（机械设计及理论专业论文）激光相变硬化应用软件的开发.pdf

摘要 激光相变硬化技术在工业中发挥着越来越重要的作用。近年来，激光 相变硬化技术得到快速发展，但在生产中仍存在许多需要解决的问题。 激光相变硬化加工工艺数据在生产实际中有重要的意义。采用何种工 艺、使用什么工艺参数将直接影响到加工的质量。本文利用关系型数据库 理论及a d o 技术建立了激光相变硬化数据库系统。该系统提供相关的零件、 材料、工艺等方面的信息，在生产中有一定借鉴作用，也为后续研究提供 了数据查询参考的依据。 本文在激光相变硬化数据库基础上，根据零件几何参数不同，开发了 相变硬化自动编程模块，利用数据库提供的数据，完成零件激光加工程序 的自动编程，从而大大缩短了编程时间，提高了工作效率。由于齿轮激光 相变硬化工艺已经比较成熟，本文以其为重点详细说明了齿轮激光相变硬 化自动编程的实现。 激光相变硬化层分布的均匀性是生产和研究中追求的目标之一。目前 普遍采用的激光光斑形状，易形成中间厚、两边薄的月牙形硬化层，影响 了相变硬化效果和质量。本文在理论推导的基础上提出用曲边矩形光斑扫 描工件的方法。通过模拟其三维温度场分布，可知其硬化层分布较普通光 斑扫描得到的硬化层分布更加均匀。 关键词：激光相变硬化，工艺参数，关系数据库，自动编程 a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fl a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n gp l a y st h em o r ea n dm o r e v i t a lr o l ei nt h ei n d u s t r y i nr e c e n ty e a r s i td e v e l o p sv e r yf a s t 。w h i l et h e r ei ss t i l l s o m ep r o b l e m sw h i c hn e e dt ob es o l v e d t h ep r o c e s s i n gd a t ao fl a s e rh a r d e n i n gi sv e r yi m p o r t a n tt ot h em a n u f a c t u r e u s i n gw h a tk i n do fp r o c e s sa n dp a r a m e t e rw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t yo ft h e l a s e rh a r d e n i n g b a s e do nt h et h e o r yo fr e l a t i o nd a t a b a s ea n dt e c h n i q u eo fa d o t h ea u t h o rh a sb u i l tar e l a t i o nd a t a b a s es y s t e mt ol a s e rh a r d e n i n g t h es y s t e m p r o v i d e si n f o r m a t i o no nm a t e r i a l s p ar t s 。p r o c e s s i n ga n ds oo n 。w h i c hg i v e su sa r e f e r e n c at om a n u f a c t u r ea n df u r t h e rr e s e a r c hw o r k a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n c eo fg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s t h ea u t h o rh a s d e v e l o p e da na u t o p r o g r a m m i n gm o d u l eo nt h eb a s i so ft h ed a t a b a s e u t i l i z i n g t h ed a t a b a s e ，i tc a np r o d u c et h el a s e rh a r d e n i n gp r o g r a ma u t o m a t i c a l l y ，t h u st h e p r o d u c t i v i t yc a nb ei n c r e a s e dg r e a t l y 。a n dt h et i m eu s e do np r o g r a m m i n gc a n a l s ob es h o r t e n e dg r e a t l y t h ep r o c e s s i n go fg e a rl a s e rh a r d e n i n gh a sb e e n d e v e l o p e dv e r yw e l l 。