（机械制造及其自动化专业论文）电接触强化机的设计及钢构件强化工艺的研究.pdf

东华大学学位论文黝懒 嶝y 2 1 删3 5 7 0 8 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：同够磊 日期：沙，年届月f 日 电接触强化机的设计及钢构件强化工艺的研究 摘要 电接触强化技术作为高能量密度表面处理的工艺方法之一，具有 工件表面升温快，热影响区小，热变形小等优势。但现有文献介绍的 电接触强化设备普遍存在设备通用性不强，自动化程度不高等缺陷， 而且电极布局也具有改进空间。所以本课题的目的旨在研发一套适用 于工业化要求的电接触强化设备，并运用新设备进一步优化电接触强 化工艺。 新研发的电接触强化设备以回转体类部件作为强化对象。由主轴 旋转装置、轴向移动装置、电源变压器、带有气缸的电极轮以及循环 冷却系统等部分组成。设备采用交流伺服电机、滚珠丝杠、直线导轨 等高精度机构，同时实现了高度自动化。 采用新设计的电接触强化设备对g c r l5 钢进行表面淬火实验， 通过金相照片分析，显微硬度测试等手段揭示了电接触淬火功率、工 件转速等工艺参数对淬火效果的影响。对于实验用试样，确定了最佳 的淬火工艺，淬火后试样性能指标包括：淬硬层平均硬度8 3 4 h v o 2 ， 淬硬层厚度达到了0 5 m m 。金相组织和硬度都与g c r l 5 常规淬火处 理相似。 对采用超音速火焰喷涂制备w c c o 耐磨涂层的4 0 c r n i m o 试样 进行电接触强化。通过涂层形貌观察确定了电接触强化能显著改善喷 涂层孔隙、空洞等缺陷，使喷涂层更加致密。涂层硬度因强化过程中 l 东华大学硕士学位论文 高温高压的影响由8 3 0 1 0 0 0 h v o 5 提高到1 3 0 0 h v o 5 左右。同时，金 相照片及显微硬度的变化显示基体发生了马氏体相变。 能谱分析证实了超音速火焰喷涂制备的涂层与基体间以机械结 合为主，基本不发生元素扩散。而经电接触强化后，涂层与基体问发 生相互扩散，并确定强化功率为扩散程度的主要因素。 电接触强除了具有较为优异的强化效果外，在整个强化过程中， 能做到绿色环保，不产生有毒元素或气体。同时，强化设备技术要求 不高，运行费用也相对较低。 关键词：电接触强化；表面淬火；超音速火焰喷涂；元素扩散 东华大学硕士学位论文 s t u d yo fs t r e n g t h e n i n gp r o c e s so ns t e e l w o r k p e i c eb a s e do nn e w d e s i g n e de l e c t r i c c o n t a c ts t r e n g t h e n i n ge q u i p m e n t a b s t r a c t a so n eo fh i g h e n e r g ys u r f a c eh e a tt r e a t m e n t ，e l e c t r i cc o n t a c ts t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g yo w n s r a p i dh e a t i n ga n dc o o l i n gr a t e ，s m a l lh e a ta f f e c t e dz o n e ，s m a l lh e a td i s t o r t i o na n do t h e ra d v a n t a g e s h o w e v e r , t h eg e n e r a l p u r p o s eo fe x i s t i n ge l e c t r i cc o n t a c ts t r e n g t h e n i n ge q u i p m e n ti sn o ts t r o n g a n dt h ed e g r e eo fa u t o m a t i o ni sl o w i na d d i t i o nt o ，t h el a y o u to ft h ee l e c t r o d ea l s oh a sr o o mt ob e i m p r o v e d t h e r e f o r e ，t h ep u r p o s eo ft h i sp r o j e c ti st od e v e l o pas e to fe l e c t r i cc o n t a c te q u i p m e n t f o ri n d u s t r i a lu s e t h en e w l yd e v e l o p e de q u i p m e n ti sm a i n l yu s e dt os