高等机械设计之等离子体表面淬火

1、高等机械设计方法之等离子体表面淬火-曹修全摘要：本文从机械设计方法的概念出发，推出高等机械设计方法的定义，并介绍了高等机械设计方法常用的的技术手段及其定义。接着以表面淬火为例，分析了表面淬火的定义，各种表面淬火的方法简介，并重点介绍了等离子体表面淬火及利用计算机仿真优化表面淬火参数，提高零件表面硬度的研究现状及其可行性。最后，介绍了本课题组利用层流等离子体进行表面淬火的研究现状。关键词：机械设计、等离子体、表面淬火、仿真1.引言要研究机械设计方法，首先就得明白机械1、机械设计2以及机械设计方法的概念和内涵。所谓机械，就是机构和机器的总称。设计是人类征服自然改造世界的基本活动之一，是人们为满足一

2、定需求而进行的一种创造性的活动实践过程。各种工程机械，如挖掘机、机床、发动机等，从构思到实现都要经过设计和制造两个阶段，机械设计是机械产品生产中至关重要的步骤，合理的设计方法是保证设计质量、加快设计速度、避免和减少设计失误的基础。按照传统定义，机械包含机构和机器两部分。机构是把一个或几个构件的运动变换成其他构件所需的具有确定运动的构件系统。从现代机器的发展来看，机构中的各构件可以都是刚性的，也可以含有柔性构件、弹性构件、液体、气体或电磁体等。而机器实质上就是一种人工物体组成的具有确定机械运动的装置，用来完成一定的工作过程，以代替人类的劳动。随着科学技术的不断发展和进步，机器也便的越来越发杂，现

3、代化机器通常由控制系统、信息测量、处理系统、动力系统以及传动和执行机构系统等组成。无论现代机器如何先进，机械装置都是用于产生确定的机械运动，并通过机械运动来完成有用的工作过程。因此，实现机械运动的传递和执行的机构系统是机器设计的核心，机器中的各个机构通过有序的运动和动力传递来实现其设计功能。所以，机构概念的提出有利于研究机器的组成，特别是作为机器核心的传动和执行机构系统的组成。机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。机械产品设计一般有以下流程：产品需求分析

4、、初步设计阶段、详细设计、仿真分析、快速原型、样机试制。机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。机械设计的最终目标是：在各种限定的条件（如寿命、材料、加工能力、理论知识和计算手段等）下设计出最好的机械。随着机械工程基础理论和价值工程、系统分析等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累，以及计算机的推广应用，机械设计方法和手段越来越多样化。传统的设计大多以经验为基础，运用长期的设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表等作为设计的准则，通过经验公式近似系数或类比方法进行设计。而现代的设计是传统设计的延伸和发展，是以满足市场产品的质量、性能、时间

5、、成本、价格综合效益为最优目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多学科方法和技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体总称。而所谓的高等机械设计3-6是一个相对概念，是基于现有机械设计方法的一个升华，随着科学的发展进步、技术手段和工具等的不断更新换代，其概念本身也在不断的发展完善。就当前技术水平而言，高等机械设计方法概括来说为利用现有的科学技术手段、工具和方法，对机械装置本身进行结构的创新或是性能的提升，并利用计算机等辅助工具对设计的全过程进行管理、检测等，以最短的时间、最高的效率设计出满足规定需求的机械装置。高等机械设计方法与传统机械设计方法的主要区别在于：高等机械

6、设计方法是随着科学技术的发展而不断发展的，它将最新的科学技术手段应用于机械设计过程中，利用最新的科学技术、工具或是理论辅助完成机械装置的设计，覆盖设计的全过程。高等机械设计方法也可以从设计和机械装置本身两方面加以理解。从设计方面来讲，其又可分为设计本身的内涵和设计的方式方法。设计是根据市场需求，以产品为目标，利用一定的方式方法完成产品的更新换代。而随着科学技术的发展，逐渐出现了各种设计方法：并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化设计、计算机仿真设计、人机学设计、摩擦学设计、反求设计、疲劳设计等。从机械装置本身来讲，主要包含机械结构的创新和零部件

