎn)品成本。日本已成功地將激光加工機床與沖床組成復(fù)合機床。劉千軍闡述了FAGOR 8055B /M 數(shù)控系統(tǒng)在大型激光熱處理設(shè)備中的運用[20]。其具有以下幾個特點：1)手工編程時，TCP(G48)功能具有很強的實用性。2) 具有G51E0.1程序預(yù)讀功能，提高了加工程序換行掃描時間，此特點成為該設(shè)備

20、成功的技術(shù)核心。因為在國產(chǎn)激光器加工過程中，功率不能自動調(diào)節(jié)。當(dāng)換行時間較長時， 激光光束就會因停留時間過長而燒傷工件，從而影響表面粗糙度。3) 數(shù)控系統(tǒng)自身功能比較完善，除了配備自己的伺服驅(qū)動和電動機外，還可以與其他伺服驅(qū)動相匹配。</p><p>　?。?）建立激光加工中心</p><p>　　用一臺或多臺高功率激光器，設(shè)置幾個工位,分別進行激光切割、焊接、熱處理等各種加工，不僅節(jié)約了

21、成本，提高了勞動生產(chǎn)率，而且大大提高了加工質(zhì)量。目前國內(nèi)上海、武漢、天津、北京等地都在建立和發(fā)展激光加工中心。</p><p>　　3課題的研究內(nèi)容及擬采取的研究方法（技術(shù)路線）、研究難點及預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)</p><p><b>　　3.1課題研究內(nèi)容</b></p><p>　　通過上網(wǎng)查找與課題相關(guān)的資料，對激光淬火技術(shù)的特點及原理進一步了

22、解，更好的對課題展開研究。（2） 完成能實現(xiàn)X、Y二個方向運動用于激光表面淬火的工作臺的設(shè)計，要求加工速度：0～2m/min可調(diào)；空走速度：0～10m/min可調(diào)。（3） 根據(jù)實際要求確定工作臺的尺寸，傳動方式，控制方式等參數(shù)。</p><p>　　通過計算，選擇合適的步進電機。</p><p>　　完成工作臺的裝配圖以及零件圖。</p><p>　　完成設(shè)計計

23、算說明書。</p><p><b>　　3.2技術(shù)路線</b></p><p>　　我們首先要對該產(chǎn)品進行一個全面的市場調(diào)查，了解當(dāng)前的設(shè)備所具有的功能及其被使用的領(lǐng)域。根據(jù)具體的情況，確定一些可行的方案，對這些方案進行研究，最終確定出最合理最合適的方案。接著確定出最終方案中的各項參數(shù)，其中包括工作臺的基本尺寸、傳動方式、運動路徑、冷卻方式、控制方式等。通過計算選擇出

24、合適的步進電動機。再進一步的對已確定的參數(shù)進行校核，在校核為合理的情況下，完成工作臺的裝配圖及零件圖，寫出設(shè)計計算說明書，完成工作臺的整體圖紙設(shè)計。</p><p><b>　　3.3研究難點</b></p><p>　　在設(shè)計過程中通過方案的比較，確定各種參數(shù)，確定出最合理的方案。</p><p>　　3.4預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)</p>

25、<p>　　在熟知激光淬火技術(shù)的同時，掌握激光淬火工作臺的整體結(jié)構(gòu)，最終完成兩自由度的激光淬火工作臺的整體圖紙設(shè)計。</p><p>　　4研究工作詳細(xì)工作進度和安排</p><p>　　(1) 2011-01-10日前：通過文獻的收集和閱讀完成文獻綜述和外文文獻翻譯。(2) 01-10～03-04：完成開題報告。(3) 03-05～03-25：完成工作臺總體設(shè)計方案。

26、(4) 03-26～04-30：完成設(shè)計計算和設(shè)計圖紙。(5) 05-01～05-12：整理畢業(yè)論文資料，完成畢業(yè)論文的初稿。(6) 05-13～05-20: 畢業(yè)論文的修改和完善。(7) 05-21～05-26: 畢業(yè)論文答辯準(zhǔn)備工作。(8) 05-27～05-29: 畢業(yè)論文答辯。</p><p><b>　　5參考文獻</b></p><p>　　[1]

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