t r e n g t h e nt h er e v o l v i n gp a r t s s p e c i f i c a l l y , t h ee q u i p m e n tc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gc o m p o n e n t s ：s p i n d l er e v o l v i n gd e v i c e ，a x i a lm o v e m e n t d e v i c e ，t r a n s f o r m e r s ，t w oe l e c t r o d ew h e e l sw i t ha i rc y l i n d e r , t h ec o n t r o ld e v i c ea n dc o o l i n g s y s t e m m o r e o v e r , a cs e r v om o t o r , b a l ls c r e w s ，l i n e a rg u i d e sa n do t h e rh i 曲一p r e c i s i o nb o d ya r e a p p l i e di nt h ee q u i p m e n ti no r d e rt oa c h i e v eh i g hp r e c i s i o na n dh i 曲a u t o m a t i o n t h es u r f a c eq u e n c h i n gt r e a t m e n to fg c r l5w a sc a r r i e do u to nt h en e w l yd e v e l o p e d e q u i p m e n t t h ee f f e c t so ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha sq u e n c h i n gp o w e ra n ds p e e do f w o r k p i e c ew e r er e v e a l e db ym e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s a n dm i c r o h a r d n e s st e s t i n g f o rt h e e x p e r i m e n t a ls a m p l e s ，t h eb e s tq u e n c h i n gp r o c e s sw a sd e t e r m i n e d s p e c i a l l y , b e i n gt r e a t e dw i t h s u c hp r o c e s s ，t h ea v e r a g eh a r d n e s so fh a r d e n e dl a y e rw a s8 3 4 h v 0 2 ，a n dt h et h i c k n e s so ft h e h a r d e n e dl a y e rw a sa b o u t0 5 m m f u r t h e r m o r e t h em i c r o s t r u c t u r ea n dh a r d n e s so fe x p e r i m e n t a l s a m p l e sw e r es i m i l a rw i t hg c r l5a f t e rc o n v e n t i o n a lq u e n c h i n g t h es t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g yw a sa l s oa p p l i e do nt h ew c c ow e a r - r e s i s t a n tc o a t i n gb y h v o e b e i n go b s e r v e db ys t e r e om i c r o s c o p e ，i tw a sf o u n dt h a tt h e r ew e r ep o r e sa n do t h e rd e f e c t s 东华大学硕士学位论文 i nt h ec o a t i n g a f t e re l e c t r i cc o n t a c ts t r e n g t h e n i n g ，t h ed e f e c t sw e r eo b v i o u s l yr e d u c e d ，a n dt h e h a r d n e s so fw c - c oc o a t i n gi n c r e a s e df r o m8 3 0 - 10 0 0 h v o 5t oa b o u t13 0 0 h v 05d u et oi m p a c to f h i g h t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed u r i n gt h et r e a t m e n t m e a n w h i l e t h em a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n o c c u r r e di nt h em a t r i x a c c o r d i n gt oe d sa n a l y s i s ，i tw s sc o n f i r m e dt h a tt h eb o n d i n gm o d eb e t w e e ns u b s t r a t ea n d c o a t i n gw a sm a i n l ym e c h a n i c a lb o n d b a s i c a l l y , t h ee l e m e n td i f f u s i o nd i dn o to c c h la f t e rt h e t r e a t m e n t ，t h ei n t e rd i f f u s i o no c c u r r e db e t w e e nt h ec o a t i n ga n dt h es u b s t r a t e a n dt h e s t r e n g t h e n i n gp o w e rw a st h em a i nf a c t o rt od e t e r m i n et h ee x t e n to fd i f f u s i o n i na d d i t i o nt ot h er e l a t i v e l yg o o dp e r f o r m a n c e ，t h ew h o l ep r o c e s si se n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y a n dd o e sn o tp r o d u c et o x i ce l e m e n t so rg a s a tt h es a m et i m e ，s u c he q u i p m e n tn e e d ss i m p l e t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa n dt h ec o s ti sl o w i naw o r d ，e l e c t r i cc o n t a c ts t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g yi s p r e t t ys u i t a b l ef o ri n d u s t r i a lu s e z h o uy i n c h u ( m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n di t sa u t o m a t i o n ) s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rg uw e i s h e n g ，z h us h i g e n k e yw o r d s ：e l e c t r i cc o n t a c ts t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g y ；s u r f a c eq u e n c h i n g ；h i g hv e l o c i t y o x y f u e ls p r a y i n g ( h v o f ) ；e l e m e n td i f f u s i o n 东华大学硕士学位论文 一一 目录 摘要1 a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 表面强化技术1 1 2 电接触表面强化概述1 1 。