7、性能的提升。机械结构的创新是指根据创新理论（方法学），发明创造出新的机构或结构，以满足某种需求。而机械零部件性能的提高则主要包括：疲劳强度、屈服强度、刚度、剪切强度等的提高，新材料的研制，新材料的应用等。综上所述，高等机械设计方法就是利用各种新理论、新工具、新方法学，对机械装置进行结构的创新或是性能的提高，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称，是一门逐渐发展完善的方法学。2.高等机械设计方法常用手段高等机械设计3-6常用手段主要包括：并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅

8、助设计、动态设计、模块化设计、计算机仿真设计、人机学设计、摩擦学设计、疲劳设计、反求设计、无障碍设计、共用性设计等。一、并行设计并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。二、虚拟设计在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复，往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。所谓的虚拟制造(也叫拟实制造)指的

9、是利用仿真技术、信息技术、计算机技术和现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，发现制造过程中可能出现的问题，在真实制造以前，解决这些问题，以缩减产品上市的时间，降低产品开发、制造成本，并提高产品的市场竞争力。虚拟设计能实现在产品加工制造之前，建立产品的功能、结构模型，并能对其进行修改和评审，以满足不同客户的要求。它不仅继承了传统CAD设计的优点也具备了仿真技术可视化的特点，更能支持协同工作和并行设计，从而缩短了产品开发周期并通过各先进技术的利用和补充，使产品保持技术上的优势。三、绿色设计绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染

10、的措施纳人产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。四、可靠性设计机电产品的可靠性设计可定义为:产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计是以概率论为数学基础，从统计学的角度去观察偶然事件，并从偶然事件中找出其某些必然发生的规律，而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发生的可能性(概率)之间的关系。用来描述这种关系的模型很多，如正态分布模型、指数分布模和威尔分布模型。可靠性常用的数值标准有:可靠度(Reliability)、失效率(FailureRate)平均寿命(MeanUfe)。机电系统的可靠性不仅与组成系统单元(机械单元、电

11、气单元或混合单元)的可靠性有关，还与组成该系统各单元间的组合方式和相互匹配有关。五、智能优化设计随着与机电一体化相关技术不断的发展，以及机电一体化技术的广泛使用，我们面临的将是越来越复杂的机电系统。解决复杂系统的出路在于使用智能优化的设计手段。智能优化设计突破了传统的优化设计的局限，它更强调人工智能在优化设计中的作用。智能优化设计应该以计算机为实现手段，与控制论、信息论、决策论相结合，使现代机电产品具有自学习、自组织、自适应的能力，其创造性在于借助三维图形，智能化软件和多媒体工具等对产品进行开发设计。六、计算机辅助设计机械计算机辅助设计（机械CAD）技术，是在一定的计算机辅助设计平台上，对所设

12、计的机械零、部件，输入要达到的技术参数，由计算机进行强度，刚度，稳定性校核，然后输出标准的机械图纸，简化了大量人工计算及绘图，效率比人工提高几十倍甚至更多。七、动态设计动态设计法是在计算参数难以准确确定、设计理论和方法带有经验性和类比性时，根据施工中反馈的信息和监控资料完善设计，是一种客观求实、准确安全的设计方法。八、模块化设计结构模块化设计主要是以功能化的产品结构为基础，分解现有的产品，在分解中考虑到各个要素的可行性，从而在早期就预测到设计中可能会出现的矛盾，提高设计的可行性和可靠性，降低产品的成本。九、计算仿真设计根据工程机械不同的作业功能，在计算机上模拟各种作业过程，以分析和确定各种状态

13、下的作业参数，研究工程机械各系统主要部件的结构合理性，借助数学实验等方法预估工程机械的作业效果，从而可大大减少设计上的失误，避免或减少走弯路。十、人机学设计应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及

14、心理因素对工作效率的影响等。十一、摩擦学设计摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘摩擦学系统过程研究学科。以减小摩擦为目的的设计，即为摩擦学设计。十三、疲劳设计疲劳材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。疲劳理论和疲劳试验对于设计各类承受循环载荷的机械和结构，成为重要的研究内容。疲劳有限寿命设计中进行寿命估算，必须了解材料的疲劳性能，以此作为理论计算的依据。由于疲劳寿命的长短取决于所承受的循环载荷大小，为此还必须编制出供理论分析和全尺寸疲劳试验用的载

