設(shè)計(jì)等離子激冷淬火槍體開題報(bào)告(編輯修改稿)
2025-07-01 06:44 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在電弧周圍，使弧柱受到強(qiáng)烈地冷卻，迫使帶電粒子流向弧柱中心集中，弧柱被進(jìn)一步壓縮，這種作用稱“熱壓縮”。此 外帶電粒子在弧柱中的運(yùn)動(dòng)可看成是在一束平行的“導(dǎo)線”內(nèi)移動(dòng)，其自身地磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電磁力，使這些“導(dǎo)線”互相吸引靠近，弧柱又進(jìn)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(xì)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(diǎn)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(xì)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(chǎng)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(diǎn)是以噴嘴約束電弧直徑，同時(shí)噴嘴作為電弧的陽(yáng)極，工件不接入電路。缺點(diǎn)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(shí)，工件是導(dǎo)體并作為陽(yáng)極，噴嘴用來(lái)約束電弧。在工作狀態(tài)時(shí)，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(duì)弧柱進(jìn)行良好的壓縮，使弧柱有 很高的能量密度，由于工件是陽(yáng)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(yàn)過(guò)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(guò)程中，轉(zhuǎn)移型與非轉(zhuǎn)移型同時(shí)存在。它的優(yōu)點(diǎn)在于擴(kuò)展電弧的工作電流范圍，保持電弧穩(wěn)定性。對(duì)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(jiǎn)介 等離子弧表面淬火屬于一種利用高能量密度熱源對(duì)材料進(jìn)行表面熱 處理的方法。它以等離子弧作為熱源對(duì)工件表面進(jìn)行加熱，使被加熱部位的溫度在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)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(qiáng)化熱處理?；鹧婕訜岜砻娲慊鹗抢萌?xì)?— 氧氣火焰對(duì)工件進(jìn)行局部加熱，然后靠工件自冷或強(qiáng)制冷卻來(lái)實(shí)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(guò)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(jìn) 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(lái)，激光表面淬火開始在航空、航天、機(jī)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(diǎn)是設(shè)備的價(jià)格昂貴且體積龐大，對(duì)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(jìn)行表面強(qiáng)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(duì)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(diǎn)：可在所需要的部位對(duì)工件進(jìn)行選擇性的表面處理，能量的利用率高，能耗小。 加熱過(guò)程非常迅速，高密度的熱流使工件表面能在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度，并由表及里形成淬火介質(zhì)，從而實(shí)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(duì)金屬進(jìn)行非接觸式加熱沒有機(jī)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(yùn)行成本低，這也是它能在很多場(chǎng)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(lái)，以其熱源裝置便宜，工作成本低，操作容易等優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＦ呤甏茉次C(jī)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(jìn)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(shí)，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(yàn)研究和工程個(gè)別應(yīng)用方面，因?yàn)榈入x子弧的工程理論研究是一個(gè)多學(xué)科、多領(lǐng)域的交叉研究過(guò)程，它是集等離子物理、機(jī)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(jìn)行研究的，有從金屬材料熱處理角度來(lái)進(jìn)行研究的，有從材料的使用性能來(lái)進(jìn)行研究的，有從淬火 工藝的可靠性、穩(wěn)定性來(lái)進(jìn)行研究的，有從熱加工過(guò)程分析和溫度場(chǎng)模型計(jì)算來(lái)進(jìn)行研究的。但目前從工程角 8 度來(lái)看，主要利用等離子弧對(duì)材料表面進(jìn)行處理，來(lái)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(guò)研究等離子弧工藝參數(shù)對(duì)金屬組織相變的影響，進(jìn)而研究對(duì)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(dá)國(guó)家?guī)缀跬瑫r(shí)進(jìn)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(guó)，日本，德國(guó)等激光表面淬火技術(shù)先進(jìn)的國(guó)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(jìn)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(jìn)行局部硬化 [11]。前蘇聯(lián)將等離子淬火法成功地用于強(qiáng)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(jì)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(dá)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(hào)高碳鋼表面，進(jìn)行表面強(qiáng)化，表面硬化層寬為 4Omm，厚 ，并對(duì)處理后的機(jī)械性能進(jìn)行了研究，論證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化 [15]。 提出等離子強(qiáng)化輪副，可以有效的提高其接觸疲勞應(yīng)力 [16]。 目前在國(guó)內(nèi)，等離子具體應(yīng)用有 :
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