2 1 电接触堆焊2 1 2 2 电接触表面淬火4 1 3 本课题意义及内容6 第二章单边双电极电接触强化设备的设计8 2 1 总体结构设计8 2 2 主轴旋转装置9 2 2 1 主轴电机的选型9 2 2 2 主轴装夹系统的设计l o 2 3 轴向移动装置1 1 2 3 1 轴向进给丝杠的选型1 1 2 3 2 轴向进给电机的选型1 2 2 3 3 直线滚动导轨的选型1 3 2 4 电源变压器选型1 4 2 5 电极的布置及其气动回路15 2 5 1 电极轮的布置形式1 5 2 5 2 气动回路的设计1 6 2 6 冷却系统设计18 第三章单边双电极电接触表面淬火19 3 1 实验方法及检测手段1 9 3 1 1 试样的选定1 9 3 1 2 电接触表面淬火过程2 0 3 1 3 试样检测方法2 0 3 2 电接触表面淬火实验结果及分析2 1 3 2 1 淬火结果及组织的转变2 1 3 2 2 功率对淬火效果的影响2 3 3 2 3 试样线速度对淬火效果的影响2 5 3 3 本章小结及展望2 7 v 东华大学硕士学位论文 第四章电接触强化对热喷涂层性能的优化2 8 4 1 超音速火焰喷涂w c c o 涂层特点2 8 4 2 试样的喷涂处理2 8 4 2 。l 试样的选定2 8 4 2 2 超音速火焰喷涂w c c o 涂层工艺过程2 9 4 3 实验方法及检测手段31 4 4w c c o 涂层强化前后形貌分析及硬度变化3 2 4 5 基体强化前后组织分析及硬度变化3 3 4 6 涂层与基体成分分析3 6 4 6 1 强化前后涂层与基体成分检测结果3 7 4 6 2 各工艺参数对元素扩散的影响4 0 4 6 本章小结4 1 第五章结论4 2 参考文献4 3 攻读学位期间发表的学术论文4 6 致谢4 7 东华大学硕士学位论文 1 1 表面强化技术 第一章绪论 随着工业现代化的发展，人们对提高材料的性能，拓宽其功能，延长仪器设 备中零部件的使用寿命和提高经济性等提出了更高的要求。同时发现，一些在高 温、高压、高速，腐蚀等工况服役下的机械零部件，往往因为其表面局部损坏， 随后向内部扩散而导致零件失效【l 吲。针对这一现象，为了提高零部件的可靠性， 延长机械使用寿命，国内外专家都在提高零部件表面性能上做了大量研究，并于 2 0 世纪8 0 年代提出了表面工程的概念，其包含了表面工程理论、表面强化技术 及复合表面技术、表面加工技术、表面质量检测与控制、表面技术设计等一系列 学科，自成一个复杂的学科体系。其中，表面强化技术是表面工程的核心内容， 是决定硬化层的成分、组织结构、性能的关键技术【4 】。 表面强化技术原来分属于热处理和耐蚀防腐【2 j ，但随着一些基础学科的最新 技术被应用到表面工程，特别是2 0 世纪6 0 7 0 年代电子束、激光束、离子束技 术的实用化并进入物体表面加工技术领域，使表面强化技术实现了突破性的进展 p 】。这类高能量密度表面处理技术共有的特点是能量集中，加热速度快，工件热 影响区小，变形小，生产效率高等。其中，以激光技术应用最广，发展最快，即 可用于材料的切割、打孔、焊接等成型加工；在表面强化发面，又包括了激光淬 火、激光涂敷、激光熔凝、激光合金化等【1 “7 1 。 电接触表面强化同属于高能量密度表面处理技术，具有与上文叙述提及的三 束技术共有的特点。上世纪7 0 8 0 年代，自前苏联引进该技术，通过改进优化， 在我国得到一定的发展。近十年该技术却停滞不前，鲜有新工艺及设备改进的报 道。但由于电接触表面强化处理时，不会产生形成有害的金属元素或有毒气体， 环境亲和力强，对加工人员也更加安全，贴合当代倡导的绿色生产，所以值得投 入更多的科研力量去研究和探索。 1 2 电接触表面强化概述 两个导体接触面上具有特定的电阻叫做接触电阻，根据焦耳定律又可知，当 电流通过接触电阻时，便会产生热量，称之为电阻热。具体产生的热量由下式决 定： q = 1 2 r t 东华大学硕士学位论文 式中：q 电极间产生的热量，j ： 卜电流，a ： r 在极间电路部分的电阻，q ； 卜通过电流的作用时间，s 。 其中，总电阻r 又根据下式计算： r = r 6 + 2 r 曲+ r 。 ( 1 2 ) 式中：r r 金属零件本身的电阻，q ； r i r 电极和零件的接触电阻，q ； r 一零件和零件的接触电阻。 而接触电阻又与电极的压力、工件表面状态、以及加热温度有关。具体来说， 电极压力越大，电极与工件产生一定的塑性变形，接触面积增大，接触电阻就减 小；工件表面经过清洗，去除了油污、杂质等物质，接触电阻也会减小；而随着 温度的上升，接触电阻也会减小。 较为系统得介绍将电阻热应用到材料表面改性的文献有国防工业出版社于 1 9 8 6 年翻译的前苏联著作电接触强化【7 l 一书，其中把电接触加热应用到了两 个领域：1 ) 用于建立永久性街头，即焊接。当然，第一类应用主要适用于材料 成型，目前，除前苏联外，其他国家均称为电阻焊，虽然广泛应用于汽车、火车 车厢、船舶制造以及建筑业中，但严格来说，并不是一种表面强化手段；2 ) 在 零件表面上获得具有高的结合强度及高耐磨性的金属粉末涂层。 而除了以上两类应用，在上世纪7 0 8 0 年代，我国将电接触表面加热原理应 用于机械零件，特别是机床导轨的表面淬火工艺，拓展了以电阻热为热源的表面 强化手段。 