（化工过程机械专业论文）激光淬火热处理cam系统的研究.pdf

青岛科技人学研究生学位论文 激光淬火热处理c a m 系统的研究 摘要 激光淬火热处理具有一些其他加工方法所不具备的优越性，在工业生产中的 应用越来越广泛。目前激光淬火加工用的控制机是切削加工用的控制机，不能满 足激光淬火的实际需要。针对这种情况，本文对激光淬火过程的加工轨迹生成、 自动编程及其计算机仿真关键技术进行了研究，在此基础上开发了激光淬火热处 理c a m 系统。 通过对激光淬火技术的理论研究和分析，表明工件激光淬火时必须满足三个 条件：( 1 ) 激光头到工件表面的距离不变，即离焦量不变；( 2 ) 激光束始终垂直工 件轮廓面；( 3 ) 激光光斑在工件表面的相对扫描速度恒定。本文采用激光头在轮 廓曲线平面内位置不变而工件运动的方式，建立激光头与工件相对运动的数学模 型，对运动过程进行分析，解决了激光淬火运动控制的问题。 根据系统的功能需求，结合淬火过程中应满足的条件，对激光淬火运动轨迹 的生成进行了分析和研究。针对激光淬火技术的独特性，生成适合激光淬火加工 的数控代码，实现系统的自动编程。同时，对加工代码的仿真技术进行研究，实 现了激光淬火的仿真加工过程，验证n c 代码的正确性。在这些研究的基础上， 采用面向对象的软件开发方法，使用d e l p h i 语言，开发了一个激光淬火热处理 c a m 系统。 本系统讨论了开发过程中的关键问题，可以根据c a d 信息，完成轨迹的生 成以及代码的输出与验证，解决了目前激光淬火热处理所存在的问题，基本能满 足实际加工的需要，促进了产品制造的自动化，具有一定的应用价值和经济价值。 关键词激光淬火c a m 轨迹生成运动分析n c 代码仿真 激光淬火热处理c a m 系统的研究 _ 青岛科技人学研究生学位论文 t h er e s e a r c ho fl a s e rq u e n c h i n gh e a t t r e a t m e n ts y s t e m a bs t r a c t l a s e rq u e n c h i n gh e a tt r e a t m e n th a san u m b e ro fa d v a n t a g e st h a tt h eo t h e r p r o c e s s i n gm e t h o d sd o n th a v e ，a n di ti sa p p l i e di nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o nm o r e a n d m o r ew i d e l y t h ec o n t r o lm a c h i n eo fc u t t i n gi su s e da sl a s e rq u e n c h i n gp r o c e s s i n g s ，i t c a n tm e e tt h ea c t u a ln e e do fl a s e rh a r d e n i n g f o rt h es i t u a t i o no fl a s e rh a r d e n i n g p r o c e s s i n g ，t h i sp a p e r s t u d i e st h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h ep r o c e s s i n g ，s u c h a s p r o c e s s i n gp a t hg e n e r a t i o n ，a u t o m a t i cp r o g r a m m i n ga n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，a n d l a s e rh a r d e n i n gh e a tt r e a t m e n tc a ms y s t e mi sd e v e l o p e d t h r o u g ht h e o r yr e s e a r c ha n da n a l y s i s o fl a s e rh a r d e n i n gt e c h n o l o g y , l a s e r q u e n c h i n gs h o u l dm e e tt h r e ec o n d i t i o n sw h e nt h ew o r k p i e c e sb e i n gp r o c e s s e d ：f i r s t ， t h ed i s t a n c eo fl a s e rh e a dt ot h es u r f a c ei ss a m e ，t h a ti st os a