設(shè)計等離子激冷淬火槍體開題報告(編輯修改稿)
2025-07-01 06:44 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 在電弧周圍，使弧柱受到強烈地冷卻，迫使帶電粒子流向弧柱中心集中，弧柱被進一步壓縮，這種作用稱“熱壓縮”。此 外帶電粒子在弧柱中的運動可看成是在一束平行的“導(dǎo)線”內(nèi)移動，其自身地磁場所產(chǎn)生的電磁力，使這些“導(dǎo)線”互相吸引靠近，弧柱又進一步被壓縮，這種壓縮作用稱為“磁壓縮”。在上述三種壓縮作用下，弧柱被縮小到很細的范圍內(nèi)，并且由柔性變?yōu)閯傂?，能量密度高度集中，稱為等離子弧。用這種等離子弧加熱工件表面能形成很大的溫度梯度，可使工件表面薄層內(nèi)迅速升溫至熔點或者相變溫度以上，弧柱移走后依靠工件自身的熱傳導(dǎo)，加熱區(qū)迅速 6 冷卻，形成細密的白口或隱針馬氏體類的高硬度組織，提高表面的硬度與耐磨性，而且處理工件變形小、效率高 [7]。根 據(jù)導(dǎo)電方式，可按其結(jié)構(gòu)分成三種類型 : (1)非轉(zhuǎn)移型等離子弧，這種等離子弧的形成是在電極與噴嘴之間的氣室通以氣體，在外加電場作用下，從陰極激發(fā)出電子，使氣體電離產(chǎn)生等離子弧。它的特點是以噴嘴約束電弧直徑，同時噴嘴作為電弧的陽極，工件不接入電路。缺點是這種電弧熱能的有效利用率不高，適用于噴涂、焊接金屬等，不適用于等離子弧表面淬火。 (2)轉(zhuǎn)移型等離子弧，轉(zhuǎn)移弧工作時，工件是導(dǎo)體并作為陽極，噴嘴用來約束電弧。在工作狀態(tài)時，噴嘴不接入電路，電流由工件經(jīng)噴嘴中心通向電極，噴嘴能對弧柱進行良好的壓縮，使弧柱有 很高的能量密度，由于工件是陽極，表面溫度高，加熱深度大，可以獲得較大的硬化深度，熱能有效利用率高。但在產(chǎn)生轉(zhuǎn)移弧之前，需要用小電流的非轉(zhuǎn)移弧作為導(dǎo)體引起轉(zhuǎn)移弧，當(dāng)轉(zhuǎn)移弧電路接通后切斷非轉(zhuǎn)移弧電路。本課題試驗過程中即用轉(zhuǎn)移型等離子弧作為表面淬火的熱源。 (3)聯(lián)合型等離子弧，聯(lián)合弧在工作過程中，轉(zhuǎn)移型與非轉(zhuǎn)移型同時存在。它的優(yōu)點在于擴展電弧的工作電流范圍，保持電弧穩(wěn)定性。對于存在溝、槽的工件，比較適合使用聯(lián)合弧 [8]。 淬火技術(shù)簡介 等離子弧表面淬火屬于一種利用高能量密度熱源對材料進行表面熱 處理的方法。它以等離子弧作為熱源對工件表面進行加熱，使被加熱部位的溫度在很短的時間內(nèi)達到相變溫度以上，然后靠工件自身冷卻和相變獲得所需的組織，從而獲得良好的表面耐磨性和耐腐蝕性。 目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最多的表面淬火方法有火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火和激光表面強化熱處理?；鹧婕訜岜砻娲慊鹗抢萌細?— 氧氣火焰對工件進行局部加熱，然后靠工件自冷或強制冷卻來實現(xiàn)淬火。其主要不足在于化學(xué)火焰溫度不高，溫度上升速度緩慢，易于使靠近處理部位的區(qū)域過熱，工件變形大。感應(yīng)加熱表面淬火是靠外加電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流進 行加熱，這種加熱效果往往受工件形狀的限制，且局部溫度控制也比較困難。 20世紀(jì) 70 年代以來，激光表面淬火開始在航空、航天、機械、電器、兵器和汽車制造等行業(yè)獲 7 得了廣泛應(yīng)用，這種方法可以取得極佳的淬火效果，淬火層硬度高、工件變形小，但其缺點是設(shè)備的價格昂貴且體積龐大，對操作人員的技術(shù)要求高，而且生產(chǎn)成本較高。 等離子弧是一種能量密度僅次于激光和電子束的熱源，可以利用它產(chǎn)生的高溫進行表面強化處理 。 