1 2 1 电接触堆焊 根据金属粉末电接触加热可以达到熔化温度的事实，前苏联的a h 里亚古 佐夫于1 9 3 9 年首先提出了在零件表面上采用金属粉末溶解的方法，并以热触焊 来命名该类新工艺。其工序包括：在零件表面涂上粉末层，然后加热到保证粉末 材料烧结的温度，与零件形成牢固的扩散连接，以得到双层材料。通过对于工序 的理解，与现代的电弧堆焊或者等离子堆焊十分类似，只是能量形式的不同，所 以，我国也把该工艺译作电接触堆焊。 随着热触焊设备及工艺的完善，该强化方法大量出现在前苏联的相关文献 中。例如：采用硬质合金等耐磨性粉末，该方法可以被应用于建筑、筑路机械零 件的强化，也用于提高端面密封装置及石油设备的滑动轴承的使用寿命【7 j 。具体 应用如文献 8 】中莫斯科石油化学与天然气工业学院将电阻焊堆焊硬质合金耐磨 层的工艺应用来加强牙轮钻头滑动轴承。其原理如图1 1 所示：当电极1 加压的 东华大学硕士学位论文 同时，通入电流，具有较大电阻的粒状硬质合金熔化并加热轴颈。部分熔化的硬 质合金在压力p 的作用下，通过绝缘筒和轴颈之间的间隙流至圆柱表面并结晶， 而另一部分被留在轴颈的端面，同样形成耐磨涂层。用该种工艺取代之前普遍采 用的气焊( 氧一乙炔焰) 方法，克服了生产效率低，堆焊质量不高等缺陷，并且 可实现过程的全部自动化，堆焊用硬质合金的损耗由3 0 0 降为小于1 0 1 8 1 。 2 3 4 图1 - 1 用电接触堆焊方法堆焊钻头牙掌轴颈图 f i g 1 1s k e t c ho fe l e c t r i cw e l d i n gf o rd r i l lj o u r n a l 1 - 电极2 绝缘套筒3 钢筒4 钻头牙掌轴颈 5 堆焊次级回路粉状硬质合金6 粉状硬质合金 图1 2 添加焊丝电接触堆焊过程示意图 f i g 1 - 2s k e t c ho fe l e c t r i cw e l d i n gf o rs h a f tr e p a i r i n g 1 一添加焊丝2 一滚动电极3 堆焊工件4 焊接变压器( t p ) 二次回路 p - 滚动电极对工件的压力，工件自传的角速度 东华大学硕士学位论文 而把硬质合金等耐磨性粉末换成碳钢的粉末或焊丝，则电接触堆焊又可作为 一种机器精密零件极佳的修复方法，用于修复汽车曲轴等机械设备上的轴类零 件。该类工艺原理图大多与图1 2 所示相近：工件3 在做自身旋转时，不断添加 的焊丝1 被夹紧在滚动电极2 与工件之间，以形成焊接变压器次级回路的电路。 在二次回路中有大电路和低电压焊接电流脉冲通过时，焊丝的夹紧区段以及与其 接触的母体金属表面层被加热到焊接温度，因此形成局部堆焊金属【9 1 。 与埋弧堆焊、二氧化碳气体保护堆焊、气热堆焊等相比，电接触堆焊具有工 件受热和残余变形量小的特点，同时添加材料和电耗仅为其他堆焊方法的 1 2 - 1 4 ，并且在堆焊过程中不产生烟雾与辐射防川。修复后，焊层与基体金属的 结合强度与大多数情况下与基体强度相似，但在堆焊层表面会形成一定的残余拉 应力，并且冲击韧性及疲劳强度极限有所降低i l 。所以为了防止堆焊金属和基体 金属不产生热裂纹和冷裂纹，在电接触修复需要进行一些辅助处理。文献【1 1 】指 出，4 5 钢试样在堆焊后进行5 5 0 7 0 0 。c 温度下回火，堆焊时的热影响区内的马氏 体会相变形成塑性更高的组织，冲击韧性得到提高。并且，回火处理虽然降低了 硬度，但仍比正火的4 5 钢耐磨性高出5 0 。而在回火后再进行滚压强化，可在 堆焊层中和热影响区均获得压应力，使疲劳强度比未堆焊高出2 0 。 1 2 2 电接触表面淬火 相比较电接触堆焊，在国内应用更多的是利用电阻热的特性进行表面淬火。 其原理是：利用电极与想要强化的零部件表面接触，当加在电极上的低电压大电 流在接触瞬间产生接触电阻，接触点被加热到淬火温度后，依靠零件自身热传导 而迅速冷却，因此电极接触的零件表面即被淬硬。 上世纪7 0 年代初，国内一些电机厂、柴油机厂开始对铸铁材质的机床导轨 进行电接触淬火。起初，是在导轨表面涂上一层f e s 0 4 溶液作为渗流剂，再用碳 棒在导轨上手动连续画环运动。最后再用稀硫酸溶液清洗，并用细油石修磨。床 身导轨淬火后，一般可获得硬度高耐磨性能好的马氏体；质脆的莱氏体；较软而 又不耐磨的残余奥氏体等金相组织【1 3 1 。虽然凭借当时的技术条件无法确定是否 有硫或者硫化物渗入导轨，但从实践中看到经过电接触渗硫处理的铸铁导轨在遇 到严重失油，有时甚至是干摩擦的情况下仍然能够工作，并不会发生烧伤现象 1 2 1 。并且，采用f e s 0 4 作为淬火剂时，溶液能起到防止碳棒由于过热产生的打 火现象，使淬火能顺利进行。由于制备f e s 0 4 时产生的h 2 s 气体有毒，所以后 期有用普通机油代替f e s 0 4 作为淬火介质，同样获得了较高的淬火硬度，并且操 作更为简单，但仍旧采用的是手工操作【i 川。 