y , t h ed e f o c u sa m o u n ti s s a m e ；s e c o n d ，l a s e rb e a mi sa l w a y sp e r p e n d i c u l a r t ot h es u r f a c ec o n t o u ro f w o r k p i e c e s ；t h i r d ，r e l a t i v es c a n n i n gs p e e do fl a s e rs p o ti ns u r f a c ei sc o n s t a n t t h i s p a p e re s t a b l i s h e st h er e l a t i v em o v e m e n tm a t h e m a t i c a l m o d e lo fl a s e rh e a da n d w o r k p i e c ew i t ht h em e t h o d t h a tl a s e rh e a dk e e p si nt h es a m ep o s i t i o n ，b u tw o r k p i e c e m o v e si nt h ec o n t o u rp l a n e ，a n da n a l y z e st h ep r o c e s so ft h em o v e m e n tt os o l v et h e p r o b l e mo fm o t i o nc o n t r o lo fl a s e rq u e n c h i n g a c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s o fs y s t e m ，t h el a s e rq u e n c h i n g t r a j e c t o r i e sg e n e r a t i o ni sa n a l y z e da n ds t u d i e dc o m b i n i n gw i t ht h ec o n d i t i o n st h a tl a s e r q u e n c h i n gs h o u l dm e e t f o rt h eu n i q u en a t u r e s o fl a s e rh a r d e n i n gt e c h n o l o g y , n c 激光淬火热处理c a m 系统的研究 c o d e so fl a s e rq u e n c h i n ga r eg e n e r a t e dt oa c h i e v ea u t o m a t i cp r o g r a m m i n g a tt h e s a m et i m e ，t h es i m u l a t i o ns t u d yo f p r o c e s s i n gc o d ei st a k e n t h es i m u l a t i o no fl a s e r h a r d e n i n gp r o c e s si sr e a l i z e dt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so fn cc o d e b a s e do nt h e s e s t u d i e s ，l a s e rq u e n c h i n gh e a tt r e a t m e n tc a m s y s t e mi sd e v e l o p e dw i t ho b j e c t o r i e n t e d s o f t w a r ed e v e l o p m e n tm e t h o d su s i n gd e l p h il a n g u a g e t h i ss y s t e md i s c u s s e sk e yp r o b l e m so fd e v e l o p m e n tp r o c e s s ，a c c o r d i n gt ot h e i n f o r m a t i o no fc a d ，i tc a nc o m p l e t et h et r a c kg e n e r a t i o n ，a n do u t p u ta n dv e r i f i c a t i o n o ft h ec o d e sc o r r e c t l y i ts o l v e ss e v e r a lp r o b l e m sf o rl a s e rh e a tt r e a t m e n t ，a n dc