等離子弧表面淬火可用于常規(guī)硬化方法不易處理的表面，如用于齒輪和齒條的齒部、絲杠的螺紋部分等局部表面硬化處理。對于表面積較大的工件如導(dǎo)軌、主軸、桿等，同樣可以獲得較為理想的硬化層所以將其用于工件表面淬火有很好的應(yīng)用前景。這種方法主要有以下特點：可在所需要的部位對工件進行選擇性的表面處理，能量的利用率高，能耗小。 加熱過程非常迅速，高密度的熱流使工件表面能在很短的時間內(nèi)達到很高的溫度，并由表及里形成淬火介質(zhì)，從而實現(xiàn)自冷淬火；且獲得的表面硬度也高于常規(guī)熱處理。它對金屬進行非接觸式加熱沒有機械應(yīng)力作用，且加熱和冷卻速度快，熱應(yīng)力也 小，因此處理后工件的變形較小，可減小或者省去后續(xù)處理。設(shè)備投資小，生產(chǎn)運行成本低，這也是它能在很多場合下取代激光淬火的最主要原因。 等離子弧自本世紀(jì)二十年代被開發(fā)成功以來，以其熱源裝置便宜，工作成本低，操作容易等優(yōu)點，表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。七十年代能源危機的出現(xiàn)，更加速了它的發(fā)展 [9]。等離子弧作為高能量密度的熱源被廣泛應(yīng)用于工業(yè)多種領(lǐng)域。等離子弧焊接，等離子弧切割，等離子弧噴鍍等技術(shù)，己為人們所熟知。進入八十年代，又先后出現(xiàn)了等離子弧加熱切削，等離子弧加熱旋壓波紋管等 新技術(shù)、新工藝，同時，激光表面淬火技術(shù)的迅速發(fā)展及其高成本的條件限制，使人們看到了等離子弧應(yīng)用于表面淬火的希望 [10]。 等離子弧表面淬火加工技術(shù)，目前雖然人們研究的較多，但還沒有形成完整的加工工程體系，大多數(shù)還停留在試驗研究和工程個別應(yīng)用方面，因為等離子弧的工程理論研究是一個多學(xué)科、多領(lǐng)域的交叉研究過程，它是集等離子物理、機電控制、金屬材料學(xué)、傳熱學(xué)于一體的綜合性高新技術(shù)，有從等離子弧產(chǎn)生的本身物理學(xué)系統(tǒng)和電源控制系統(tǒng)進行研究的，有從金屬材料熱處理角度來進行研究的，有從材料的使用性能來進行研究的，有從淬火 工藝的可靠性、穩(wěn)定性來進行研究的，有從熱加工過程分析和溫度場模型計算來進行研究的。但目前從工程角 8 度來看，主要利用等離子弧對材料表面進行處理，來改善材料的表面性能。利用等離子弧改善材料表面性能主要是等離子弧相變硬化，即通過研究等離子弧工藝參數(shù)對金屬組織相變的影響，進而研究對其表面形貌和物理力學(xué)性能的影響，即研究硬化層的深度、硬化區(qū)的硬度分布、表面殘余應(yīng)力、表面耐磨性及表面粗糙度等。 工業(yè)發(fā)達國家?guī)缀跬瑫r進行了等離子弧表面淬火技術(shù)的可行性研究。其中，尤以前蘇聯(lián)，美國，日本，德國等激光表面淬火技術(shù)先進的國家在等離 子弧表面淬火技術(shù)方面也處于領(lǐng)先地位。日本在九十年代初就研究了等離子表面淬火的條件和組織，并用小口徑噴嘴進行碳鋼的等離子淬火，證明如果考慮加熱方法，則和激光同樣可進行局部硬化 [11]。前蘇聯(lián)將等離子淬火法成功地用于強化鑄鐵軋輥，軋輥的壽命提高了，平均工作能力提高了 倍，獲得很大經(jīng)濟效益。后又用氫熱等離子噴射局部硬化高碳鋼，同樣獲得良好效果 [12]。 用以氫為源離子的等離子發(fā)生器硬化鑄鐵部件，研究其抗磨層特性，其硬度可達52～ 60HRC[13]。 等將激光和 等離子工藝相結(jié)合，證明可有效的避免表面裂紋、涂層剝落、工件翹曲的缺陷 [14]。 用空氣等離子弧掃描 70 號高碳鋼表面，進行表面強化，表面硬化層寬為 4Omm，厚 ，并對處理后的機械性能進行了研究，論證了結(jié)構(gòu)強度的變化 [15]。 提出等離子強化輪副，可以有效的提高其接觸疲勞應(yīng)力 [16]。 目前在國內(nèi)，等離子具體應(yīng)用有 :
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