（机械制造及其自动化专业论文）汽车缸套激光表面硬化的研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： _ 圣专 日期：2 口，癣石月3 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 以千 | ，- ， 日期：2 0 o 年多月多目 摘要 摘要 激光表面硬化处理是诸多的表面处理方法之一，它可以提高工件或材料的 表面硬度，增加耐磨性，减少摩擦系数，细化晶粒和组织结构，改善表面的机 械性能，同时具有使工件变形小或者几乎无变形的独特优点等。 本文以汽车发动机h t l5 0 气缸套的激光表面硬化为主要研究对象。首先， 提出了将作为人工智能之一的神经网络( a n n ) 技术应用于激光表面硬化预测， 并以h t l 5 0 气缸套材料激光表面硬化得到的实验数据为基础，利用b p 神经网络 建立了基于m a t l a b 人工神经网络工具箱中的b p 神经网络的激光表面硬化指 标预测模型，通过预测值与实验值的比较，验证了预测模型的正确性，并使用 m a t l a b 软件编制了用于h t l5 0 气缸套激光表面硬化指标预测系统的友好的用 户操作界面，通过将已编写好的基于m a t l a b 的b p 神经网络的激光表面硬化 指标预测模型源代码程序作为后台算法，开发出了一个用于h t l 5 0 气缸套激光 表面硬化指标预测系统，该预测系统实现的主要功能是：当已知材料及所选用 的工艺参数时，可以对激光表面硬化加工后的硬化层深度和表面硬度进行预 测，操作时用户只需输入三个已知工艺参数值：激光功率，扫描速度和光斑直径 等，该预测系统能够在试验之前就预测出在一定的工艺参数条件下的硬化层指 标( 表面硬度值和层深值) ；其次，利用神经网络预测系统与正交试验方法相结 合的途径来确定最佳工艺参数，具体地就是为避免盲目随机选取试验数据和减 少试验次数，先采用正交表来安排试验方案，设计了多组工艺参数，然后利用 已开发的激光表面硬化指标预测系统对这些组数据中的每一组分别进行预测而 得到了表面硬度和层深值，代替了具体试验，接着对这些组数据和预测结果进 行激光表面硬化的正交分析( 包括表面硬度的正交分析和层深的正交分析) 而得 到一组最佳工艺参数( p v d ) 值，最后按这组最佳工艺参数( p v d ) 进行一组 补充激光表面硬化实验，将实验得到的层深与表面硬度值，与用预测系统得到 的层深与表面硬度值进行比较来进一步验证了该预测系统的正确性：再者，以 上面设计的这些组数据和得到的硬化结果为依据，研究了单一激光工艺参数( 激 光功率p 、扫描速度v 、光斑直径d ) 分别对硬化指标( 表面硬度、层深) 的影 响规律，同时，提出了一个综合影响因子p ( d v ) 值，并研究了该综合影响因 子p ( d v ) 值对硬化层指标( 表面硬度、层深) 的影响规律。 最后，针对汽车发动机缸体修复，将前面的汽车缸套实验与理论研究成果 应用于汽车发动机缸体的回收、修复中。 关键词。汽车缸套；激光表面硬化；神经网络；预测模型；正交试验 论文类型：应用研究 a b s t r a c t a b s t r a c t l a s e rs u r f a c eh a r d e n i n gi so n eo fan u m b e ro fs u r f a c et r e a t m e n t s ，w h i c hc a l l i m p r o v et h es u r f a c eh a r d n e s so fw o r k p i e c e sa n dm a t e r i a l s ，i n c r e a s ew e a rr e s i s t a n c e ， r e d u c ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h i n g r a i na n dm i c r o s t r u c t u r e , i m p r o v et h es u r f a c e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s ，a n da l s oh a v eu n i q u ea d v a n t a g e so fs m a l lo r a l m o s tn od e f o r m a t i o n l a s e rs u r f a c eh a r d e n i n go na u t o m o b i l ee n g i n eh t l5 0c y l i n d e rs l e e v ei ss t u