a nm e e t t h ea c t u a ln e e d s b a s i c a l l y i tp r o m o t e st h ea u t o m a t i o no fm a n u f a c t u r i n g ，a n dh a ss o m e a p p l i c a t i o nv a l u ea n de c o n o m i cv a l u e k e yw o r d s ：l a s e rq u e n c h i n gc a m p a t hg e n e r a t i o n m o t i o na n a l y s i s n cc o d es i m u l a t i o n l v 青岛科技人学研究生学位论文 目录 1 绪论1 1 1 激光淬火技术的概况1 1 1 1 激光淬火的应用及研究现状1 1 1 2 激光淬火存在的问题2 1 2c a m 技术的概况3 1 2 1c a m 简介一3 1 2 2c a m 的发展4 1 3 课题概述5 1 3 1 课题的来源5 1 3 2 课题研究的背景5 1 3 3 课题的主要研究内容6 1 4 本章小结7 2 激光淬火技术8 2 1 激光淬火的原理及特点8 2 1 1 激光淬火的原理8 2 1 2 激光淬火的特点8 2 2 激光淬火工艺9 2 2 1 激光淬火工艺参数的选择9 2 2 2 激光淬火组钐：性能1 0 2 3 激光淬火设备10 2 3 1 光学系统11 2 3 2 加工机床1 2 2 3 3 辅助系统13 2 4 激光淬火技术要求1 3 2 5 本章小结1 6 3 激光淬火c a m 系统的总体设计1 7 3 1c a m 系统的需求分析17 3 1 1 任务概述17 3 1 2 需求规定17 v 激光淬火热处理c a m 系统的研究 3 2 软件系统总体设计18 3 2 1 基本内容18 3 2 2 系统模块划分18 3 2 3 功能模块设计2 0 3 3 数据结构设计2 1 3 3 1 数据类的设计一2 2 3 3 2 命令类的设计2 3 3 3 3 存储结构设计2 4 3 4 软件开发方法与编程语言一2 4 3 4 1 面向对象的程序设计方法2 5 3 4 2 开发工具简介2 6 3 5 本章小结2 7 4 激光淬火c a m 编程系统设计2 8 4 1 激光淬火轨迹规划2 8 4 2 激光淬火轨迹的生成2 9 4 2 1 轮廓获取与排序2 9 4 2 2 轮廓等距3 1 4 2 3 激光淬火运动分析3 8 4 2 4 轨迹文件的生成5 0 4 3n c 代码自动生成5 1 4 3 1 数控代码的格式与特点一5 1 4 3 2 代码生成5 2 4 4 计算机仿真技术5 3 4 4 1n c 代码的检查5 5 4 4 2 坐标变换5 5 4 4 3 插补计算5 6 4 5 本章小结5 8 5 系统运行实例6 0 5 1 系统主界面6 0 5 2 运行实例6 1 5 3 本章小结一6 4 总结与展望6 5 v l 青岛科技大学研究生学位论文 全文总结6 5 研究展望6 6 参考文献6 7 致谢7 0 攻读学位期间发表的学位论文目录7 1 独创性声明7 2 激光淬火热处理c a m 系统的研究 v i i i 青岛科技人学研究生学位论文 1 绪论 自2 0 世纪6 0 年代初激光诞生以来，因其具有高亮度、高单色性、高方向性 和高相干性四大特性，给激光加工带来了一些其它加工方法所不具备的特性i j 】。 由于激光a n t _ 属于无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形；在激光加 工过程中，用激光束代替了刀具，因此无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工 件【2 】；激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没 有或影响极小，因此其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小或无需加工【副； 激光束易于导向、聚焦以及实现方向变换，极易与数控系统配合对复杂工件进行 加工，因此它是一种极为灵活的加工方法；生产效率高，加工质量稳定可靠，经 济效益和社会效益好。 激光加工的优越性使其成为激光应用中最有发展前途的领域，现在己开发出 2 0 多种激光加工技术【4 】，激光淬火热处理技术就是激光加工中研究较早、进展较 快、应用较广的一种新工艺，已广泛用于材料的表面强化中，并且应用领域在不 断地扩大。 1 1 激光淬火技术的概况 1 1 1 激光淬火的应用及研究现状 1 9 7 1 年美国通用汽车公司首次成功进行了激光热处理实验，到1 9 7 4 年该公 司将激光相变硬化工艺用于实际生产，自此诞生了激光表面处理技术。