s ot h et h e s i sp u t st h ee m p h a s e so nt h er e a l i z a t i o no f a u t o p r o g r a m m i n go fg e a rl a s e rh a r d e n i n g i ti s i m p o r t a n tt oo b t a i nau n i f o r mh a r d e n e dc a s ei no u rr e s e a r c ha n d m a n u f a c t u r e h o w e v e rt h ec o m m o n l yu s e dr e c t a n g u l a rb e a mw i l le a s i l yf o r m s u n e v e nh a r d e n e dc a s e w h i c hi st h i no nt h es i d ea n dt h i c ko nt h em i d d l e t h i sw i l i a f f e c tt h eq u a l i t yo fl a s e rh a r d e n i n g t h et e c h n i q u eo fu s i n gc u r v e dr e c t a n g u l a r b e a mi nl a s e rh a r d e n i n gi sp u tf o r w a r di nt e r m so ft h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n ，i ti s p r o v e dt h a t ，t h eh a r d e n e dc a s ep r o d u c e db yt h i sk i n do fb e a mi sm o r eu n i f o r m t h a nt h a tp r o d u c e db yr e c t a n g u l a rb e a m k e y w o r d s ：l a s e rt r a n s f o r m a t i o nh a r d e n i n g ，p r o c e s s i n gp a r a m e t e r d a t a b a s e a u t o p r o g r a m 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：! j 薹日期：鲨丝! ：型 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。保密的论文在解 密后遵守此规定。 作者签名：! i 荔导师签名： 1 1 激光加工技术综述 第1 章前言 激光加工技术是通过激光束与物质相互作用以实现对材料( 包括金属 与非金属) 进行切割、焊接、打孔、表面处理及微加工等目的的一种先进 制造技术，它涉及到光、机、电、材料及检测控制等多门学科。 激光加工对传统工业的改造发挥着越来越显著的作用，目前它已广泛 应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门， 对提高产品质量、劳动生产率、自动化水平、无污染程度，减少材料消耗 等都起到重要作用。 作为2 0 世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的 支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视，激 光产业必将成为二十一世纪世界工业的骨干产业。 1 i 1 激光加工的分类 随着激光加工技术的快速发展，其应用越来越广，加工形式多种多样， 就其本质来讲，激光加工实质上是激光与材料的相互作用，从这个角度出 发，激光加工可分为以下几种类型： ( 1 ) 激光热处理 激光热处理包括：激光相变硬化( 激光改性) 、激光涂覆等。 激光热处理中应用较早的是激光相变硬化，它是快速表面局部淬火工 艺的高新技术，用于强化零件的表面，提高其表面硬度、耐磨性、耐腐蚀 性、强度及高温性能。 激光涂覆是应用高能密度的激光束产生的快速熔凝过程，在基材表面 形成与基材相互熔合的、具有完全不同成分与性能的合金覆层。 ( 2 ) 激光材料去除 目前生产中常用的激光材料去除过程有激光打孔、激光切割等技术。 激光打孔是最早在生产中应用的激光加工技术。对于高硬度高熔点材 料，例如在高熔点金属钼板上加工微米级直径的孔等，利用常规机械加工 很困难甚至不可能实现，而用激光打孔则不难实现。 激光切割的切缝小、工件变形小、无毛刺、无皱折、精度高、优于等 离子切割，是一种高能量密度可控性好的无接触加工。 ( 3 ) 激光材料连接 激光材料连接有激光焊接和激光烧结。 激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，2 0 世纪7 0 年代 主要用于焊接薄壁材料和微小型零件的精密焊接，属于热传导型。后来， 出现了利用连续波二氧化碳激光器的深熔焊，在机械、汽车和钢铁等工业 部门得到日益广泛的应用。 