7 0 年中期左右，为了克服手工操作效率低、淬火花纹不整齐等缺点，电接 触导轨的淬火变手工操作为机械化，碳棒也被替换为铜质滚轮，很多设备生产型 企业都自制成功自动淬火设备。这类机动的淬火设备在7 0 - 8 0 年代应用得较广 4 东华大学硕士学位论文 泛，有的做成小车式的淬火机，有的将淬火装置安装在导轨磨床或专用设备上。 当时的机床导轨多为铸铁材质，根据用作电极的铜质滚轮和导轨规格不同，淬火 工艺的主要参数基本控制在以下范围：铜滚轮速度：2 - 3 m m i n ；淬火电流： 4 0 0 7 5 0 a ；次级回路电流基本控制在5 v 以下，加载在电级上的压力也均在1 0 公斤以内。由于导轨表面不需要熔融，所以在电流及电极压力等参数设定上，电 接触表面淬火与电接触堆焊相差在一个数量级以上，十分节能环保。而采用如此 的工艺规范，便可获得深度在0 2 0 3 m m 左右的淬硬层，硬度相当于h r c 5 0 以 上，组织大部分是较细的马氏体，较少莱氏体和残余奥氏体。经电接触表面淬火 后，较之不淬火的导轨耐磨性提高1 2 倍，且导轨基本消除了擦伤现象，提高了 质量【l 7 l 。文献 1 4 】中还将机床导轨电接触表面淬火与高频表面淬火进行了消息 的比较，其各自的优缺点如表1 1 所示，相关技术人员可根据实际需要选择合适 的处理工艺。 表1 1 导轨电接触表面淬火与高频表面淬火对比 t a b 1 - 1c o m p a r i s o nb e t w e e ne l e c t r i cc o n t a c ts u r f a c eq u e n c h i n gw i t h m g h - f r e q u e n c ys u r f a c eq u e n c h i n g 费用 热处理淬火所淬硬层淬火后淬火后淬火后耐磨设备 设备工艺 名称需时间深度硬度加工的变形性维修 费用费用 电接触 长浅 高简 小低低低易 淬火 高频淬 短深低繁大高局高 难 火 除了在机床导轨上有大量应用外，电接触表面淬火在内燃机气缸的表面强化 方面也有不错的性能及经济性。例如广州柳州机械厂1 1 8 l 生产的汽车发动机缸体 采用h t 2 1 4 0 铸铁，经退火处理后，为了保证缸体质量，之前一直采用缸体镶 套的办法。但如此机械加工工作量增加，成本也相应提高。后改用电接触淬火， 工艺参数与导轨电接触淬火类似：次级电压约为1 - 2 v ，电流4 0 0 6 0 0 a ，淬火后 硬度达到h r c 6 0 以上。经4 5 0 回火后仍然在h r c 3 0 - 4 0 之间，说明电接触淬 火后组织稳定性较高，足以应付发动机工作的温升，能保持耐磨性。发动机装机 磨合阶段，经过2 5 0 小时台架试验，发现电接触淬火曾早期磨损是比较小的，而 后经1 5 0 0 0 公里道路试验，其耐磨性能较镶套的缸体更好，同时减少了大量的机 械加工工作量，降低了成本。苏北电机厂【1 9 】将汽缸套进行了高频淬火、低温氧 化、电接触加热自冷表面淬火等工艺，最后认为电接触热自冷淬火强化汽缸套工 作面提高耐磨性效果较佳，初步解决了汽套缸拉毛问题。通过进一步理论还指出， 采用电接触淬火汽缸的优越性体现在电接触淬火时局部均匀表面硬化，即软的基 东华大学硕士学位论文 体上分布有硬的质点，有形成早期磨合理想的润滑油膜，这对初期磨合是有利的， 且不易发生拉缸。一直到9 0 年代中期，虽然激光表面处理、高频淬火等已经发 展较为成熟，有应用在发动机缸壁进行技术处理，但这类方法工艺或技术复杂， 或设备昂贵，很难普及应用，所以吉林公交总公司仍采用电接触表面淬火来提高 发动机缸壁的表面硬度，并提出由于缸壁本身的导热条件极差，所以通过实验得 出采用常温水冷可以获得较为理想的硬度值【2 。 之前综述的电接触淬火都是应用铸铁件上，对于碳钢或者合金钢的淬火也是 可行的。文献 2 l 】在典型的用于制备各类冷、热切锯片的6 5 m n 钢上采用电接触 表面淬火。由于上文提及的导轨电接触淬火中，导轨的材质为铸铁，淬火电流需 要达到4 0 0 7 5 0 a ，而6 5 m n 钢的相变温度较低，所以淬火电流控制在2 0 0 4 0 0 a 即可，电流的增加会导致晶粒粗大，并会形成脆性过大的板条状马氏体。进行耐 磨性实验证明，相比较未经齿尖淬火的锯片，电接触淬火可使使用寿命提高3 0 倍。除了工具钢零件，采用z g 3 1 0 5 7 0 制备的圆环形零件、弹簧钢制备的轴类零 件都有采用电接触淬火来进行处理的报道，所以电接触淬火工艺对于材质和零件 形状通用性强。 相比较前苏联和国内对于电接触强化的广泛应用，欧美国家的学者对该项技 术少有涉及，研究多处于实验室探索阶段，但理论推导的完整性与实验的系统性 却为工程应用提供了很多理论的依据。如西澳大学及南洋理工学院对纯铝、碳钢 及铜材采用电接触加热进行表面硬化及沉积涂层的处理【2 2 j 。