以后激光 表面处理成为一种新兴材料表面处理技术，尤其是进入2 0t t c 纪8 0 年代以后，大 功率工业激光器和辅助设备的制造技术同益提高f 5 】，各种激光表面处理技术逐渐 成熟，使得这种技术的工业应用和深入研究f 1 益活跃和广泛1 6 j 。 在诸多的激光表面处理技术中，激光淬火技术是研究最广泛、工业应用占有 比例最大的一种。由于其具有相当明显的优越性，能够解决很多传统热处理工艺 所不能解决或难以解决的问题，因此激光淬火技术得到了迅速的发展和应用。主 要涉及交通、纺织运输、航空航天、精密仪器、重型机械的制造等【7 】；处理的零 件种类包括汽车、摩托车和轮船等的发动机气缸体内壁、凸轮轴、曲轴、转向器 壳体、齿轮、机床导轨、刀具刃口、油管螺纹等，在诸多的应用中，尤其以在汽 车制造业内的应用最为活跃，创造的经济价值最大。1 9 7 4 年荚幽通用汽车公i 司采 用激光淬火处理技术处理汽车转向器壳体内腔，耐磨性较原j 【艺提高1 0 倍以上， 激光淬火热处理c a m 系统的研究 而费用比高频淬火或氮化减少了4 5 。国内的一些单位也将激光淬火应用于汽车 行业，例如西安内燃机配件厂在“七五 、“八五 期间与华中理工大学合作建成 6 条缸套热处理生产线，耐磨性比各种合金铸铁缸套及中频淬火缸套提高4 2 ， 与之相配活塞耐磨性提高3 0 以上【引。激光淬火在汽车工业中的广泛应用，如缸 套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，大大提高了零部件的寿命， 取得了较好的经济效型9 1 。 近几年激光淬火在模具制造方面也发挥了它的优势。模具形状各异，制造精 度和材料性能要求高，工艺复杂，但我国缺少具有特殊性能要求的钢种，如耐高 温等。况且目前我国国内加工条件限制，一些要求高硬度的模具只得精加工到尺 寸后再进行淬火、回火处理，对大型、精密复杂的模具，控制热处理变形及防止 开裂的问题也很突出。采用激光淬火对模具进行热处理，变形小，灵活可控，不 受模具形状以及尺寸的限制，能显著改善耐磨性能，提高表面硬度和使用寿命， 对生产实践有极大的实用价值。 在激光淬火技术的研究方面，国内外的学者最初集中于探讨激光淬火处理铁 基材料，从而改变和改善材料性能的机理，他们对激光淬火处理低碳钢、中碳钢、 高碳钢、合金钢、铸铁等都做了大量的研列m 】，目前对铁基材料的激光相变硬化 机理基本上已经弄清楚。 近年来，随着激光淬火技术实际应用的同趋广泛，从面向生产实践的角度， 研究人员又做了大量探索工艺参数的实验和理论研究工作。一方面通过实验，探 求生产条件下工艺参数的选取，并得到相当多能够指导生产实践的有价值的工艺 参数。另一方面通过建立符合要求的温度场，对其进行数值求解甚至动态仿真， 利用温度场的数值计算结果估算硬化层深度，或者又反推算激光淬火的工艺参 数，其结果也可以指导生产实践】。后一种方法只要通过少量验证实验证明数值 计算结果在激光相变硬化过程中的适用性，大量的工艺参数筛选工作由计算机来 进行，大大节省了人力、物力和时i 日j ，因此近两年伴随着汁算机技术的高速发展， 对激光淬火过程的数值计算和动态仿真成为国内外一个热点。 随着激光淬火技术的不断推广应用，工业化生产对设备可靠性、稳定性和精 确性的要求越来越高。鉴于此研究人员丌展了对激光器光腔结构、光学元件及冷 却技术、表面吸收涂层种类及喷涂技术、复杂零件淬火加工用数控机床的研究以 及为了满足大规模工业化生产，对激光设备的各个零部件标准化、模块化设计等 的研究，不断地促进激光淬火设备的发展【1 2 】。 1 1 2 激光淬火存在的问题 激光淬火技术从丌始应刚剑现在，已经历了四十多年的发展历程，应用领域 青岛科技人学研究生学位论文 在不断扩大。但是由于这项工艺的技术含量较高，工艺过程中的影响因素很多 设备费用昂贵，除了对形状简单、工艺基本定型且批量较大的工件可以专门建 生产线，并可获得稳定的加工质量外，在形状较为复杂的工件中应用仍存在不 问题【1 3 】。 由于激光的特性，激光加工系统一般都伴有冷却装置和供气装置，这些装置 是通过水管和气管的形式与激光头相连。这就要求在淬火的过程中，激光头的摆 动幅度不能过大，以防水管和气管发生断裂、损坏等。同时，由于激光束能产生 极高的能量密度和功率密度，足以融化世界上的任何金属和非金属，因此在加工 时要特别注意安全问题，激光头不能摆动过大，以防对人身安全以及财产安全造 成损害。理论上激光头的摆角为士1 8 0 0 ，但在实际生产中，激光头的活动幅度越小 越好，这样就增加了形状复杂工件淬火处理的难度。 激光淬火加工系统采用计算机进行全面数控，与之配套的数控系统用来控制 工件与激光头的相对位置，按照一定的加工要求，由计算机软件驱动工作台或激 光头进行一定规律的运动，同时可对加工系统中的有关部件进行实时控制，如光 闸的开关，冷却系统的状态等。数控系统的自动化程度高，加工柔性好，精度高， 易于实现控制，但在激光淬火热处理时，数控系统的控制也同样会存在一些问题。 