d i e d p r i n c i p a l l yi nt h i sp a p e r f i r s t l y , a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) t e c h n o l o g ya so n e o ft h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ei sa p p l i e dt ot h ep r e d i c t i o no fl a s e rs u r f a c eh a r d e n i n g b a s e do nt h ed a t ao b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n to fl a s e rs u r f a c eh a r d e n i n go nh t15 0 c y l i n d e rl i n e rm a t e r i a l s ，an e u r a ln e t w o r kf o r e c a s tm o d e lo fl a s e rs u r f a c eh a r d e n i n g i n d e xa b o u th t l5 0c y l i n d e rl i n e ri se s t a b l i s h e db yu s i n gb pn e u r a ln e t w o r kb a s e do n m a t l a bn e u r a ln e t w o r kt o o l b o x ，a n dt h ec o r r e c t n e s so ft h ep r e d i c t i o nm o d e li s v e r i f i e d t h r o u g hc o m p a r i n gt h ep r e d i c t e d v a l u e sw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t a 1 1 h e u s e r - f r i e n d l y i n t e r f a c eo ft h eh a r d e n e di n d e xp r e d i c t i n gs y s t e mo fl a s e rs u r f a c e h a r d e n i n go nh t 15 0c y l i n d e rl i n e ri sc o m p i l e db yu s i n gt h ema t l a bs o f t w a r e t h e d e v e l o p e dp r e d i c t i n gs y s t e mu s e st h e s o u r c ec o d ep r o g r a mo ft h el a s e rs u r f a c e h a r d e n i n gi n d e xp r e d i c t i o nm o d e l o fm a t l a b - b a s e db pn e u r a ln e t w o r ka sa b a c k g r o u n da l g o r i t h m n l em a i nf u n c t i o no ft h ef o r e c a s t i n gs y s t e mi st h a tw h e nt h e m a t e r i a l sa n dt h es e l e c t e dp r o c e s sp a r a m e t e r sa r ek n o w n ，t h ed e p t ha n ds u r f a c e h a r d n e s so ft h eh a r d e n i n gl a y e ra f t e rt h el a s e rs u r f a c eh a r d e n i n gc a nb ef o r e c a s t ，a n d w h e no p e r a t i n gt h ep r e d i c t i n gs y s t e m ，u s e ro n l yn e e d st oi n p u tt h r e ek n o w nv a l u e so f p r o c e s sp a r a m e t e r si n c l u d i n gl a s e rp o w e r , s c a n n i n gs