激光烧结是应用激光将粉末原料烧结成形的技术。它具有原材料选择 广泛、多余材料易于清理、应用范围广等特点，适用于原型及功能零件的 制造。 ( 4 ) 激光原型制造 激光快速原型制造技术是激光加工技术引发的一种新型制造技术，包 括光敏树脂法、叠层法、弯曲成型法和离散堆积法等。 ( 5 ) 其他激光加工 激光加工在其他领域中的应用有激光超精细加工、激光微型机械加工、 激光法制备纳米粉材料、激光非晶化等。 1 i 2 激光加工的特点 激光加工是一种无接触加工，加工速度快，无噪声，激光的聚焦和照 射位置都比较容易控制，因此激光加工具有高效、优质、清洁、灵活、加 工范围广、经济效益好、易于进行自动化控制、实现柔性加工和智能加工 等无可争议的优势。与传统加工相比激光加工有很多特点： ( 1 ) 激光加工时，激光束只照射到工件表面的局部区域，由于工件与 激光束之间的相对移动速度快，工件表面局部区域只是瞬时吸收很大热量， 产生很高温升，该局部区域相对整个工件表面是很小的，因此热影响区小， 工件基本无变形，加工精度高。激光加工常可以省去后续加工，从而大大 节省了时间和费用。 ( 2 ) 加工适应性强，几乎对所有的材料都能加工，包括某些传统方法 无法加工的各种高强度、高硬度、高熔点的材料，脆性和软性等特殊材料， 因此激光加工广泛应用于汽车、电子电器、航空航天、冶金、机械制造等 行业。 ( 3 ) 由于激光加工过程中激光束与工件表面不直接接触，不会产生工 件间的摩擦，无切削阻力，加工速度快，因而生产效率高，同时无噪声无 污染，有利于环保。 ( 4 ) 激光加工灵活性高。激光束可以在大气中传播，能量损失极小， 容易实现远程操作，而且其导向和聚焦性能好，可根据不同的加工要求， 得到不同的光斑尺寸和功率密度，还可借助分光镜等光学系统，实现一机 多工位同时加工或分时异地加工。 ( 5 ) 激光加工没有反冲力，工件安装机构大大简化，容易实现复杂形 状零件的加工及加工的自动化。 1 1 3 激光加工技术的发展 目前激光加工在各个应用领域都得到迅速发展。例如激光切割方面， 近年薄金属板的二维和三维激光切割，包括空间曲线的切割技术已获得应 用：非金属的激光切割已有一定发展：新的激光切割技术如水冷激光切割、 高功率c o 。激光切割等不断出现，这些新技术有些已应用于工业生产，有 些则具有良好的应用前景。激光焊接在汽车工业中应用广泛，如车身部件 及组装采用激光焊接，逐步取代了传统的电阻点焊；激光焊接在电子工业 中也得到应用，采用y a g 激光焊接显像管电子枪已用于生产；另外，激光 焊接集成电路引线、继电器、微机键盘字键等均已获得成功“6 。 与激光加工设备有关的技术将集中于进一步改善光束质量、减小设备 体积、提高转换效率和降低销售价格上。 1 2 激光相变硬化技术研究动态 激光相变硬化是利用激光对钢铁等金属材料辐射，使材料的表面部分 以很高的速度被加热，随后靠材料自身的快速导热又以很快的速度冷却， 这种快速加热和快速冷却的特点使加热区的组织结构发生变化，从而呈现 很多特殊的性能。相变硬化领域的研究在各个方面得到开展，包括用于提 高激光吸收能力的光热转换材料、激光工艺优化、激光照射材料后在其内 部形成的温度场分布、照射后形成的组织结构以及激光相变硬化数据库和 自动编程等方面。 ( 1 ) 光热转换材料的研究 激光表面处理过程是一个激光与涂层及基体材料相互快速作用的复杂 过程，当激光参数与基体的条件一定时，选择适当的涂层材料是非常重要 的。一般来说，需激光相变硬化的金属材料表面都经过机械加工，表面粗 糙度很小，对激光的反射率可达8 0 9 0 ，因此通常采用对激光有较高 吸收能力的涂料进行预处理。近年来上海工程技术大学以光热转换材料 的光谱发射率及激光相变硬化区面积为依据，研制成以金属氧化物为主的 混合氧化物的新型光热转换材料。该材料对c 0 ：激光的吸收率达9 0 以上， 具有工艺性能良好、干燥快、无刺激性气味和激光处理过程中无反喷等优 点，有较好推广应用价值。华中理工大学”1 比较了国内有些单位采用的两 种光热转换材料醋化膜与s i 0 。胶体涂料，认为s i 0 。涂层在光热转换效 率、得到的硬化层质量等方面优于磷化膜。 从目前来看，激光相变硬化的工业应用离不开采用适宜的光热转换材 料。如何保证大批量工业应用过程中光热转换材料的稳定性、均匀性及可 检测性并进一步降低生产成本，还需做进一步工作。 ( 2 ) 激光相变硬化工艺优化的研究 对工艺优化的研究主要从综合的最优加工效果考虑，确定合理的加工 工艺参数，并通过实验等手段验证，从而为以后的加工积累数据以及经验。 天津工业大学李会山等。1 建立了激光相变硬化温度场、相变硬化带模型， 对其进行了数学处理，得出可利用计算机仿真的表达式。并根据材料的特 性及技术要求，实现激光器工艺参数的计算机辅助优化，为使用者提供了用 虚拟现实方法分析和研究激光相变硬化工艺的工具。r c r e e d 等用不同样 块对光斑模式、光斑尺寸以及样块成分等对激光相变硬化的影响做了研究， 发现用均布光源比用高斯热源照射得到的硬化区更宽，深度更大，另外含 锰和含钙的样块会得到更宽的硬化带“。北京航空航天大学1 通过热传感 器一热电偶来测量激光在材料表面扫描时，表面温度的变化过程，借助于 柔性检测系统实时采集数据，绘制出强化过程中温度的变化曲线，结果用 于数值模拟的验证。