现有的激光淬火系统由于采用的是数控机械加工用的控制机，是面向机加工的， 只能对具有直线、圆弧这样简单轮廓曲线的工件，或者特定轮廓曲线的工件进行 加工，但却无法完成对任意曲线轮廓的工件进行激光淬火热处理。主要原因在于 激光加工系统的控制软件有缺陷，在激光淬火的过程中，对激光头与工件的相对 运动位置与状态不能进行准确的计算与控制，特别是保证激光头总要在零件的法 线方向，且激光光斑在工件的表面匀速运动。 由此看来，激光淬火还是一种成本高、控制复杂但性能特殊的热处理技术。 但是，由于激光淬火技术具有许多独特的优点，它仍是一项具有广泛应用前景的 高新技术。随着激光淬火理论和工艺研究的逐步深入，以及计算机控制技术的不 断发展( 1 4 j ，适用各种情况的激光淬火实时控制系统的研究成为激光淬火热处理的 首要任务。 1 2c a m 技术的概况 1 2 1c a m 简介 计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g ，简称c a m ) 到目前为止尚 无统一的定义。一般而言，c a m 是指计算机存制造领域有关应川的统称，有广义 c a m 和狭义c a m 之分。所渭广义c a m ，是指利川i t 算机辅助完成从；l ：产准备 激光淬火热处理c a m 系统的研究 工作到产品制造过程中的直接和间接的各种活动，包括工艺准备、生产作业计划、 物流过程的运行控制、生产控制、质量控制等主要方面。其中工艺准备包括计算 机辅助工艺过程设计、计算机辅助工装设计与制造、n c 编程、计算机辅助工时 定额和材料定额的编制等内容；物流过程的运行控制包括物料的j h q - 、装配、检 验、输送、储存等生产活动。而狭义c a m 通常指数控程序的编制，包括刀具路 线的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及后置处理和n c 代码生成等。本 文采用c a m 的狭义定义【l5 1 。 c a m 中的核心技术是数控加工技术，数控加工主要分程序编制和加工过程两 个步骤。程序编制是根据图纸或c a d 信息，按照数控机床控制系统的要求，确定 j n q _ 指令，完成零件数控程序编制；加工过程是将数控程序传输给数控机床，控 制机床各坐标的伺服系统，驱动机床，使刀具和工件严格按执行程序的规定相对 运动，加工出符合要求的零件。作为应用性、实践性极强的专业技术，c a m 直接 面向数控生产实际。生产实际的需求是所有技术发展与创新的原动力，c a m 在实 际应用中已经取得了明显的经济效益，并且在提高企业市场竞争能力方面发挥着 重要作用【1 6 】。 1 2 2c a m 的发展 1 9 5 5 年美国麻省理工学院( m i t ) 伺服机构实验室公布了a p t ( a u t o m a t i c a l l y p r o g r a m m e dt o o l s ) 系统。在该系统基础上，后来又发展成a p t - i l l 、a p t - i v 。6 0 年代初，西欧丌始引入数控技术。 经过几十年的发展，以a p t 语言为代表的数控j n - v 编程方法已经非常成熟， 甚至当今最好的c a d c a m 系统也还带有a p t 源程序输出功能，将c a d 数据传 递给a p t 系统进行处理，并产生机床数控指令。随着计算机技术、c a d 技术的 发展，数控编程丌始向交互式图形编程过渡。借助c a d 图形，以人机交互的方式 将有关工艺路线及参数输入编程系统，再由系统生成数控加工信息。与批处理式 的语言编程相比，此种编程方式有很大进步。7 0 年代后期，人们丌发出面向图形 的数控编程系统，它作为面向产品制造的应用系统，得到了迅速的发展和推广。 它将几何造型、图形显示、数控编程和后置处理等功能模块有机地结合一起，有 效地解决编程数据的来源问题f 1 7 】。 c a m 技术的广泛应用，将大幅度提高生产的自动化、智能化水平。因此， 可以将c a m 技术与激光淬火技术相结合，开发面向图形的激光淬火c a m 系统。 借助待加工工件的几何图形，针对激光淬火的特点，由系统完成加工过程的轨迹 生成、自动编程以及代码仿真等功能。激光淬火c a m 技术的应用，不但能够极 大的缩短生产周期，提高工作效；簪，还能取得巨大的经济效益与社会效益，应用 4 青岛科技大学研究生学位论文 前景十分广阔。 1 3 课题概述 1 3 1 课题的来源 本课题来源于青岛中发激光技术有限公司的一个技术难题。该厂想完成对任 意曲线轮廓工件的激光淬火热处理，例如凸轮、齿轮等。这些零部件具有良好的 特性，应用十分广泛，但同时在使用的过程中不可避免地存在着磨损失效的问题。 这些零件一旦失效，特别是对于一些精密难制造的工件来说，将会造成巨大的经 济损失。采用激光淬火对这些工件事先进行强化处理，或对失效工件轮廓面进行 修复，在提高材料机械性能的同时，还能延长材料的使用寿命，进而节省费用i l8 1 。 