文献作者通过理论 推导及回路电势的降低的值两种方法推导出接触电阻的大小，并分析了其中的误 差，进而计算出材料产生相变或是熔融的电流大小。实验结果表明：3 0 0 a 的电 流可以使1 0 m m 厚纯铝表面发生再结晶，而同样的电流强度可以使5 m m 厚度的 2 0 钢板产生1 5 0 “m 的热影响区，最高硬度在5 0 0 h v 左右。第二项实验是采用锌 制的滚轮在试样上利用电接触加热沉积涂层，由于纯铝和锌的熔点更为接近，所 以很难在铝制试样上沉积材料锌。而在碳钢和铜表面，通过能谱分析( e d s ) ， 证实了沉积涂层与基体的合金化。 1 3 本课题意义及内容 通过对电接触强化技术的综述，证明该技术有着设备投资运行成本低，工艺 简单稳定，工件表面升温快，热影响区小，热变形小等特点，特别是强化过程中， 无污染，绿色环保。只是强化设备通用性不强，自动化程度不高。 基于以上原因，东华大学在前期的研究中，研发制备了通用于轴类零件的低 电压大电流电接触强化设备，并在该设备上做了相关的实验，取得了一定的科研 成果。进而又在此基础上改进制造了一台适用于较大回转零件的加工设备，强化 工艺也获得了成功。但这些设备仍旧处于实验室探索阶段，离工业化还有一定差 6 东华大学硕士学位论文 距，迫切需要把该技术推广到实际工业实际应用。而且原设备在电流回路及电极 轮设计等方面都存在优化改进空间。 综上所述，本课题的内容包括研发一套适用于工业化处理的电接触强化设 备，并进行电接触表面淬火及电接触强化硬质合金超音速喷涂层等相关实验，旨 在揭示电接触强化的工艺特性及验证强化设备的可行性。 7 东华大学硕士学位论文 第二章单边双电极电接触强化设备的设计 2 1 总体结构设计 电接触强化设备根据强化工艺及强化对象的差异分为不同的形式，如导轨电 接触淬火设备采用自动小车的形式，方便在机床导轨上作业；而用于修复机车轴 类零件的电接触堆焊设备则类似卧式车床的构造，便于回转体零件的装夹及转 动。 考虑到机床导轨淬火设备多为定制设备，通用性不强。而现代机床，特别是 精密仪器、高速数控机床，具有采用滚动直线导轨副作为承载部件来取代传统滑 动导轨的趋势【2 3 1 ，所以导轨电接触强化的前景并不明朗。而另一方面，轴类零 件是作为械中最常见的构件之一，也往往是设备中较容易磨损及损坏的部分，迫 切需要采取合适的工艺进行强化，所以本课题将回转体类部件作为强化对象。 图2 1 设备整体示意图 f i g 2 1s k e t c ho fo v e r a l ld e v i c e 1 伺服电机2 直线导轨3 电源4 气缸及电极轮 5 滚珠丝杠6 四爪卡盘7 一工件8 尾坐 8 东华大学硕士学位论文 根据强化对象外形尺寸特点，确定了本课题设计的电接触强化成套设备原理 如图2 1 所示，有以下几部分组成：主轴旋转装置、轴向移动装置、变压器、电 极轮及其气动回路、循环冷却系统等。旋转机构用于固定零件，使零件能按照设 定转速转动；轴向移动装置使变压器及电极轮能进行轴向移动；变压器及电极轮 则输出电接触强化所需的低电压大电流；由于变压器及电极轮在运作过程中会产 生大量热，所以要采用通循环水使设备冷却。 2 2 主轴旋转装置 主轴旋转装置的作用是带动回转体类的工件进行匀速转动。该装置有主轴电 机及零件夹持机构组成。电机提供转动的动力，夹持机构用于定位工件。 具体设计要求为：工件最大直径1 2 0 0 m m ，最大重量为1 0 t ，转速范围为 0 0 6 3 r m i n ，并且要求速度无级可调。根据技术要求，主轴旋转装置具体设计如 下： 2 2 1 主轴电机的选型 根据本课题提出的技术要求，对于设备主轴的设计需要能满足低转速大转矩 的要求，并能够承受频繁启动、制动和正、反转，采用交流伺服电机便可满足上 述要求【2 4 1 ，而且交流伺服驱动系统为半闭环控制，控制精度更高。 在具体选型时，根据负载来确定电机的最大扭矩。在技术要求中，工件最大 直径0 1 2 0 0 m m ，最大重量为1 0 t ，把工件抽象成圆柱体，则其转动惯量为： 11 ，= 去聊，2 = 去1 0 0 0 0 0 6 2 = 1 8 0 0 k g m 2 ( 2 1 ) z二 式中：j 圆柱体的转动惯量，k g r n 2 ； m 圆柱体的质量，埏 卜- 圆柱体的半径，m 。 根据经验公式，在大负载低转速下，电机由启动至额定转速的时间通常为 3 5 秒，取中间值为4 秒，最高转速为3 r m i n ，由于伺服电机运转中具有恒定扭 矩的特性，所以是匀加速，具体来说，角加速度及启动转矩分别为： d ：竖竺：4 7 1 r a d s 2( 2 2 ) 4 m = 邛= 1 8 0 0 x4 7 1 = 8 4 7 8 n m( 2 3 ) 式中：卜角加速度，r a d m 2 ； m 所需转矩，n m ； 所以得出要启动1 0 t 工件所需要的转矩为8 4 7 8 n m 。