p e e da n ds p o td i a m e t e r , t h e f o r e c a s ts y s t e mi sa b l et op r e d i c tt h eh a r d e n e di n d i c a t o r su n d e rt h ec o n d i t i o no f c e r t a i np a r a m e t e r s ( t h es u r f a c eh a r d n e s sv a l u ea n dt h el a y e rd e p t hv a l u e ) b e f o r et h e t r i a l ；s e c o n d l y , t h ea p p r o a c ho ft h en e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i o ns y s t e mw i t ha c o m b i n a t i o no fo r t h o g o n a lt e s tm e t h o di su s e dt od e t e r m i n et h eb e s tp r o c e s s p a r a m e t e r s s p e c i f i c a l l y , i no r d e rt o a v o i dt a k i n ge x p e r i m e n t a ld a t ab l i n d l ya n d r a n d o m i z e d l ya n dr e d u c i n gt h et i m e so ft h ee x p e r i m e n t f i r s t ，w eu s ec r o s s - c o u s i nt o a r r a n g eap i l o tp r o g r a m ，d e s i g n i n gs o m eg r o u p so fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，a n dt h e nw e u s et h ed e v e l o p e dp r e d i c t i o ns y s t e mo fl a s e rs u r f a c eh a r d e n i n gt op r e d i c tt h es u r f a c e h a r d n e s sa n dt h el a y e rd e p t hv a l u e sf o re a c hg r o u po ft h e s es e t so fd a t a , i n s t e a do f s p e c i f i ce x p e r i m e n t f o l l o w i n g l y , w eh a v ea l lo r t h o g o n a la n a l y s i so fl a s e rs u r f a c e h a r d e n i n g ( i n c l u d i n gt h eo r t h o g o n a la n a l y s i so ft h es u r f a c eh a r d n e s sa n dt h a to ft h e l a y e rd e p t h ) f o rt h e s es e t so fd a t aa n dp r e d i c tt h er e s u l t s ，o b t a i n i n gas e to fo p t i m u m p r o c e s sp a r a m e t e r s ( p vd ) v a l u e s ，a n di nt h ee n d ，w ec o n d u c ta na d d i t i o n a ls e to f l a s e rs u r f a c eh a r d e n i n ge x p e r i m e n tf o l l o w e db yt h i sg r o u po fo p t i m a lp a r a m e t e r s 僻钐 d ) ，v a l i d a t i n gt h ea c c u r a c yo ft h ep r e d i c t i o ns y s t e m f l l i r t h e r b yc o m p a r i n gt h e e x p e r i m e n t a lv a l u e sw i t ht