通过强化过程的数值模拟，对强化过程及主要影响因 素的变化规律进行了系统的研究，为建立激光加工工艺参数与强化效果之 间关系奠定了基础，并为今后激光加工工艺参数提供了数据。 4 ( 3 ) 激光相变硬化温度场分布规律及智能控制的研究 为了实现激光相变硬化工艺的计算机控制，早日达到实际应用，研究 人员正努力解决两个问题：快速计算，减少计算与实际间的误差。昆 明理工大学“”对稳态温度场的计算公式进行快速傅里叶( f o u r i e r ) 变换， 可以迅速对温度场求解，在求解过程中已不必进行关于时间的积分运算， 使计算速度显著增加，与同精度的有限元或有限差分等纯数值计算相比， 计算速度快两个数量级以上。s m r a j a d h y a k s h a 等提出了一种使热流固定 而使物体运动用以求解欧拉公式的方法，当速度和热流分布恒定时，用这 种方法使得欧拉公式变成稳态方程，大大提高了计算效率“。关于激光照 射表面的三维温度场分布，国内外还有很多这方面的研究，主要都集中在 数学模型的建立以及如何快速求解方程等方面“”“”3 。 激光过程控制的自动化是各国学者追求的目标，它发展的主要目标是 控制系统的智能化。由于激光具有独特的性质，当激光传输到目标时，不 会对目标产生各种干扰，除了电磁辐射外，没有电场、磁场和应力。这为 智能控制提供了前提条件。另外，通过采用非稳态瞬时热源法，导出的激 光相变硬化对零件内部热循环过程及快速估算硬化层深度的近似公式，能 够为实现计算机智能控制及实际应用提供方法依据。 在激光作用下材料吸收激光能量的过程和随后向内部传递热能的过程 应该遵守热力学的基本定律，但它明显地有着自身的特殊性，加热过程速 度极快、温度梯度大、激光光斑的功率密度分布不均匀而且随时间还会发 生变化；激光作用又有连续和脉冲两种方式，在激光作用过程中材料对激 光的吸收率以及一些热力学参数随温度变化而变化等。当然不可忽视的是： 在激光作用下不同材料本身的组织、结构、成分及其在热作用过程中的变 化规律差别很大。因此，激光与材料的相互作用过程是一个非常复杂的问 题。许多计算方法及其得出的公式都是在限定条件的情况下提出的，若所 作的假设与实际情况相差甚远，则基本上对实际热处理工艺的制定没有直 接的指导作用。近期的一些研究在这方面已作了很大的努力，试图接近实 际，但要实现激光相变硬化的计算机控制还有一段距离。 ( 4 ) 强化机理和组织的研究 在激光相变硬化中，通过调整和改变激光能量密度、扫描速度等参数， 改变材料表面组织结构，达到较为理想的耐磨表面，是研究者的研究目标。 山东工业大学”对w 1 8 c r 4 v 高速钢经激光相变硬化后的强化机理和组 织性能作了详细的研究，结果表明激光相变硬化后组织更加细化，相比常 规淬火激光相变硬化层硬度高、耐磨性好。上海工程技术大学”研究了硼 铸铁的激光热处理，结果表明：硼铸铁经激光处理后，磨损值降低4 5 7 。 激光热处理提高硼铸铁耐磨性的原因是，激光相变硬化层的高硬度及合理 的硬度梯度以及局部熔化区对石墨片割裂的封闭。 ( 5 ) 激光相变硬化参数数据库及自动编程系统 近年来，国内外对于激光相变硬化应用软件的开发成为激光应用的一 个重要发展方向：如j c i o n 等开发的激光相变硬化程序系统”，它包括 图形用户界面、数据库、仿真模块等，使用该系统能减少实验次数，提高 效率。另外，对专业数据库系统的开发与研究将为用户提供全面的数据服 务：例如张小川等开发的激光加工数据库查询系统，该系统采用 p o w e r b u i l d e r7 0 和s q ls e r v e r7 0 设计，内容包括激光焊接、激光切 割和激光表面改性等工艺参数的数据查询”“，能够实现对各种激光加工方 法的基本理论和常用材料的激光加工工艺参数进行查询和输出。自动编程 系统开发方面如面向激光加工的数控自动编程系统”2 1 利用a u t o c a d 的d x f 文件获取图形几何信息，生成激光加工轨迹，输出并校验数控代码，并可以 进行加工轨迹的仿真。 1 3 激光相变硬化应用软件开发的目的和意义 如上所述，激光相变硬化技术在各个方面均取得一定进展，但仍然存 在一些需要解决的问题。在进行激光相变硬化时，对没有预编程系统的激 光加工机，加工程序必须在控制台上完全靠手工输入，出错的几率较大， 有时可能会由于工艺复杂或零件形状复杂而无法编出程序，而自动编程使 一些计算繁琐、手工编程困难或无法编出的程序得以实现。同时对于同一 类型、同一系列的零件，所用程序可能主体结构相同，只是加工工艺数据 上存在差异，这样的程序如果之前没有存储，则仍然需要重复输入，造成 了时间和人力的浪费。 另外，随着激光相变硬化应用规模的扩大，产生了大量的数据资料， 如何有效地管理这些数据，使之便于查询和参考，以节省科研人员和生产 技术人员的时间，也是一个需要解决的问题。 因此，研究开发实用的激光热处理应用软件具有十分重要的现实意义， 它能够缩短准备周期，减少误差，将研究、生产人员从重复的劳动中解脱 出来，提高加工效率，保证加工质量，同时有利于技术信息的管理。 1 4 课题来源及本文主要工作 本课题来自上海市高等学校科学技术发展基金项目计算机辅助激光 相变硬化预测与控制及其应用软件的开发，该项目的主要研究内容是： 开展激光相变温度场与相变硬化优化控制的研究，开发适用于激光相变硬 化预测与控制的计算机应用软件。 