复杂形体激光表面淬火设备改进设计研究

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1、复杂形体激光表面淬火设备改进设计研究【摘要】通过在激光头处增设了两个定位测距头，实时测出激光束的反射角，在控制系统中建立激光束反射角与输出功率之间的关系，实时监控反射角的变化情况，及时改变输出功率，以此弥补激光束反射影响形体表面淬火硬度均匀性差的难题。【关键词】激光淬火;反射角;复杂形体;淬火质量0前言7随着科技的进步以及应对市场的需求，现代产品结构日趋复杂，对表面淬火质量的要求也越来越高，传统的表面淬火技术难以适应社会发展的需求，表面淬火技术已成为现代制造业的技术瓶颈之一。高频淬火是目前零件表面硬化处理最常用的

2、一种方法，它是将工件置于淬火圈中迅速加热、快速冷却的一种热处理工艺，提高零件表面硬度，而内部仍保持很好的韧性[1]。但高频淬火只局限于一些对工艺要求不高、精密度低的零件，对于零部件形状的较为复杂的零部件，其淬火效果往往达不到规定的要求，成为现代制造业的一大难题，激光淬火技术的出现为解决该难题带来曙光[2]。激光淬火是将高能量的激光光束照射在待淬火的工件表面，在激光束照射区域内的工件表面瞬间被加热到相变温度，并通过空冷使得表面产生高硬度的马氏体组织。激光淬火技术理论上能够弥补高频淬火对复杂形体的不足，但是在实际淬火

3、过程中，由于某些形体表面较为复杂，影响激光淬火的因素很多，而且相互制约，激光淬火后的产品质量也存在部分缺陷，如激光束距离物体表面太近，将导致表层温度过高，其组织会发生相应的变化，从而影响淬火的质量;反之，若激光束距离物体表面太远，则温度达不到淬火的要求，也会影响淬火的质量。此外，激光的输出功率的波动也是一个极为重要的因数，也将影响淬火的最终质量。为了达到最佳的激光淬火效果，传统的做法是在淬火前把激光束到工件表面的距离调节为恒定值，同时让激光输出功率也保持稳定，这种工艺方法对于平面或圆柱面等形状较为规则的形体是可行

4、的，对于形状较为复杂的形体，当激光束照射到形体表面时，一部分激束被反射出去，且反射量的大小是随着反射角度的改变而变化的，激光发射多了，吸收自然少了，工件表面加热的温度就低，而且吸收能量和工件表面温度也时刻在波动，这种情况导致工件表面的淬火硬度均匀性差，影响淬火质量。为此，必须开发出适用于激光的复杂形体表面淬火专用设备，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，并且对影响质量的关键控制方式进行分析。1激光表面淬火设备结构与工作原理1.1激光表面淬火设备结构7激光淬火设备由两大部分构成，结构如图1所示，第

5、一部分能够让工件绕着o-o轴作转动的装置，装置上带有装夹盘，能够让工件准确定位、快速装夹;第二部分是使激光头沿着o-o轴线移动的同时，根据复杂形体转动，让激光头自动地靠近或远离复杂形体表面，最终使激光头与工件表面的距离保持不变，是整个淬火设备的关键部分，该装置由动力源、带有自锁功能的蜗轮蜗杆传动副、中间传动机构以及激光模块等四大部分构成。其中伺服电机9是整个径向移动的动力源泉，在控制系统的作用下可以进行正反转，且运动精度较高;蜗轮蜗杆传动副由蜗轮3、蜗杆10以及蜗轮座1、蜗杆座2、蜗轮座轴承4等附件组成，该机构除

6、了具有减速功能外，还带有防倒转和自锁功能;中间传动机构由蜗轮轴11、驱动滑块支座5、驱动滑块6、连杆支撑座7、连杆轴12等组成，该机构能够平稳、精确地把旋转运动转化为直线移动，根据控制系统的要求使激光头靠近或远离工件;激光模块由激光头13、定位测距头8等组成，两个定为光头随激光头一起移动时，可以测出工件表面与激光头之间的距离，且及时将其信息反馈给控制系统，控制系统根据反馈的信息及时调节工件表面与激光头之间的距离。图1激光淬火设备径向移动装置结构图1.蜗轮座;2.蜗杆座;3.蜗轮;4.蜗轮座轴承;5.驱动滑块支座;

7、6.驱动滑块;7.连杆支撑座;8.定位测距头;9.伺服电机;10.蜗杆;11.蜗轮轴;12.连杆轴;13.激光头;14.淬火件71.2激光表面淬火设备工作原理激光淬火是通过让激光束均匀地照射到复杂形体表面，工件表面极薄一层的小区域内快速吸收能量，使该区域的温度以105～106℃/s的速度急剧上升到高于相变点而低于融化点之间;当激光束离开该小区域后又以106～108℃/s的速度急速冷却，获得在常规加热淬火条件下不容易获得的马氏体组织，从而实现工件表面相变硬化的一种淬火方法[3-5]。要保持激光束扫描过的工件表面保持

8、恒定的温度，除了让激光输出的功率保持不变情况下，必须让激光头与工件表面保持恒定的距离，这一点可以通过激光淬火设备径向移动装置，如图1所示。当工件绕着O-O旋转时，由于工件是复杂的三位立体结构，工件表面与激光头的距离X随着转动角度的改变而变化，如图2所示。当定位测距头8测出X值变小时，该信息立刻输送给控制系统，控制系统让伺服电机9正转，通过蜗杆10、蜗轮3使蜗轮轴11旋转，