h ep r e d i c t e dv a l u e s ；m o r e o v e r , b a s e do nt h e s es e t so fd a t a a n dt h eh a r d e n e dr e s u l t so b t a i n e da b o v e ，w es t u d yt h e r u l et h a tt h es i n g l el a s e r p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ( 1 a s e rp o w e rp s c a n n i n gs p e e dvs p o td i a m e t e rd ) r e s p e c t i v e l y h a sa ne f f e c to nt h eh a r d e di n d e x ( t h es u r f a c eh a r d n e s sa n dt h eh a r d e n e dd e p t h ) b e s i d e s ，ac o m b i n e de f f e c tf a c t o rp ( d v ) v a l u ei sp u tf o r w a r d ，a n dw es t u d yt h er u l e t h a tt h ec o m b i n e de f f e c tf a c t o rp ( d v ) v a l u eh a sa ne f f e c to nt h eh a r d e di n d e x ( t h e s u r f a c eh a r d n e s sa n dt h eh a r d e n e dd e p t h ) f i n a l l y , t a k i n g t h ea u t o m o b i l e e n g i n e b l o c kr e s t o r a t i o no fz h e n g z h o u m e c h a n i c a li n s t i t u t ef o ras p e c i f i ce x a m p l e ，t h ef r o n to fe x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l r e s e a r c hr e s u l t so ft h ea u t o m o b i l ec y l i n d e rl i n e ra r ea p p l i e dt ot h er e c o v e r ya n d r e s t o r a t i o no ft h ea u t o m o t i v ee n g i n eb l o c k k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ec y l i n d e rl i n e r ；l a s e rs u r f a c eh a r d e n i n g ；n e u r a ln e t w o r k ； p r e d i c t e dm o d e l ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t t y p eo f t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i l绪 仑1 1 1 引言1 1 2 激光加工技术简述2 1 2 1 激光加工技术的定义及其特点2 1 2 2 激光加工技术的应用领域2 1 3 课题研究的背景、意义3 1 4 课题研究的主要内容o o oo oo 4 2 激光表面硬化工艺技术5 2 1 激光表面硬化原理、特点和适用范围以及与其它几种表面淬火技术比较 一5 2 1 1 激光表面硬化基本原理5 2 1 2 激光表面硬化主要特点5 2 1 3 激光表面硬化适用范围6 2 1 4 激光表面硬化与其它几种表面淬火技术比较6 2 2 激光表面硬化工艺7 2 2 1 工件材料表面的预处理及吸光涂料的制备7 2 2 2 激光表面硬化工艺分类9 2 2 3 激光表面硬化工艺参数及相互关系9 2 3 激光表面硬化的基础工艺装备1 0 2 4 激光表面硬化的应用和研究现状1 2 2 5 本章小结1 3 3 激光表面硬化指标的预测模型”1 4 3 1 激光表面硬化试验1 4 i v 目录 3 1 1 试验方法1 4 3 1 1 1 试验设备h 1 4 3 1 1 2 试验材料与试样制备1 4 3 1 1 3 试样材料表面的预处理1 