该软件具有的功能有：( 1 ) 对于常用金属材料，建立激光相变硬化处 理数据库，避免大量的重复试验，保证加工质量的稳定性和可靠性；( 2 ) 根据给定的层深要求，能自动确定最佳的激光扫描参数，获得理想的硬化 效果；( 3 ) 根据给定的扫描参数，能迅速、准确地计算硬化层相关参数， 模拟显示硬化层分布；( 4 ) 对不同形状的零件实现自动编程。 本文的主要工作是： ( 1 ) 研究激光光斑形状对加工质量的影响： ( 2 ) 选择合适的软件开发平台； ( 3 ) 完成该系统软件总体框架设计； ( 4 ) 完成数据库系统的架构，对加工数据进行有效的管理； ( 5 ) 以齿轮为例，实现成熟加工工艺的自动编程。 第2 章激光相变硬化 2 1 激光相变硬化原理、特点及适用范围 2 1 1 激光相变硬化原理 激光相变硬化是以高能量( 1 0 3 1 0 5 w c m 2 ) 的激光束快速扫描工件， 使被照射的金属或合金表面温度以极快的速度升到高于相变点而低于熔化 温度。当激光束离开被照射部位时，由于热传导的作用，处于冷态的基体 使其迅速冷却而进行自冷淬火( 冷却速度可达1 04 s ) ，进而实现工件的 表面相变硬化。这一过程是在快速加热和快速冷却下完成的，所以得到的 硬化层组织较细，硬度也高于常规淬火的硬度。激光相交硬化可以提高金 属材料的表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能；同时可使心部 仍保持较好的韧性，使材料的机械性能具有耐磨性好，冲击韧性高，疲劳 强度高的特点”3 。乜“。 2 1 2 激光相变硬化特点 激光相变硬化与常规硬化处理工艺比较，其发展历史很短，但从已取 得的效果来看，激光相变硬化具有很多独特的优点： ( 1 ) 材料表面的高速加热和高速自冷有利于提高扫描速度及相应的 加工效率； ( 2 ) 激光相变硬化处理后的工件表面硬度高，通常比常规淬火硬度高 5 2 0 ，可获得极细的硬化层组织； ( 3 ) 由于激光加热速度快，因而热影响区小，淬火应力及变形小，一 般认为激光相变硬化处理几乎不产生变形，而且相变硬化可以使表面产生 大于4 0 0 0 m p a 的压应力，这有助于提高零件的疲劳强度；但厚度小于5 m m 的零件变形不可忽视： ( 4 ) 可以对复杂的零件和不能用其他常规方法处理的零件进行局部 硬化处理： ( 5 ) 激光相变硬化工艺周期短，生产效率高，工艺过程容易实现计算 机控制，自动化程度高； 一 ( 6 ) 激光相变硬化靠热量由表及里的传导自冷，无需其他冷却介质， 对环境无污染。 激光照射后，激光加热区由热影响区、过渡区和无变化区组成。激光 相变硬化与普通淬火的组成相相同，为马氏体、碳化物、残余奥氏体，但 是它的组织非常不均匀。由于激光相变硬化加热速度和冷却速度极快，致 使所获得的各种组成相都极为细小，且存在大量晶格缺陷。细小的组织、 高度弥散分布的碳化物和大量存在的位错，使得激光相变硬化组织具有比 常规淬火更为优异的性能。 2 1 3 激光相变硬化适用范围 激光相变硬化是一种局部的表面处理方法，尽管与其他一些表面处理 方法和常规处理方法比较，有其独特的优点，但是激光相变硬化也有其局 限性和弱点。它只适用于一些只需要局部表面硬化的零件，因而就有一个 适用于激光硬化工艺的零件范围。 可进行激光相变硬化的零件按照形状分类如下： ( 1 ) 平面类零件。这类零件主要包括各类导轨、刀片、叶片以及板状 零件等，主要提高硬度、耐磨性、红硬性及抗疲劳性。 ( 2 ) 圆环类零件。这类零件包括活塞环、汽缸涨圈、油封座、进气门、 各类轴承环等，这类零件以提高硬度和耐磨性为目的。 ( 3 ) 套筒类零件。主要有汽车、拖拉机、船舶等发动机缸套或缸体、 气阀导管、各类衬套和各类泵筒等。这类零件主要以提高内表面的硬度和 耐磨性为目的。 ( 4 ) 轴类零件。这类零件主要是各种轴类、长杆导柱等，在其轴面或 轴肩处进行激光相变硬化处理可提高硬度和耐磨性。 ( 5 ) 异形类零件。这类零件品种较多，如齿轮、模具、刀具、离合器 连接件，花键套等。这类零件的处理部位多数是曲线或小局部面积，也是 以提高硬度和耐磨性为主要目的。 可进行激光相变硬化的零件按照材料分类主要包括铸铁、碳钢、低合 金高强度钢、工具钢、不锈钢等。 2 2 激光相变硬化工艺 2 2 1 激光相变硬化工艺方法 激光相变硬化工艺方法包括以下几方面内容： ( 1 ) 特定零件的特定扫描工艺方法 针对特定零件的扫描工艺，是以实现预期硬化目标为主要目的，针对 零件具体结构、形状和尺寸合理制定相应工艺方法。例如齿轮激光相变硬 化的几种工艺方法：轴向分齿扫描、周向连续扫描及偏置分段扫描“钉等工 艺。 ( 2 ) 硬化带形状的合理分布 这方面的工艺方法包括：为得到表面硬度分布均匀的硬化带，确定合 适的搭接量；为了改善润滑效果、提高耐磨性，而合理设计硬化面积以及 硬化带分布形式，例如螺旋型、正弦曲线型扫描轨迹等。 总之激光相变硬化工艺方法与零件类型、工作条件以及设备条件与性 能等直接相关，形式多样，在加工时视情况而定。 