15、荷谱，再根据与各种疲劳相适应的损伤模型估算出疲劳寿命。十四、反求设计反求设计（也称逆向设计），是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理(数据采集、数据处理)，并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的CAD模型(曲面模型重构)，并进一步用CAD/CAECAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。十五、无障碍设计（barrierfreedesign）这个概念名称始见于1974年，是联合国组织提出的设计新主张。无障碍设计强调在科学技术高度发展的现代社会，一切有关人类衣食住行的公共空间环境以及各类建筑设施、设备的规划设计，都必须充分考虑具有不同程度生理伤残缺陷者和正常活动能力衰退

16、者（如残疾人、老年人）群众的使用需求，配备能够应答、满足这些需求的服务功能与装置，营造一个充满爱与关怀、切实保障人类安全、方便、舒适的现代生活环境。十六、共用性设计UD(Universal Design)是指在商业利润的前提下和现有生产技术条件下，产品（广义的，包括器具环境系统和过程等）的设计尽可能使不同能力的使用者（例如残疾人老年人等），在不同的外界条件下能够安全舒适地使用的一种设计过程。3.表面淬火及其常用方法我国淬火工艺技术历史悠久，早在青铜器冶炼技术诞生时，古人便开始了淬火工艺的应用，对青铜器进行淬火7。淬火（以钢为例）是指将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温

17、度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的速度快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺，是提高钢材硬度、耐磨性等性能的最常用的技术手段。表面淬火是指将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。表面淬火时通过快速加热，使钢件表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。表面淬火的目的在于获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韧性，常用于机床主轴，齿轮，发动机的曲轴等。常用的表面淬火技术有：感应加热表面淬火8, 9、火焰加热表面淬火10、激光加热表面淬火11, 12、等离

18、子体加热表面淬火13-15等。感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并使之迅速加热到奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法，如图1所示。图1 感应加热表面淬火示意图根据图1，表面淬火原理为当交变电流通过感应器时，产生的交变磁场使放在感应器内的工件表面形成闭合的回路感应电流，称为涡流，此涡流将电能变成热能，使工件表面加热。涡流主要分布于工件表面，产生集肤效应，使感应电流产生的电阻热将工件表面加热。交变电流频率越高，集肤效应越强烈，电流渗入深度越浅。感应加热表面淬火的特点：1）加热集中在工件表面层，加热速度快。由于集肤效应，在进行感应淬火时

19、，电流主要集中在表面，从而使的工件表面迅速加热到相变温度；2）加热时间短，表面氧化、脱碳轻微。感应淬火感应电流密度大，加热时间短，从而工件高温表面与空气接触时间短，减少了工件表面的氧化和脱碳；3）淬火质量好。感应淬火得到极细马氏体，表面硬度高，耐磨性好，疲劳强度高；4）淬火层深度易于控制，易实现机械化和自动化。感应加热表面淬火的局限性：1）与普通淬火相比，设备成本较高；2）感应加热时，容易使零件的尖角和棱边处过热，即所谓的“尖角效应”；3）对一些形状复杂的零件，感应加热淬火难以保证所有的淬火面都能获得均匀的表面淬硬层。火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火一般是利用氧乙炔火焰或煤气火焰将工件表面层迅

20、速加热到淬火温度，立即喷水冷却，如图2所示。该方法淬火深度一般可达26mm，主要适用于单件小批量生产及大型零件的表面淬火或局部淬火。图2 火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火优点在于：1）设备简单，设备及运行成本低；2）灵活性大，适合于移动式处理。火焰加热表面淬火缺点在于：1）加热温度不易控制，容易引起过热；2）淬火质量不稳定，可重复性精度不高；3）需要油、水等冷却介质进行冷却，淬火后表面清洁度不高。激光加热表面淬火激光加热表面淬火是利用激光束扫描工件表面，使工件表面立即达到淬火温度，激光束离开后依靠工件自身的散热造成急速冷却而达到淬火的目的，其原理图如图3所示。其淬硬层深度一般为0.30.