参看台湾产某品牌中 高惯量伺服电机的额定转速一般在3 0 0 0 d m i n ，所以要使用减速器进行减速并增 大扭矩，减速比i = 3 0 0 0 3 = 1 0 0 0 ，由于减速比大，选定双级摆线针轮减速器，其 东华大学硕士学位论文 传动效率1 1 = 0 8 5 ，故电机所需启动转矩为： 丁：丝：! 兰z ! ：9 9 7 n 所叫1 i r l 1 0 0 0 0 8 5 式中：卜电机所需扭矩，n m ； i 减速器减速比，根据选定结果i = 1 0 0 0 ； ”减速器传动效率。 根据计算得出的转矩，以台湾产某品牌伺服电机技术参数为例，选择功率为 1 5 k w 的交流伺服电机系统，主要参数包括了额定转速n = 3 0 0 0 f f m i n ，额定扭矩 为7 1 6 n m ，最大扭矩为2 1 4 8 n m 。 所需启动扭矩根据计算为t = 9 9 7 n m ，虽然额定扭矩比所需启动扭矩稍小， 但进入匀速转动阶段后，维持工件转动所需要扭矩会比起动时小得多，所以选型 基本满足设计要求。整个伺服系统还包括了伺服驱动器，上位控制器，编码器等， 主要用于控制电机的运作。 2 2 2 主轴装夹系统的设计 考虑到工件最大重量较重，且很多零部件的夹持端并不是规则的圆形，所以 主轴装夹系统选用四爪单动卡盘的构造，其具有夹紧力大，装夹工件牢固可靠等 优点。并且每个卡爪后面都有内螺纹跟螺杆啮合，当转动螺杆时，跟它啮合的卡 爪就能单独移动，可装夹三爪自定心卡盘无法装夹的工件，如非圆柱体、四方型 等。 但四爪单动卡盘每装夹一次工件，都要进行工件的找正，即使工件的中心与 设备主轴的旋转中心取得一致，十分不便。故在进行小型轴类工件处理时，可以 采用四爪卡盘夹持三爪卡盘的方法( 如图2 2 ) ，方便频繁更换工件，两个卡盘之 间放置特殊的橡胶材料，可以起到防止打滑的作用。 图2 - 2 主轴卡盘 f i g 2 2s p i n d l ec h u c k 东华大学硕士学位论文 一r _ 一 2 3 轴向移动装置 轴向移动装置的作用是保证工件除了自身旋转外，电极还要相对工件有一个 轴向的进给。这样便可形成螺旋状的强化轨迹，覆盖整个工件工作面。整个轴向 移动装置包括了提供动力的电机；把旋转运动转化为直线运动的传动部件；以及 支撑电源变压器、电极、气动回路的引导部件三部分组成。 具体设计要求为：预设电源变压器、电极、气动回路总重量为7 0 0 - 8 0 0 k g ， 轴向移动速率为o 5 10 0 0 m m m i n ，速度无级可调。 2 3 1 轴向进给丝杠的选型 为了实现一个直线传动，可以解决的方案很多，如液压气动方式、齿轮齿条 传动、链传动等。但由于本设备轴向移动的速度及位移量精度要求高，对于传动 系统的整体刚度也有一定要求，所以采用滚珠丝杠+ 伺服电机的传动方案。由于 滚动丝杠的运行原理是滚珠沿螺旋滚道滚动，带动螺母或丝杠轴向移动，将原先 传动中使用的t 形丝杠的螺纹磨擦变为滚动磨擦，因为降低了摩擦阻力，消除 了局部爬行现象，从而提高了传动精度与传动机械效率f 2 9 。3 1 】。加上伺服电机的半 闭环控制，整体上保证了控制精度。 丝杠的选型主要是根据负载及转动时间来确定，具体到本设备中，丝杠负责 轴向移动电接触强化电源变压器，电极轮以及包括气缸在内的整个气动回路。加 上一些移动平台的附件，整个系统重约7 0 0 - 8 0 0 k g ，同时取综合磨擦系数o 1 。 由于没有切削力等其他负载，所以丝杠所承受的轴向负载f a 即摩擦力为： f o = 1 t m g = 0 1 8 0 0 1 0 = 8 0 0 n( 2 5 ) 式中：f r 丝杠承受的轴向载荷，n ； i l 负载与导轨综合摩擦系数； 瑚电源变压器、电极轮以及气缸回路总质量，起，取m = 8 0 0 k g ； 卜重力加速度，r n s 2 ，取g = 1 0 m s 2 。 而根据轴向载荷，和期望的使用寿命，就可以计算出滚珠丝杠需要具有的额 定动额定负载c 。，进而可以基本选定滚动丝杠的规格。其中，使用寿命过长过 短都不适合，会造成不经济的结果。本课题强化设备属于一般的工作机械，期望 其使用寿命为2 0 0 0 0 小时。具体计算公式如下： r l = ( 菩 ) 3 1 0 6( 2 - 6 ) 三：土 6 0 n 式中：l 额定疲劳寿命，r ； ( 2 7 ) 东华大学硕士学位论文 i 广寿命时间，h ； c 一额定动载荷，n ，可以通过滚动丝杠生产厂商提供的参数值中进行 查询； f 广轴向载荷，n ； n 丝杠转速，r m i n ，按一般伺服电机3 0 0 0 r m i n 来计算； l r 丝杠导程，r n l r l ； f w 4 转条件系数；无冲击平稳运转时1 0 1 2 ，一般运转条件1 2 - 1 5 ， 有冲击振动1 5 3 0 。设备强化处理时基本无冲击，取f