2 2 2 激光相变硬化工艺参数 在激光相变硬化过程中，影响激光相变硬化效果的因素大体可归纳为 三大类即：激光器件的影响、基体材料及原始状态的影响、硬化过程工艺 参数的影响。激光器件的影响主要包括激光束模式、模式稳定性、光斑形 状、光斑能量密度分布状态、波长、输出功率的稳定性等。基体材料及原 始状态的影响主要包括基体材料的化学成分、几何形状、几何尺寸、表面 状态和原始组织等。工艺参数的影响主要包括光斑尺寸、功率输出、扫描 速度、扫描方式及表面预处理状态等。 激光相变硬化工艺参数主要是激光器输出功率、扫描速度和作用在材 料表面上光斑尺寸，三者的综合作用直接反映了硬化过程的温度及其保温 时间，从激光相变硬化层深度与三个主要参数的关系可以看出各参数的作 用： 激光相变硬化层深度( h ) o c 磊蕊素等誊 ( 2 - 1 ) 从上式可以看出，激光相变硬化层深正比于激光功率，反比于光斑尺 寸和扫描速度。作用于材料表面的功率密度和照射时间是影响激光相变硬 化质量的决定因素，三者可相互补偿，经适当的选择和调整可获得相近的 硬化效果。 激光功率密度取决于激光器输出的激光作用于材料表面的有效功率和 光斑尺寸的大小，光斑尺寸的大小是由调整聚焦镜至材料表面的距离而获 得的光斑面积尺寸。激光功率密度等于平均光斑面积上钓激光功率，即 w = p s ，因此在制定激光相变硬化工艺参数时，必须首先确定三个参数，即： 激光功率、光斑尺寸和扫描速度。 ( 1 ) 激光功率。在激光相变硬化过程中，在其他条件一定时，激光功 率越大，所获得的硬化层深就越深，或者在要求一定深度的情况下可获得 面积较大的硬化层。 ( 2 ) 光斑大小。光斑尺寸的大小靠调整离焦量而获得，因而在工作中 也以离焦量作为工艺参数，光斑尺寸的大小直接影响硬化层的带宽。同时 在相同激光功率和扫描速度条件下，光斑尺寸越大，功率密度越低，硬化 层就越浅。反之，光斑尺寸越小，功率密度越高，硬化层就越深。 ( 3 ) 扫描速度。扫描速度直接反映激光束在材料表面上的作用时间， 在激光功率密度一定和其他条件相同时，扫描速度越低，激光在材料表面 上作用的时间就越长，温度就越高，材料表面就易熔化，硬化层深就越大。 反之，扫描速度越快，硬化层就越薄。 除上述三个基本参数外，硬化带的扫描图形和硬化面积比例，以及硬 化带的宽窄均对零件激光相变硬化后的效果有一定影响”。 综合上述影响因素，在确定激光相变硬化工艺参数时，首先要分析被 加工零件的材料特性、使用条件等，以便明确技术条件、产品质量要求， 从而决定硬化工艺种类和硬化层的硬度、深度、宽度，并由此考虑选用宽 带或窄带激光以及激光扫描的图形和位置等。其次，根据工件的形状、特 点，参考以往做过的试验预定工艺参数，通过试验得出符合产品要求的最 佳工艺。在确定工艺参数时不应忽略表面预处理和保护气体的影响，同时 也要考虑工艺的可操作性、生产效率及经济效益。 第3 章激光相变硬化应用软件总体设计 3 1 软件开发环境 软件的开发和使用总是与特定的软、硬件环境相联系。首先需要确定 使用何种开发工具更能有效实现设计功能，且开发的经济、时间成本较低， 还要考虑软件运行的软硬件环境的相互兼容性。 3 1 1 激光相变硬化装置 激光相变硬化装置一般由激光器，光路系统，加工机床系统，数控系 统等部分组成。激光器是整个系统的核心，必须稳定可靠，易于控制且操 作安全。现代激光工业常用的激光器为气体激光器如c o ：激光器和固体激 光器如y a g 激光器。c o 。激光器可长时间稳定连续发射激光束，输出功率大， 转换效率高，因而被广泛应用于激光相变硬化中。 本课题基于上海海事大学激光应用研究室的千瓦级激光加工系统。所 用的激光器为h j 一2 0 0 0 型激光器，最大功率2 千瓦，配备聚焦镜、宽带组 合镜及转镜等多种光束处理系统，可满足不同的加工需要。 光路系统是激光器和工件的连接部分，是激光加工设备的主要组成部 分之一，它的特性直接影响激光加工的性能。通过光路系统将激光束从激 光器输出端口引导至加工工件表面，并在加工部位获得所需光斑形状、尺 寸及功率密度。光路系统还可用来指示加工部位，由于用于激光加工的激 光器工作在红外波段，为不可见光，为便于激光束对准加工部位，本系统 采用可见的氦氖激光器同轴对准，指示加工部位并且便于整个光路系统的 调整。 加工机床系统是用以支撑加工工件并按照加工需要移动工件的传动系 统。激光加工时，激光束与工件表面作相对运动，以完成工件表面给定范 围的加工。相对运动可以由光束运动产生，也可以由工件运动或光束和工 件同时运动产生。本系统所使用的工作台能实现三轴联动，其中x 轴最大 行程5 0 0 毫米、最大速度5 m m ir l ，y 轴最大行程3 0 0 毫米、最大速度5 m m i n ， 激光头( z 轴) 的最大行程3 0 0 毫米、最大速度3 m m ir l ，转台最大转速 9 0 r m i n 。 控制系统分两部分，一部分采用西门子s i n u m e r i k8 0 2 c 数控系统，控 制工作台运动以及光闸、激光头运动，另一部分为激光器状态控制和监视 部分，进行激光输出功率的显示和控制。 3 1 2 软件开发编程语言 本激光相变硬化应用软件采用微软的v b 6 0 作为开发语言。