21、5mm。激光加热表面淬火特点在于：1）淬火质量好。激光加热表面淬火后，淬硬层为极细的马氏体组织，硬度高、耐磨性好；2）可控性好、可重复精度高，易于实现自动化；3）能对形状复杂的工件的拐角、沟槽、盲孔底部或深孔侧壁进行淬火；4）工件热变形小，适合于高精度热处理；5）不需要油或水等冷却介质，是清洁的、快速的淬火工艺。激光加热表面淬火缺点在于：1）设备成本高，激光器成本高，维修维护困难；2）热转换效率低。由于激光器本身的原理所致，激光热转换效率较低；3）对加工环境要求高，尤其不宜在高粉尘的场合使用。图3 激光加热表面淬火原理图等离子体加热表面淬火等离子体加热表面淬火原理与激光加热表面淬火相似，是利用

22、等离子体射流扫描工件表面，使工件表面立即达到淬火温度，等离子体束离开后依靠工件自身的散热造成急速冷却而达到淬火的目的，其工艺过程如图4所示。其淬硬层深度一般为0.31.5mm。图4 等离子体加热表面淬火示意图等离子体加热表面淬火具有如下特点：1）设备成本低，维修维护简单。；2）对使用环境要求低，适合于大型工厂厂房内使用；3）淬火质量好。等离子体加热表面淬火后基本为晶粒细小的马氏体组织，淬火硬度可提高3倍以上；4）易于实现自动化；5）可以实现工件表面局部淬火。对于某些有特殊要求的工件，实现其部分区域达到淬火要求而不影响其他区域的性能，等离子体加热表面淬火缺点在于：1）可重复性较差。由于等离子体热

23、源本身的波动性，导致等离子体射流在轴向方向上温度容易波动，从而导致其淬火时可重复性较差；2）淬硬层深度一致性较差。由于等离子体射流截面热流密度呈高斯分布，从而使得淬火工件的硬度在深度方向上呈现月牙形分布，而非均匀一致的淬火厚度。4.等离子体加热表面淬火技术等离子体加热表面淬火技术发展现状等离子体是指由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。通常根据其宏观温度的高低将等离子体分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体主要是指其宏观温度可达几万度甚至更高，其重粒子温度与电子温度接近的平衡态等离子体，常

24、被应用于焊接16、切割17、表面淬火18-20、垃圾焚烧21, 22等领域。根据其能量形式的不同，热等离子体通常分为电弧热等离子体23-26、微波等热离子体27, 28等，而电弧热等离子体是最常用的热等离子体形式。电弧等离子体是指通过在一个用于产生等离子体的装置（被称为等离子体发生器）的阴阳极施加直流电源，在高能量的作用下将进入等离子体发生器的工作气体电离成为电子、粒子、离子等组成的高温混合气体，其最高温度可达30000K以上。如前所述，等离子体加热表面淬火即利用等离子体的高温、高能量密度，迅速将工件表面温度加热到工件淬火温度以上，然后利用工件自身的冷却作用而达到表面淬火的目的。由于过去的理论

25、认为，等离子体的能量密度较低，热量的分布难于控制，不适宜应用于表面淬火，所以等离子体加热表面淬火技术在其应用于焊接领域后又经历了30多年的艰难发展历程。1984年，美国的Townsend P. D首先提出可以将等离子体技术应用于工件表面的淬火，1991年日本的木村达夫、宫崎俊行等人用小口径喷枪对碳钢进行了等离子体表面淬火实验，证实了用等离子体进行表面淬火的可行性，人们才逐渐认识到等离子体表面淬火的重要性。国外的一些科研机构为此做了大量的研究，并相继将一些科研成果转化为了产品，其中较好的公司有美国的Orelikon-Wielding Ltd. 公司等。国内等离子体表面淬火技术起步较晚，到了90年

26、代才逐渐引起人们的重视，如山东科技大学的崔洪之、徐克宝等，青岛建筑工程学院的林化春、青岛化工学院的赵强等为此作了一定的工作。其中有些产品已经付诸实践，如内燃机缸套内壁的强化、井下刮板输送机中部槽的强化、各类冷轧辊的强化等等。下面将结合具体实例对等离子体表面淬火技术的发展现状做一个概略介绍。由于国外等离子体表面淬火技术发展较早，相比于国内等离子体表面淬火技术更为成熟，研究成果更多，在此仅以几个简单的例子进行说明。1997年，M. Yan等人29研究了利用等离子体对45#钢进行表面淬火的研究。 他们采用WLH-10B型等离子体发生系统在45#钢上面进行了表面淬火实验，对淬火后的工件进行了晶相组织观