5 3 1 2 试验数据采集1 5 3 2 硬化层指标预测模型建立的意义1 7 3 3 基于b p 神经网络的激光表面硬化指标预测模型1 8 3 3 1 人工神经网络概述1 8 3 3 2b p 神经网络简介1 8 3 3 3 基于m a t l a b 的b p 神经网络的设计步骤2 0 3 3 3 1 b p 网络的初始化2 0 3 3 3 2b p 网络的创建2 l 3 3 3 3b p 网络的训练2 l 3 3 3 4b p 网络的仿真2 l 3 3 4 气缸套b p 神经网络预测模型的构建2 l 3 3 4 1 影响因子确定2 2 3 3 4 2 神经网络拓扑结构分析2 2 3 3 4 3 使用数据的标准化处理2 3 3 3 4 4 气缸套b p 神经网络模型的训练及检验2 4 3 4 基于m a t l a b 的人机交互界面的实现2 9 3 4 1m a t l a b 简介2 9 3 4 2 激光表面硬化指标预测系统的用户界面3 0 3 5b p 算法存在的不足及改进算法3 l 3 6 本章小结3 2 4 汽车h t l5 0 缸套激光表面硬化最佳工艺参数的研究3 3 4 1 基于正交表的试验数据方案的设计3 3 4 2 基于预测系统的试验数据的硬化指标预测结果3 4 4 3 基于正交分析的最佳激光表面硬化工艺参数的确定3 7 4 3 1 激光硬化层表面硬度的正交分析3 8 4 3 2 激光硬化层深度的正交分析3 9 4 3 3 小结”“4 0 v 目录 4 4 最佳工艺参数的硬化指标预测结果的试验验证4 1 4 5 本章小结4 1 5 激光工艺参数对硬化层指标影响规律的研究4 2 5 1 激光表面硬化指标4 2 5 2 激光工艺参数对表面硬度影响4 3 5 2 1 激光功率对表面硬度影响4 3 5 2 2 扫描速度对表面硬度影响4 5 5 2 3 光斑直径对表面硬度影响4 6 5 3 激光工艺参数对层深影响4 8 5 3 1 激光功率对层深影响4 8 5 3 2 扫描速度对层深影响5 0 5 3 3 光斑直径对层深影响5 2 5 4 综合影响因子p ( d v ) 值对表面硬度及层深的影响5 3 5 5 本章小结5 5 6 实例应用5 6 6 1 引言5 6 ， 6 2 技术要求5 6 6 3 缸套激光表面硬化网纹5 6 6 4 设备5 8 6 5 修复汽车发动机缸体所用缸套材料的表面预处理5 9 6 6 缸套的最佳激光表面硬化工艺参数的确定5 9 6 7 修复效果5 9 6 8 本章小结6 0 7 结论与展望6 l 7 1 结论”6 1 7 2 展望6 2 参考文献6 3 致谢6 5 v i 目录 个人简历在学期间发表的学术论文”6 6 v i i 1 绪论 1绪论 1 1引言 环境、资源、人口是当今人类社会面临的三大主要问题。2 0 世纪全球经济 高速发展，伴随的是自然资源的任意开发和环境的无偿利用，于是现在全球的生 态破坏、资源短缺、环境污染已是不争的事实。其中机电产品制造业是最大的资 源使用者，也是最大的环境污染源之一，据统计，造成全球环境污染7 0 以上的 排放物来自于制造业；再加上消费品大量普及，产品寿命周期缩短，废弃产品数 量急剧上升，1 9 9 6 年全球有2 4 0 0 万辆汽车报废，2 0 0 0 年全球有2 0 0 0 万台计算 机被淘汰【l 】。日益增长的废弃物也在威胁着人类的生存环境。 如何减轻环境污染，如何缓解资源短缺压力，善待生态环境，以及如何处理 直线上升的废弃物，使之能够重新使用，这些都是人类亟待解决的问题。 专家指出解决这些问题的根本之道是要最有效的利用资源、最低限度的产生 废弃物、把寿命终结的产品进行回收再制造【i 】。绿色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) 正是在这样的背景下提出来的。它是解决环境问题和资源问题的根本方法和措 施，是目前我国建立资源节约型和环境友好型社会，实施可持续发展战略和发展 循环经济的有效途径之一，也是现代企业突破绿色贸易技术壁垒获得竞争优势的 主要来源【z j 。 绿色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) ，又称环境意识制造或面向环境的制造，它 是指一种综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其宗旨是使产品在开发 设计一生产制造一包装一使用维修一报废后，以及回收处理的整个生命周期中， 对环境负面影响最小，资源与能源利用率最高，废弃物最少，综合效益最大，并 使企业经济效益与社会效益得到协调优化【3 】。它所涉及的领域有三个方面：制造 领域：包括产品生命周期全过程；环境领域；资源领域。而绿色制造就是这三大 领域内容下的交叉集成。