v b 是一个 强大的w i n d o w s 平台上的开发工具，从开发个人或小组使用的小工具到大 型企业应用程序，甚至通过i n t e r n e t 的遍布全球的分布式应用程序，都可 以在v b 提供的工具中各取所需。它具有以下特点： ( 1 ) 真正的面向对象编程、可视化的编程方法以及向导功能加快了系 统开发的速度。 ( 2 ) 数据访问特性可以访问大多数数据库后台，可以建立各种前端数 据库应用程序。 ( 3 ) 通过a c t i v e x 技术可以使用其它应用程序提供的功能，例如w o r d 的字处理能力，e x c e l 的表格以及其他应用程序，甚至使用v b 创建的应用 程序和对象。 ( 4 ) 已完成的应用程序是真正的e x e 文件和供运行时的可自由发布 的动态连接库d l l 文件： 用v b 开发的软件体积小，运行效率高，保密性好，对硬件要求低，开 发周期短，因此本系统采用v b 作为开发工具“7 卜。“。 3 1 3 软件运行环境要求 本软件对计算机硬件的配置要求是：c p u 奔腾1 g 以上，内存1 2 6 m ( 建 议2 5 6 m 以上) ，硬盘l g 。 本软件可在w i n d o w s9 8 2 0 0 0 x p 操作系统下运行。 3 2 软件主要特点 本软件具有以下特点： ( 1 ) 模块化设计，使系统具有可扩展性。 系统按照功能被划分成各个模块，基本上每一个模块实现一定的功能， 各模块之间相对独立，只有数据的传递，不存在功能的传递。这样的设计 使系统的修改和扩展简便易行，使后续的开发和研究在本系统基础上进行 拓展成为可能。 、 ( 2 ) 系统的可移植性强。 系统将与外部设备相关的值都定义为参变量，在设备发生改变时只需 改变这些参数的值，就能够使系统满足不同的要求。例如激光参数的变化、 机床系统的变化等，都可通过变更系统设置模块中的系统参数使系统适应 不同的外部设备。 ( 3 ) 数据检验功能保证输入数据的安全可靠、符合规范。 系统在需要数据输入的位置都具有数据检验的功能，这样避免了不规 范数据进入数据库，并能防止不安全数据进入加工系统造成不必要的损失。 数据检验包括检查数据是否符合数据库定义的数据结构，例如要求输入整 型数据的地方不能输入其他格式的数据；数据检验还包括对会造成加工系 统错误的数据的检验，例如在进行激光扫描时，如果要求机床工作台运动 的路程超过它自身的行程最大范围，将不被系统允许，系统会报警。 ( 4 ) 友好的人机界面使系统易学易用。 系统的大部分操作都可用工具条中的工具按钮来完成，相比菜单方式 快速方便。系统界面在设计时考虑方便用户的目的，在菜单、工具栏、按 钮以及一些需要输入数据的文本框都给出提示信息，告诉用户这些控件的 功能和执行什么操作、填写什么数据。在必要的地方会以图示方法提示用 户相关信息，这些设计都方便了用户的使用。 3 3 软件界面设计 人机界面是软件与用户打交道的直接作用体，用户界面就是产品。人 机界面是否具有一致性透明性，交互系统是否易学易用，以及结构的复杂 程度、灵活程度等都会影响到一个系统的成功与否、功能的发挥程度，更 为重要的是影响到系统能否为用户所接受。 本系统采用了基于w i n d o w s 的应用程序，可充分利用w i n d o w s 下界面 友好，开发工具多，开发过程方便的特点。在w i n d o w s 的标准单文档界面 1 4 下，只有一个程序显示区域，用于显示生成的加工n c 代码，类似于w o r d 界面，其他操作以菜单或者快捷键方式选取，对于常用命令还可以通过工 具栏方式方便的选择。菜单按照操作分为程序文件、系统设置、数据通讯、 数据管理、自动编程、质量控制、帮助等，各菜单及其子菜单如图3 一l 所 不 3 4 软件总体设计 通过对本软件系统功能及相互关系的分析将软件系统分成基本操作、 系统设置、数据通讯、数据管理、自动编程、质量控制以及帮助等功能模 块，各模块相互关系如下图3 2 所示。 通过模块功能划分，将系统划分成几个小的模块，各模块功能相对完 整并且独立，相互之间的耦合小，以便于对系统的修改和维护。 人机界面 程序文件 一新建程序 一打开程序 一关闭程序 一保存程序 一另存程序 一打印程序 一退出 图3 1 菜单系统 3 4 1 基本操作模块 图3 - 2 软件结构图 本软件系统的基本操作模块完成基本的文件操作，主要有文件打开、 保存、关闭和新建等( 见图3 3 ) 。进入系统后可直接打开已有文件进行通 讯，将文件传输到数控系统进行加工：或者直接进行手工编制n c 代码( 新 建程序) ，再进行通讯及加工等的后续工作。系统设定文件保存在固定的目 录下，即文件只能存在该目录下，其他目录不被接受。这样系统在数据管 理模块中要读取文件内容时，就可自动到该目录下查找。系统默认的文件 类型为t x t 文件。另外，系统设置在界面中只能显示一个加工程序，当打 开一个程序后，菜单中的“打开”一项将处于不能使用状态，只有关闭界 面中的文件，才能再打开其他文件，这样就避免了对一个文件的操作还未 完成，就打开另一个文件而造成文件丢失。文件打开后，文本框上方显示 文件名称及所在的路径，方便用户了解文件的有关信息。 3 4 2 系统设置模块 图3 - 3 基本操作菜单 不同的工作系统各项参数均有不同，如导光，机床参数等等，为了使 软件适应不同工作环境，软件系统第一次运行时先要对激光导光系统、机 床参数及通讯端口进行设置。 