27、察，并组织了耐磨性实验和腐蚀性实验。研究发现，利用等离子体表面淬火处理后，45#钢的大部分组织都变成了马氏体，而至残留了极少数一部分奥氏体；其表面耐磨性也得到了大幅度提高；但是由于合金元素没有改变，所以其耐腐蚀性能并没有提高；利用数学方法推导了表面淬火时的温度场分布和扫描速度公式。2001年，L.J. Yang等人30在ASSAB 760钢上面进行了等离子体表面淬火研究。采用正交实验法系统的研究了等离子体电流、发生器移动速度、等离子体气流量和射流直径对等离子体表面淬火效果的影响。结果发现：淬火深度变化范围为0.08mm0.37mm，平均硬度深度为0.195mm；而采用最好的工艺参数进行淬火，其

28、淬火平均深度高达0.36mm；最大淬火硬度达753HV，因此，采用等离子体对ASSAB 760钢进行表面淬火，淬火效果明显。2009年，L. Cenk Kumruoglu等人31利用等离子体表面淬火技术对中碳钢进行了表面淬火研究。在对中碳钢进行了等离子体表面淬火实验后，进行了硬度测试和围观组织观察。研究发现：通过几分钟的保温时间（900950），其淬火深度可高达8mm，而其硬度在450800HV之间。2010年，L. Cenk Kumruolu等人32研究了等离子体表面淬火技术在AISI 4140钢表面的应用。在对AISI4140高速钢进行了系统的表面淬火工艺研究后，利用淬火后的工件进行了耐磨

29、性实验。研究结果表明：通过采用不同的工艺参数，等离子体表面淬火技术在该材料上的淬火深度可高达37m；淬火时间较短，在1060s的时间里，其淬火硬度可高达700800HV，且随着电压功率的升高，其淬火时间逐渐缩短。虽然我国等离子体表面淬火技术发展相比于国外要晚的多，但在我国科研工作者的不懈努力下已经取得了不错的成就。下面将着重介绍我国等离子体表面淬火技术方面的相关研究成果。2002年，华中科技大学连为民等人33用等离子体淬火技术处理了机床导轨。采用介质气体为Ar的常压低温等离子束作为热源。其工作过程为：机床导轨固定在工作台上静止不动，利用数控机床进行三坐标联动，精确地控制安装在机床主轴上的等离子

30、发生器（等离子距），对机床导轨进行表面淬火，使其表面硬度达到工作要求。在这套系统中，等离子发生器是主要的工作器具，数控机床是对其实行精确控制的载体。用等离子束加热工件表面，可以形成很大的温度梯度，可使工件表面薄层内迅速升温至熔点或相变温度以上，束柱移走后依靠工件自身的热传导，加热区迅速冷却，形成细密的白口或隐针马氏体类的高硬度组织，提高表面的硬度和耐磨性，而且处理工件的变形小、效率高。一般的机床导轨，经等离子淬火后，其硬化层硬度可达800900HV，深度可达0.10.2mm，组织为细小的隐针马氏体。而且在淬火深度范围内，其硬度变化不明显，完全能够达到使用要求。实践证明，利用等离子技术处理机床导

31、轨，具有工作性能稳定、工作效率高、设备投资小（约为激光的三分之一）、处理成本低、对环境无特殊要求、设备维护简单等优点，其经济效益是非常可观的。2004年，中科研力学研究所潘文霞等人20利用自制的层流等离子体在含有Wo-Mo-Cu的铸铁表面进行了等离子体表面淬火实验。利用自制的层流等离子体发生器在工件表面进行了单道实验、多道非搭接实验和多道搭接实验，分析了其晶相组织和硬度的不同。实验结果表面：1）经层流等离子体表面淬火处理后的工件平均硬度为700HV，而采用单道处理的工件硬度高达900HV，是基材硬度的3倍；2）在淬火电流从180A升高到195A的过程中，淬火深度从0.6mm增加到了1.6mm；