工业生产中常用的淬火方法有渗碳淬火、感应淬火、火焰淬火等。这些传统 的淬火工艺在进行强化处理时，工件表面容易受热不均，经处理后的工件机械性 能提高不是很大，且很难实现对复杂曲线轮廓工件的淬火处理。同时传统的淬火 工艺大多采用整体淬火，变形大后续加工困难，因此采用传统的淬火工艺时j 淬 火质量难以保证，成本高但效果却不是很好【l 圳。 由于激光的空间控制性和时f h j 控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸 和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。因此将激光加工系统与计 算机数控技术相结合，采用数控机床对工件进行激光淬火，从而解决传统淬火工 艺存在的问题f 2 0 】。数控系统自动化程度高，加工柔性好，精度高，将其应用在淬 火处理中，易于实现控制。但是当前的数控系统的控制同样也会存在一些问题。 对简单轮廓工件和复杂轮廓工件进行加工，其运动轨迹控制的要求是不一样的， 复杂轮廓表面的数控加工对运动轨迹控制提出的要求更高。如今该厂激光淬火的 控制机也是采用普通数控加工用的控制机，只能对简单轮廓曲线的工件以及特定 曲线轮廓的工件进行热处理，但却无法完成对复杂轮廓的工件进行热处理，没有 对应的自动编程软件，基于这个出发点，激光淬火热处理c a m 系统的研究被提 出来了。 1 3 2 课题研究的背景 随着社会的不断发展和科学技术的不断进步，人们对材料的性能要求越来越 高，现有材料的基本性能已经尤法满足人们生产和，活的更高要求。在生产领域 中，各种机械零件设计的选材原则也是要保证其强度、刚度、抗疲劳、耐摩擦、 耐磨损、耐腐蚀等性能。这就使得人们往很早就j r 始埘材料的表面改性进行了大 量的理论和实验研究，并在不断探索新的表而改性i ：艺方法。激光的出现使材料 表面改性技术发生了很大的变化。f i j 激光淬火技术是激光热处理中应用最广的一 激光淬火热处理c a m 系统的研究 种工艺，适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位，可提高零件各方面的性 能，因此国内外一些工业部门将该技术作为保证产品质量的手段【2 。 目前的市场竞争机制对机械制造行业提出了更高的要求，一方面，产品更新 周期变短，对产品性能、质量要求更高，并力求以最快速度适应和占领市场；另 一方面，要求提高劳动生产率，降低成本，提高利润率，全面提升产品市场竞争 力【2 烈。传统的淬火工艺针对不同的材料、零件形状和技术要求诸要素，需要选择 不同的淬火介质、加热及冷却方式等。在淬火的过程中，对整个工件进行热处理， 热影响区大，容易产生变形；对厚度、直径较小的零件使用比较合适，对于过大 的零件，淬火深度不够且不均匀。同时，传统淬火工艺的效率低，成本高。因此 传统的淬火工艺已经无法满足这两方面的要求。但随着微电子技术和计算机技术 的高速发展，数控技术得到了广泛的应用。各大企业都引进了大批量的数控设备， 将数控设备与各种加工方式相结合，提高生产效率与产品质量的同时，节约了成 本，增加了竞争力。 现在国内外对数控车、切割、铣削等的自动编程技术研究得较多，而激光淬 火机床自动编程技术相对研究的很少。对于激光淬火技术来说，目前企业不是没 有配套的软件，就是控制软件功能不完善，仅能对简单的零件进行淬火处理。加 工形状较复杂的零件时，只能对零件的局部进行淬火，或是继续沿用传统的手工 编程，这就要求设计人员和设备的操作者掌握大量而深入的结构设计、加工工艺 和数控编程等方面的专业知识。另外，当图形比较复杂时，很难实现激光头与工 件的精准定位，系统的控制问题就会相应变得复杂，这样不但会加大设计和编程 的工作量，也容易产生错误。这就要求激光淬火自动编程技术进一步研究和发展， 以解决目前所存在的问题。 计算机作为一种高效的工具，在现代的科技研究和工业生产等领域的应用越 来越广泛，计算机和计算机辅助技术的应用和发展，不仅大大提高了工作效率和 质量，而且使得许多人工难以完成的工作成为可能。本课题的激光淬火热处理 c a m 系统的研究就是借助计算机辅助设计、计算机图形学等技术，束实现激光淬 火热处理时对机床运动的时时控制。 1 3 3 课题的主要研究内容 本课题面向工厂实际，通过分析激光淬火技术的现状，利用计算机束提高企 业的生产水平，力图提供一个使用方便的系统，降低设计与生产人员的劳动强度， 降低能耗，减少生产成本，大幅度提高生产效率，最终提高企、l p 的经济效益，提 高企业的亓i 场竞争能力。 本课题主要综合运用计算机辅助设计、计算机图形学、d e l p h i 语言+ 程序设计、 6 青岛科技大学研究生学位论文 数控加工技术等多学科知识，完成激光淬火热处理c a m 系统的界面设计、信息 处理以及轨迹模拟等。对激光淬火热处理c a m 系统的研究主要集中在以下几个 方面： ( 1 ) 根据激光淬火c a m 系统的需求研究和功能描述，对系统的总体结构、数 据结构以及功能模块进行设计。 ( 2 ) 研究激光淬火的轨迹规划与生成算法，对轮廓进行排序、等距以及数值 计算，建立激光头与工件的相对运动模型，分析淬火过程中激光头与工件的相对 运动状态与过程，最终实现零件加工轨迹的自动生成。 ( 3 ) 针对激光头与工件的相对运动分析，根据n c 代码的生成原理，结合数控 加工代码的格式及特点，经过计算处理，自动生成机床加工代码。 ( 4 ) 根据仿真原理，对数控加工代码进行仿真验证。 因此，结合主要内容，本文可分五章进行阐述： 第一章：绪论，介绍激光淬火技术、c a m 技术以及课题概述。 第二章：激光淬火技术，介绍激光淬火技术的原理及特点，对淬火工艺作了 进一步的说明，详细介绍了激光淬火设备，最后表明激光淬火技术要求。 第三章：激光淬火c a m 系统的总体设计，分析了系统的任务及需求，对系 统的总体结构、数据结构以及功能模块进行了设计，确定了软件丌发方法及丌发 工具。 第四章：激光淬火c a m 编程系统的设计，主要对工件与激光头的相对运动 进行分析，完成激光淬火轨迹、n c 代码的自动生成，最后通过计算机仿真验证 n c 代码的正确性。 第五章：系统运行实例，介绍系统主界面，实例说明系统的运行。 最后，对本文进行总结，并对今后进一步的研究方向作了展望。 1 4 本章小结 本章首先论述了激光淬火技术的应用及研究现状，并对激光淬火技术目自矿存 在的问题进行了分析。接着对c a m 技术及其发展作了简单的介绍。然后对课题 的来源进行了说明，对课题的背景进行了分析，最后归纳和总结本课题的主要研 究工作。 激光淬火热处理c a m 系统的研究 2 激光淬火技术 激光淬火技术作为一种表面改性技术，不但可以在低成本基体上加工高性能 材料，还可以对工件的失效或磨损表面进行强化处理，从而降低成本，延长工件 使用寿命。激光淬火是一个受多因素、多参数影响的复杂工艺过程，而这些因素 和参数又直接影响硬化层的质量。因此，了解激光淬火工艺、淬火设备以及激光 淬火的技术要求，对本系统的研究有着重要的理论指导意义。 2 1 激光淬火的原理及特点 2 1 1 激光淬火的原理 激光淬火主要是用来处理铁基材料，其基本机理是通过高能激光束扫描工件 表面，工件表层材料吸收激光辐射能并转化为热能，然后通过热传导使周围材料 温度以极快的速度升高到奥氏体相变以上、熔点以下，再通过材料基体的自冷却 作用使被加热的表层材料以超过马氏体相变临界冷却速度而快速冷却，从而完成 相变硬化【2 2 1 。 由于激光淬火过程中很大的过热度和过冷度使得淬硬层的晶粒极细、位错密 度极高且表层形成应力，进而可以大大提高工件的耐磨性、抗疲劳、耐腐蚀、抗 氧化等性能，延长工件的使用寿命。 2 1 2 激光淬火的特点 激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、 快速的淬火工艺。与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层 均匀，硬度高( 一般比感应淬火高l 3 h r c ) ，工件变形小，加热层深度和加热 轨迹容易控制，易于实现自动化，不需要像感应淬火那样根据不同的零件尺寸设 计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛 尺寸的限制，因此在很多工业领域中i f 逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工 圳2 3 1 。尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别适合高精 度要求的零件表面处理。激光淬硬层的深度依照零件成分、尺寸与形状以及激光 工艺参数的不同，般在o 3 2 0 m m 范h ；i 之间。对大型齿轮的齿面、大型轴类 零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就呵以满足实 际工况的：焉求l z 4 j 。 青岛科技大学研究生学位论文 激光淬火技术与其他热处理技术，如高频淬火、渗碳、渗氮等传统工艺相比， 具有以下特点阱副： ( 1 ) 无需使用外加材料，就可以显著改变被处理材料表面的组织结构，大大 改善工件的性能。激光淬火过程中的急热急冷过程使得淬火后，马氏体晶粒极细、 位错密度相对于常规淬火更高，进而大大提高材料性能。 ( 2 ) 处理层和基体结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致 密冶金结合，而且处理层表面也是致密的冶金组织，具有较高的硬度和耐磨性1 2 6 j 。 ( 3 ) 被处理工件变形极小，适合于高精度零件处理，可作为材料和零件的最 后处理工序。这是由于激光功率密度高，与零件上某点的作用时间很短( o 0 1 1 s ) ，故零件的热变形区和整体变化都很小。 ( 4 ) 加工柔性好，适用面广。激光光斑面积较小，不可能同时对大面积表面 进行加工，但是可以利用灵活的导光系统随意将激光导向处理部分，从而可方便 地处理深孔、内孔、盲孔等局部区域。改性层厚度与激光淬火中工艺参数息息相 关，因此可根据需要调整硬化层深浅，一般可达0 1 l m m l 2 。 ( 5 ) 工艺简单优越。激光表面处理均在大气环境中进行，免除了镀膜工艺中 漫长的抽真空时间，没有明显的机械作用力和工具损耗，噪声小、污染小、无公 害、劳动条件好。激光器配以微机控制系统，很容易实现自动生产，易于批量生 产。效率很高，经济效益显著。 2 2 激光淬火工艺 2 2 1 激光淬火工艺参数的选择 激光淬火过程是一个多参数综合的复杂工艺过程，这些参数包括：激光功率 p 、光斑尺寸d 、扫描速度v 、激光的工作方式、扫描轨迹、辅助气体压力、激光 模式等。在激光淬火过程中，激光工作方式一般为连续工作方式或长脉冲工作方 式；激光模式多为光斑内能量分布比较均匀的高阶模；扫描轨迹的选择结合实际 的零件选择 2 8 1 。因此激光淬火中主要需确定的工艺参数为：激光功率p ，光斑尺 寸d 和扫描速度v 。由于使用高阶模，可将激光功率和光斑尺寸合在一起作为另 一个重要的 ：艺参数激光功率密度e 来选择。一般情况下，激光淬硬层深度满足 关系式【2 9 】： 日! ：墨 d vv ( 2 1 ) 由式( 2 1 ) 可以看出，功率密度大，材料吸收的能量份额就越多，表面温度就 升高，i 司时摄入基体的能量就多，硬化深度也就增大：激光扫描速度影响激光停 留在扫拙线路上各点的时f n j ，也就是影响激光直接加热各点的时i 日j 。冈此，随着 9 零 激光淬火热处理c a m 系统的研究 扫描速度的增加，加热各点的时间缩短，在激光功率密度相同的情况下，材料能 够吸收的激光能量份额小，最终使得材料表面温度下降，同时传入基体的能量也 减少，材料硬化深度下降。根据上式可以帮助选择工艺参数，并且研究表明激光 功率、光斑尺寸和激光扫描速度三者之间可以相互补偿，经调整可以得到相近的 硬化效果。 生产中激光功率由激光器调节设定，光斑尺寸取决于离焦量，扫描速度由光 束移动来控制【3 0 1 。常常根据淬火部位和面积，选取一定大小的光斑，通过一次或 多次扫描来完成。当光斑大小确定以后，要选取一定的功率来满足功率密度的要 求，也就是说光斑大，功率要大，光斑小，功率也可小。最后要满足一定的加热 时间，通过扫描速度来控制。所以为了使工件能够淬火均匀，并且达到一定的淬 火层深度，要把激光功率、光斑尺寸和扫描速度有机地结合起来。 2 2 2 激光淬火组织性能 由于激光加热时，处理表面处由表及里所能达到的最高温度不同，因此各深 度处组织性能有很大的差别；且即使激光工艺参数相同，不同材料处理后组织性 能也不同 3 1 j 。但是从宏观上看，淬硬层由表及罩可分为三个区：固态相变区、过 渡区和基体。淬火过程中，固态相变区吸收热量最多，温度最高，达到奥氏体相 变临界温度以上，淬火最充分，因而该层马氏体含量一般较高，硬度也很高；过 渡区内温度相对较低，因此相变不完全，组织中有马氏体但含量较低；基体内则 几乎还是原始组织，因此硬度仍为原始硬度【3 2 1 。 铁基材料经过激光淬火处理后，在材料表面形成了极细的马氏体组织、极高 的位错密度和压应力，因此材料表面的各项力学性能都得到了改善。大量实验和 实践都证明激光淬火热处理后，工件的耐磨性、抗疲劳性、耐腐蚀性能等均得到 大幅度提高p 引。 2 3 激光淬火设备 激光淬火加工系统是采用计算机对机床的运动及其加工过程进行全面控制， 是一种先进的制造系统。在淬火过程中，按照加工要求，由计算机软件驱动工作 台或激光头进行一定规律的运动，同时对加_ e 机中有关部件进行实时控制，如激 光的输出、光闸- 丌启和关闭、冷却系统的状念、激光能量或功率的监测等。 普通的d h i 机床足用金属刀具在被加j 件上进行加工，属于“接触加工”； 而激光淬火设备的“刀具 是激光束，属于“非接触加工”，可以通过改变各种 参数而使激光束产生性质和功能的变化，实现一机多用。采用激光淬火系统加工 零件，不但可以提高零件的材料性能、加工精度和生产率，还可以增加经济效益， 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 减轻劳动强度，避免激光对工作人员的伤害【3 4 1 。一般来说，激光淬火设备由光学 系统、加工机床和辅助系统这三个部分组成。 2 3 1 光学系统 光学系统包括激光器系统和导光系统【3 0 】。 ( 1 ) 激光器系统 该系统含激光器、激光电源、激光功率监测和显示装置等。激光器是产生激 光的能量源，是激光淬火设备的主体之一。目前用于激光淬火的主要有c 0 2 激光 器和y a g 激光器，由于工件要求具有均匀的硬化层深度，所以用于激光相变硬 化的激光器一般为高阶模。 c 0 2 激光器中工作气体有三种c 0 2 、