3 4 2 1 激光基本参数设置 导光系统参数主要有最大输出功率、激光器型号等，对于镜头宽度细 分为定宽宽带镜的带宽、可调宽带镜带宽范围、聚焦镜光斑尺寸范围等等 ( 见图3 4 ) 。这样当软件用于不同的镜头时，填入相应的激光带宽数值， 就可实现在加工时对激光带宽的判断控制。当经过计算，加工需要的带宽 不在允许的带宽数值范围内时，系统会给予提示。“最大输出功率”一项 输入该激光器能提供的最大功率，并将其保存在一个变量中，在后续确定 激光扫描参数时判断是否超过这个值，以免系统发生错误。这些参数数据 保存在系统文件“激光基本参数”中，以后运行时系统自动将这些数据读 入。激光参数设置界面见图3 4 。 图3 - 4 激光基本参数设置界面 3 4 2 2 机床基本参数设置 机床基本参数在软件系统首次运行时也需要设置，主要设定x 、y 、z 三轴的坐标范围和最大运行速度，以及转台中心高度和转台最大速度等。 三轴的坐标范围将用于判别机床运行过程中的超程问题，而最大运行速度 的设定则使系统记录了机床运行速度的限制，在进行加工时超过最大运行 速度的速度设定则变成非法数据，不被系统所接受。机床基本参数设置界 面见图3 5 。 1 8 图3 - 5 机床基本参数设置界面 3 4 2 3 微机串口参数设置 微机与机床数控系统的数据传输通过通讯端口完成。由于不同的通讯 端口设置可能不相同，因此在系统首次运行时需要对通讯端口进行设置。 微机通常有两个9 针r s 2 3 2 串行口，用来实现串行通信。在v b 下采用 m s c o m m 控件实现与串口的通讯功能，避免了握手和校验过程，比较方便。 m s c o m m 控件封装了与串行通信相关的操作，只需设定属性并写出事件处理 程序即可控制通讯事件的完成。串行口的设定主要是对该控件的两个属性 进行设置：一个是c o m m p o r t ，设置或返回通信连接端口代号，默认为c o m l ， m s c o m m 控件的最大值为c o m l 6 ：另一个是s e t t i n g ，设置初始化参数，以 字符串的形式设置或返回传输速度、校验位、数据位、停止位等4 个参数 川“圳。微机串口属性设置界面见图3 - 6 。 3 4 3 数据通讯模块 囱3 - 6 微机串口属性设置界面 该模块实现微机和机床控制系统之间的数据传输，能够将微机中的数 据输出到机床控制系统端，也能接收来自控制系统的数据。实现微机与数 控通信的方法有很多，在这方面也有不少的研究。通常实现串口通信的方 法主要有：( 1 ) 利用v b 6 0 中的通讯控件m s c o m m ；( 2 ) 调用w i n d o w s 的a p i 应用程序接口。用a p i 函数实现串口通信比较繁琐，并且要求使用者对 w i n d o w s 系统比较熟悉。相对于调用a 9 i 函数，利用v b 的通讯控件m s c o m m 实现通信更加方便快捷，只用较少的代码就能实现“，因而本软件使用v b 的通讯控件实现串口通信。 在本系统进行发送接收程序之前，先要确定机床控制系统是否处在相 应的接收或发送状态，而后点击“发送”或者“接收”按钮完成动作。西 门子数控系统规定，发送到数控系统的程序以文件头所显示的名称存入存 储器中( 如图3 7 所示，第一行“一n t e s t m p f ”中的“t e s t ”即为文 件名，进入数控系统的文件即以此名称存入存储器) ，而接收到的程序则显 示在通讯界面的文本框内，保存在系统设置的“加工程序”文件夹中以供 以后使用。 图3 7 数据通讯界面 图3 7 为数据通讯界面，文本框上方显示该加工程序所在的路径，下 方利用v b 控件s t a t u s b a r 显示端口设置，当前状态以及日期时间等，这样 使用户清楚地了解当前通讯系统处于发送还是接收，是否完毕，以及发送 接收多少字节。在实现发送接收功能时，将文本框中需要发送的内容放入 m s c o m m 控件的输出寄存器中，这样数控系统就能接收到程序： m s c o m m o u t p u t = t r i m ( r i c h t e x t b o x l t e x t ) 当接收数据时，先将接收到的程序放在一个缓存字符串变量中，然后 读入m s c o m m 控件的输入寄存器，完成数据接收，如下所示： b u f = m s c o m m i n p u t r i c h t e x t b o x l t e x t = b t l f 3 4 4 数据管理模块 本软件系统的数据库主要包括金属材料、加工材料、相变硬化工艺参 数、加工历史记录等表。材料表中记录与激光相变硬化相关的材料参数， 它的每条记录包括一种材料的激光热处理分析所需的各项参数，如材料名 称、原始热处理状态、热容量、热吸收率、导热系数、热扩散系数、初始 温度、硬度、表面状态、奥氏体化温度等。相变硬化工艺数据表主要记录 已经成熟的激光热处理工艺数据及加工效果，该数据表是本系统数据库的 核心，它包括光束种类、功率密度、硬化深度、平均硬度、扫描速度等字 段内容。材料表中的信息为加工工艺的选取提供依据，根据不同材料的不 同物理特性，选取适当的加工工艺参数，而已有加工参数的记录为现