32、3）单道淬火的效果显然优于多道淬火的效果。2005年，任宝臣等人15对等离子体表面淬火在磨辊方面的应用进行了研究。等离子束扫描加热工件表面, 可以形成很大的温度梯度, 可使工件表面薄层内迅速升温至熔点或相变温度以上, 而工件内部仍为室温, 束柱移走后依靠工件自身的热传导, 加热区迅速冷却, 形成细密的隐针马氏体类的高硬度组织, 提高了工件表面的硬度和耐磨性, 并且处理工件的效率高、变形小。同时, 该工艺为自冷却方式, 是一种清洁卫生的热处理方法。在实验时，将齿辊置于试验工作台的托架上, 调整等离子喷嘴与磨辊齿峰之间的距离, 同时调整好等离子发生器的工作电压值、工作电流值、扫描线速度及工作气体流

33、量。根据磨辊齿宽选择合适的喷嘴孔径。然后启动等离子发生器电源、气源, 生成高能等离子束并沿辊齿进行快速扫描。辊齿经等离子束扫描后, 通过金相组织分析和硬度测试, 硬化层深度可达0.2mm, 硬化层硬度可达900HV。由于高温快速扫描, 冷却迅速, 硬化层组织为细小的隐针马氏体。并且硬化层在某一深度范围内硬度值几乎一样,无明显的硬度下降梯度。同时硬化层内残留有相当大的压应力, 从而增加了磨辊表面的疲劳强度, 提高了磨辊辊齿的耐磨性和抗疲劳性能。总之，磨辊在经过等离子体表面淬火后：1) 硬度显著提高, 并且经高温处理后齿顶棱角圆弧化。实践证明, 这种齿顶圆弧化的辊齿在小麦研磨中效果更好；2)由于粒

34、子束快速扫描, 辊齿迅速自冷却, 加热效率高, 辊齿变形小, 且对辊齿表面粗糙度影响不大；3)辊齿处理过程中, 工作电压值、工作电流值、扫描线速度、工作气体流量及喷嘴辊齿间距是影响辊齿淬火质量的重要参变量, 选择最佳工艺参数是辊齿淬火质量的保证。2005年，广西大学学院温宗胤、冯树强等人13, 34过对45钢的等离子体表面淬火试验及金相分析, 探讨了等离子体淬火工艺参数对材料硬化效果的影响规律, 并得出最佳淬火工艺参数。使用CGP200 型等离子发生器、特制的LHQ300型非转移弧喷枪, 改装的CQ6140车床等共同组成的等离子体淬火装置对正火态的45钢试件进行了表面淬火。通过改变发生器喷嘴的

35、直径、喷嘴到工件的距离、等离子体束扫描速度、等离子体发生器工作电流和等离子体工作气压等参数，综合考察各工艺参数对淬硬层的深度、宽度、硬度及表面粗糙度的影响, 并结合实际应用要求, 得出本次试验条件下的最佳工艺参数。研究结果表面：1) 等离子体表面淬火可获得高硬度、超细化的淬火组织；2) 喷嘴直径、扫描速度、工作电流、喷嘴到工件的距离、等离子气体的气压都对等离子淬火效果产生较大的影响, 在本次试验中, 对硬度影响最显著的因素是工作电流; 而淬硬层深度和宽度则受工件到喷嘴的距离影响最大；3) 本次试验获得较理想的淬火工艺参数为: 喷嘴直径d=4. 5mm, 扫描速度V=4. 2m/ min, 喷嘴

36、到工件距离H=8mm, 工作电流I=125A, 工作气压=0. 075MPa。其淬火效果为: 硬度HV824, 深度0.438mm, 宽度4.002mm。2005年，山东科技大学李银俊等人14, 35利用等离子体淬火提高了气缸套的等耐磨性。他们通过改变改变扫描处理的轨迹形状、改变扫描处理速度、改变扫描轨迹间隔、改变加热电源的加热功率、当改变加热距离等几种方法改变等离子体表面淬火效果。可控范围和控制的灵活性与可靠性方面来讲，采用改变扫描处理的轨迹形状、改变扫描处理的速度和改变轨迹间隔的方法实现“等耐磨性”是最佳选择方案。通过实验发现，经等离子体表面淬火处理后的气缸套有以下有益效果：1)使气缸套内