它是2 1 世纪制造业发展的必然方向，目前，也在模具 设计与制造领域开展了绿色制造的研究，提出了基于绿色制造的模具设计与制造 【4 】 o 要实施绿色制造，就要进行绿色制造一些关键技术的研究。而作为绿色制造 关键技术之一的激光表面硬化技术，它能解决其它常规热处理无法解决的问题， 是传统热处理技术的延伸、扩展，可对一些重要的、形状复杂的零部件进行局部 的表面硬化，能提高工件硬度，增加耐磨性，降低摩擦系数，具有使工件变形小 或几乎无变形的独特优点【5 】。它不仅可对飞机、船舶、汽车用的发动机零部件、 机床机械构件等进行加工，还可作为解决模具磨耗的对策。 同时随着工业用大功率激光器及其辅助设备的实用化，作为绿色制造主要关 1 绪论 键技术之一和激光加工分支的激光表面硬化技术已经成为材料表面强化最有效 的手段之一；也是减少资源浪费和对环境污染、实施废旧机电产品回收、节能的 关键技术之一。因此，本课题进行激光表面硬化技术的研究。 1 2 激光加工技术简述 因激光具有高能量、高方向性与高单色性等诸多优点，从2 0 世纪6 0 年代初 出现以来，就受到科研界的高度重视。激光技术促进了众多领域的迅速发展，应 用范围日益广泛，特别在制造领域中的应用成果尤为显著。 1 2 1激光加工技术的定义及其特点 ( 1 ) 定义 所谓激光加工【】，就是指通过利用激光束和物质之间交互作用的特性，从 而使得物体性能或者形状引起改变的加工过程。这种技术较广泛地涉及到材料、 机、电、光和检测等诸多学科的知识。 激光加工能够适用的领域有切割、打孔、打标、焊接、表面处理、微雕等。 ( 2 ) 特点 激光具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性等4 大特点，因而，就给 激光加工带来如下其它加工方法所不具备的诸多优剧虬1 2 l ： ( 1 ) 它能够对多种金属、非金属进行加工，尤其是能够加工高硬度、高脆性 以及高熔点的材料； ( 2 ) 因为是非接触加工，且激光束的能量与移动速度都能调节，所以可达到 多种加工的目的； ( 3 ) 激光加工的工件热影响区小，工件热变形小，后续加工量小； ( 4 ) 激光加工过程中，无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件； ( 5 ) 生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好； 1 2 2 激光加工技术的应用领域 实质上，激光加工就是激光与材料间的交互作用，从激光加工的这个本质考 虑，激光加工可分为下面几种类型【1 3 15 】： ( 1 ) 激光表面硬化 激光表面硬化是指用高功率密度的激光束快速扫描工件，在其表面极薄一层 的区域内，温度以极快速度上升到奥氏体化温度，而工件基体温度基本保持不变。 当激光束移开时，由于热传导的作用，处于冷态的基体使其迅速冷却得到马氏体 2 1 绪论 组织，从而形成表面硬化层。它主要用于提高金属工件表面耐磨等性能。 ( 2 ) 激光切割 激光切割是指利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阈值的激 光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反 应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料 开始气化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切 缝处的熔渣，被一定的辅助气体吹除。它可用于特殊材料和各种金属零件的切割， 例如弹簧垫片、金属网板、镀锡铁板、圆形锯片、钢管、电木板、磷青铜、薄铝 合金、硅橡胶、石英玻璃、l m m 以下氧化铝陶瓷片等。 ( 3 ) 激光焊接 激光焊接是以激光作为能量的载体的一种高能密度焊接方法。具体地说，激 光焊接是将激光束直接照射到材料表面，通过激光与材料相互作用，使材料内部 熔化( 这与激光切割的蒸发不同) 实现焊接的。激光焊接可分为脉冲波激光焊接 和连续波激光焊接，激光焊接按其热力学机制又可分为激光深穿透焊接和激光热 传导焊接。激光焊接可实现的材料厚度最大已达8 0 m m ，最小为o 0 5 m m ，正朝 着高质量、低成本的方向发展。目前，德国、日本、瑞士和美国等国家在激光焊 接技术方面处于世界领先水平。激光焊接在压力膜片、精密仪表零件、心脏起搏 器、汽车零件、密封器件以及各种不允许变形和焊接污染的器件都经常使用，并 且应用领域正在向其他行业普及。 ( 4 ) 激光快速成型 激光快速成型技术是将激光加工技术和柔性制造技术及计算机数控技术相 结合而形成的一种新的激光加工类型，常用于模具行业。 ( 5 ) 激光打孔 目前，激光打孔技术在金刚石拉丝模、红宝石轴承、航空发动机制件、高压 水清洗喷嘴、飞机叶片等行业的生产中常使用。 1 3 课题研究的背景、意义 汽车发动机在长期使用后，就会出现动力不足、冒兰烟等现象，这些都表征 汽车发动机缸体磨损失效，如果换新机，不仅成本较高，而且使旧机闲置，造成 了资源浪费，环境污染等。为了实施绿色制造，本文提出了面向节能、回收的汽 车发动机缸体合理的修复工艺路线，该修复工艺不仅经济，比换新机可节约资金， 而且修复后汽车发动机使用寿命大大提高。 本课题以汽车发动机缸套的激光表面硬化为研究对象，具体针对汽车发动机 缸体修复，提出将激光表面硬化技术应用于汽车发动机缸体的回收、修复中，将 3 l绪论 前面的理论研究成果得以应用，并制定了合理的、面向节能和回收的修复工艺路 线，该修复路线具体为镗缸体一下缸套一镗缸套( 并留有珩磨余量) 一 激光表面硬化一珩磨，而本文作者要研究的是汽车缸套的激光表面硬化部分， 通过回收修复后，发动机的使用性能使用寿命达到甚至超过修复前，而且经济， 比换新机可节约资金，同时也为以后其它类似零部件的修复提供了借鉴。 本课题选取绿色制造关键技术之一的激光表面硬化技术进行研究，具有生 态、环境、资源三方面的意义，是符合发展循环经济和可持续发展的要求。 1 4 课题研究的主要内容 本文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 把作为人工智能之一的神经网络( a n n ) 技术应用于激光表面硬化指标 预测，以h t l 5 0 气缸套材料激光表面硬化得到的实验数据为基础，利用b p 神经 网络建立基于m a t l a b 人工神经网络工具箱中的b p 神经网络的激光表面硬化 指标预测模型，通过预测值与实验值的比较，验证预测模型的正确性； ( 2 ) 使用m a t l a b 软件编制了用于h t l5 0 气缸套激光表面硬化指标预测系 统的友好的用户操作界面，通过将已编写好的基于m a t l a b 的b p 神经网络的 激光表面硬化指标预测模型源代码程序作为后台算法，开发出了一个用于h t l 5 0 气缸套激光表面硬化指标预测系统； ( 3 ) 利用神经网络预测系统与正交试验方法相结合的途径来确定最佳工艺参 数，具体地就是为避免盲目随机选取试验数据和减少试验次数，先采用正交表来 安排试验方案，设计了多组工艺参数，然后利用已开发的激光表面硬化指标预测 系统对这些组数据中的每一组分别进行预测而得到了表面硬度和层深值，代替了 具体试验，最后对这些组数据和预测结果进行激光表面硬化的正交分析( 包括表 面硬度的正交分析和层深的正交分析) 而得到一组最佳工艺参数( p v d ) 值， 接着按这组最佳工艺参数( p ，v d ) 进行一组补充激光表面硬化实验，将实验得 到的层深与表面硬度值，与用预测系统得到的层深与表面硬度值进行比较来进一 步验证该预测系统的正确性； ( 4 ) 研究了激光工艺参数( 激光功率p 、扫描速度v 、光斑直径d ) 分别对硬 化层指标( 表面硬度、层深) 的影响规律：并提出了一个综合影响因子p ( d v ) 值，研究了该综合影响因子p ( d v ) 值对硬化层指标( 表面硬度、层深) 的影 响规律； ( 5 ) 最后，具体针对汽车发动机缸体修复，将前面汽车缸套激光表面硬化的 实验与理论研究成果应用于汽车发动机缸体的回收、修复中。 4 2 激光表面硬化工艺技术 2 激光表面硬化工艺技术 2 1 激光表面硬化原理、特点和适用范围以及与其它几种表面淬火 技术比较 2 1 1 激光表面硬化基本原理 激光表面硬化的原理【1 6 1 7 】就是以高能量( 1 0 4 1 0 5 w c m 2 ) 的激光束快速扫描 工件表面，激光辐射能被工件的表层材料吸收同时转化为热能，接着经热传导使 得被照射的合金或金属表面温度以极快的速度上升到高于相变点而低于熔化温 度( 升温速度可达1 0 5 1 0 6o c s ) ，进而经材料基体的自冷却作用使得被加热的表 层材料以超过马氏体相变临界冷却温度而快速冷却，最终实现工件的表面硬化， 它主要是用来处理铁基材料。由于激光表面硬化这一过程是在快速加热和快速冷 却下完成的，硬化之后，硬化层的晶粒位错密度极高、晶粒极细同时在其表层形 成压应力，所以能够延长工件的使用寿命，提高金属材料及零件的表面硬度、耐 磨性能、抗氧化和抗疲劳性能等。 2 1 2 激光表面硬化主要特点 与传统硬化处理工艺相比，激光表面硬化历史尽管很短，但从已取得的效果 来看，激光表面硬化是一种具有很多优点的表面硬化处理新工艺，总结起来如下 1 6 , 1 8 1 ： ( 1 ) 强化效果好。由于激光表面硬化的冷却速度远远超过一般硬化处理工艺， 材料的耐磨性和硬度可以同时获得提高，表面硬度一般比常规硬化处理工艺高 1 5 - 2 0 。