37、表面的磨损均匀化，避免出现磨损后的上喇叭口形状；2)更换活塞和活塞环时减小镗缸量；3)提高发动机气室的密封性能；4)减小发动机的运行噪音。2006年，西安交大李鹏亮等人36研究了等离子体表面淬火后的1Cr12Ni2W1Mo1V钢的疲劳行为。经过调质处理的试样在国产等离子喷焊设备上进行等离子淬火处理，等离子弧温度约20000左右，空冷，淬硬层深约1.5mm。等离子淬火后，将试样分为两组，分别在250和540下回火 ，硬度分别为4346HRC和3841HRC。结果发现：1）模拟点蚀坑疲劳裂纹萌生和扩展试验结果表明，等离子淬火细化了晶粒、提高了材料的表面硬度以及引入了有利的残余压应力，提高了汽轮机末

38、级叶片用钢的疲劳强度。2）等离子淬火后不同温度回火试样对比试验结果表明， 回火试样疲劳裂纹萌生抗力较高，疲劳裂纹扩展速率较小。3） 回火显微组织中存在有大量的残留奥氏体，在钻孔和疲劳裂纹扩展过程中发生的应变诱发马氏体相变过程，有利于提高疲劳裂纹萌生抗力，降低裂纹扩展速率。2007年，东方汽轮机厂刘显惠等人37对40”末级叶片等离子体淬火工艺进行了开发。他们利用自主开发等离子体淬火设备，在机械手的配合下，在40”与851mm末级叶片进汽边上进行了防水蚀淬火的工艺试验，并对试验结果进行了分析。研究结果表面：1）40”叶片等离子淬火的硬化与硬化包边的效果好，达到设计要求。叶片进汽边尖端512mm范围

39、内淬透，硬化区最高维氏硬度可达450500HV；2）由于等离子淬火瞬间加热，特别是独有的瞬间冷却的特点，淬火区硬化层的晶粒细化效果显著，基材晶粒可以细化至8级或更细小。3）等离子淬火、回火的叶片，淬火带及热影响区残余应力为压应力。残余压应力能够延缓疲劳裂纹的萌生，抑制淬硬层中疲劳裂纹的扩展。等离子淬火硬化的首批800mm叶片已在电厂安全运行10年以上，其它各类等离子淬火叶片均在长期的安全运行之中。4）等离子淬火造成的叶片扭曲变形与弯曲变形小，不会影响装配，加工完毕的成品叶片可直接进行等离子淬火，不必像高频淬火那样，40”长叶片在淬火之前需特意增加一次高温作应力回火处理。5）新开发的叶片防水蚀淬

40、火机械手淬火装置，自动化程度高，型线测量与淬火整个过程由计算机操控，能保证淬火参数的稳定性和过程的重现性，可满足40”与851末级大型叶片防水蚀区的淬火要求。6）20052006年，采用防水蚀淬火机械手淬火装置，已成功完成600MW正、反向末级叶片进汽边淬火及低温回火共计799片，等离子淬火的长叶片装配过程十分顺利。通过以上列举的研究成果不难看出，进入21世纪以来，我国科研工作者已经注意到了等离子体表面淬火的优势，从而对其进行了较多的研究，取得了不菲的科研成果，并将研究成果转化到了实际工程应用中，提高了部分机械产品的使用性能，从而延长了其使用寿命，创造了明显的经济价值。当然，由于篇幅所限，此处

41、仅对部分科研成果进行了概要性说明。等离子体表面淬火仿真研究计算机仿真定义及其步骤计算机仿真是计算机辅助设计的一种重要方式，也是高等机械设计方法常用的计算机辅助手段。它是通过建立某一过程或某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供关于这一过程或系统的定量分析结果，作为决策的理论依据。计算机仿真减少了实际设计过程中的实验次数、实验成本等，以更快更方便更经济的方式达到设计要求，完成设计任务。它是以相似原理、信息技术、系统技术及相应领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系