对于铸铁经硬化后耐磨性可提高3 - 4 倍，钛合金经硬化后耐磨性 能够提高1 2 倍以上。 ( 2 ) 可以获得极细的硬化层组织。 ( 3 ) 被处理工件变形小。因为激光加热速度快，所以热影响区小，硬化时应 力以及变形非常小。通常硬化后工件基本上不需要再修整加工，就可以直接进行 装配。 ( 4 ) 适应性广泛且灵活。对于形状复杂的零件以及不能用常规方法进行硬化 处理的零件都能胜任，如具有沟槽的零件。同时，也可以根据需要在同一零件的 不同部位进行激光硬化处理。 ( 5 ) 对环境无污染。硬化处理过程中基本上不产生烟雾，由于是自冷却，不 需要油或水等淬火介质，所以不会出现普通淬火工艺中存在的环境污染问题。 5 2 激光表面硬化工艺技术 ( 6 ) i 艺周期短，生产效率高，成本低。整个工艺过程可以采用计算机进行 控制，自动化程度高，可纳入生产流水线。 2 1 3 激光表面硬化适用范围 激光表面硬化是快速表面局部处理的一种高新技术，它与常规处理方法和一 些其它表面处理方法相比较，既有独特优点，又有其不足与局限性。 能够进行激光表面硬化工艺处理的零件依据形状分类如下【1 1 , 1 2 1 ： ( 1 ) 圆环类零件。这类零件包括活油封座、塞环、进气门、汽缸涨圈、各类 轴承环等，主要以提高硬度和耐磨性为目的。 ( 2 ) 平面类零件。这类零件主要有叶片、刀片、板状零件以及各类导轨等， 主要以提高硬度、耐磨性、红硬性及抗疲劳性为目的。 ( 3 ) 轴类零件。这类零件主要有长杆导柱、各种轴类等，其处理部位主要在 其轴肩或轴面，以提高硬度与耐磨性为目的。 ( 4 ) 套筒类零件。这类零件主要有各类泵筒、气阀导管、发动机缸体或缸套 等。主要是提高内表面硬度与耐磨性。 ( 5 ) 异形类零件。这类零件品种较多，例如刀具、模具、齿轮、花键套、离 合器连接件等。 能够进行激光表面硬化工艺处理的工件依据材料分类主要有铸铁、碳钢、低 合金高强度钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高速钢等。 2 1 4 激光表面硬化与其它几种表面淬火技术比较 激光表面硬化与其它几种表面淬火技术比较【1 9 1 ，如下表2 1 所示 表2 - 1激光表面硬化与其它表面淬火技术比较 项目火焰淬火感应淬火激光淬火电子束 变形 0- 自冷淬硬 - 柔性 + 0 + 质量 + - - 表面氧化 + + - 几何形状复杂性 + - 初始投资 _ 小零件 + -t 大零件 - + 单件 - + 大批生产 - - 可调制性 + - 6 2 激光表面硬化工艺技术 一良，+ - 一中，差 2 2 激光表面硬化工艺 2 2 1工件材料表面的预处理及吸光涂料的制备 ( 1 ) - e 件材料表面的预处理 当激光和金属材料相互作用时，激光束能量，一部分被金属材料吸收掉，另 一部分被反射掉，而吸收掉的能量仅占激光束能量的1 0 1 5 ，大部分能量都被 反射掉。换言之，就是金属对光束的光谱反射因数高，因此，在进行激光表面硬 化时，如何更多地吸收激光是一个大课题。而所谓工件材料表面的“预处理”， 就是运用物理或化学的方法在金属表面上涂、镀或沉积一层对激光吸收率高的 涂、镀或沉积层，经过预处理后的金属，其表面对激光的吸收率就可提高到8 0 9 0 以上。工件材料表面预处理解决了激光的充分利用问题。 工件预处理之前，必须要清洗干净，以除去油渍、污垢与锈迹吹干后再用丙 酮擦净。预处理方法常见有如下几种。1 2 0 2 1 】【2 2 】 1 涂碳素墨汁法在欲处理的工件表面均匀地涂上碳素墨汁，要求涂层要 薄，吹干后使工件表面覆盖一层均匀的碳黑层。该法所用墨汁价格低廉，操作简 单，但是当碳素墨汁在光洁的工件材料表面涂敷时，待墨汁涂层干后会呈现黑色， 也会出现镜面状的光反射，进而影响对激光的吸收，且在激光扫描过程中受热时， 涂层沾附表面不牢，易呈小块状脱落，最终影响硬化效果。 2 n a o h 氧化法通过把已配好的n a o h 溶液加热至一定温度沸腾，再放入 少量铁粉，继续煮至一定时间，使其溶液中含有铁离子，然后把工件浸到溶液中 煮至一定时间，煮时温度要均匀并不时翻动工件，将其取出后在清水中冲洗干净， 吹干。经该法处理后的工件材料表面可得到黑色氧化薄膜( f e 3 0 4 ) ，当受热时工件 材料表面与膜的结合依然牢固，不会发生剥落，但是，该方法的加热温度较高， 处理时间较长，效率较低，并且该法在一定程度上改变了工件的尺寸和表面粗糙 度，且氧化膜较致密，具有一定的光泽，从而会影响了对激光能量的吸收。 3 磷化法将磷酸盐配成一定浓度的溶液，在一定温度下将工件置于其中浸 泡一定的时间后，在工件的表面就能生成一定厚度的磷化膜。在激光表面硬化过 程中，形成的磷化膜的目的是提高