42、统进行试验研究的一门综合性技术。计算机仿真技术具有经济、安全、可重复和不受气候、场地、时间限制的优势，被称为除理论推导和科学试验之外的人类认识自然、改造自然的第三种手段。可以说计算机仿真是高等机械设计发展的重要里程，极大的促进了高等机械设计方法的进一步发展，被广泛应用于国防、工业及其他人类生产生活的各个方面，如：航空、航天、兵器、国防电子、船舶、电力、石化等行业，特别是应用于现代高科技装备的论证、研制、生产、使用和维护过程。计算机仿真一般分为以下步骤：1.建立数学模型 系统的数学模型是系统本身固有特性以及在外界作用下动态响应的数学描述形态。它有多种表达形式，如连续系统的微分方程、离散系统的差分

43、方程、复杂系统的传递函数以及机械制造系统中对各种离散事件的系统分析模型等。要注意的是，仿真所需建立的数学模型应与优化设计等其它设计方法中建立的数学模型相协调。某种情况下，二者是同一的，即使不同一，也不应相互矛盾、相互违背。2建立仿真模型 在建立数学模型的基础上，设计一种求解数学模型的算法，即选择仿真方法，建立仿真模型。如果仿真模型与假设条件偏离系统模型，或者仿真方法选择不当，则将降低仿真结果的价值和可信度。一般而言，仿真模型对实际系统描述得越细致，仿真结果就越真实可信，但同时，仿真实验输入的数据集就越大，仿真建模的复杂度和仿真时间都会增加。因此，需要在可信度、真实度与复杂度之间认真加以权衡。3

44、编制仿真程序 根据仿真模型，画出仿真流程图，再使用通用高级语言或专用仿真语言编制计算机程序。目前，世界上已发表过数百种各有侧重的仿真语言。常用的有SIMULA、SLAM、SIM-SCRIPT、CSMP、Q-GERT、GASP、GPSS、CSL等，与通用高级语言相比，具有仿真程序编制简单、仿真效率高、仿真过程数据处理能力强等特点。4进行仿真实验 选择并输入仿真所需要的全部数据，在计算机上运行仿真程序，进行仿真实验，以获得实验数据，并动态显示仿真结果。通常是以时间为序，按时间间隔计算出每个状态结果，在屏幕上轮流显示，以便直观形象地观察到实验全过程。5结果统计分析 对仿真实验结果数据进行统计分析，对

45、照设计需求和预期目标，综合评价仿真对象。6仿真工作总结 对仿真模型的适用范围、可信度，仿真实验的运行状态、费用等进行总结。计算机仿真在淬火方面的应用表面淬火仿真是指借助于计算机强大的运算能力，利用ANSYS等仿真软件，将淬火过程在计算机中进行模拟，从而指导淬火实验设计。计算机仿真技术在淬火方面的应用改变了传统的采用试错法进行实验研究的方法，借助于计算机在实验室进行仿真研究而减少了实际实验次数，不仅节约了时间，还节约了人力、物力成本，摆脱了物理设备的限制，使得个别没有实验设备的科研单位也恩能够进行该方面的研究，促进了该技术的进一步发展。随着计算机技术的发展和新型淬火工艺的出现，已经有诸多科研工作

46、者利用计算机仿真对淬火进行了研究，并将仿真结果与实验结果进行了比较，取得了较好的一致性。同时，随着等离子体表面淬火技术的发展，也已经有部分科研工作者对等离子体表面淬火过程进行了数值模拟。1998年，上海交通大学潘健生等人38就利用计算机仿真进行了45#钢淬火的三维瞬态温度场和相变的计算机模拟。在文中提出了一种应用非线性瞬态温度场与相变耦合的有限元算法进行淬火过程的计算机模拟的方法。结果表明：1）应用本文所建立的非线性瞬态温度场与相变耦合的有限元算法，进行淬火过程的计算机模拟,计算结果与实测值比较接近。2) 三维模型更接近于实际工件的淬火过程,因此具有更大的实用价值,计算机模拟的结果直观地反映出

47、有关温度场和相变过程的深层面的信息。3) 用曲线拟合方法建立数值化T T T曲线,便于计算机存贮和调用,根据已知成分相近的T TT 图,拟合与工件实际成分对应T T T 曲线有助于提高相变量计算的精度。4 ) 相变计算的精度依然是有待进一步提高的重要环节,本文和大多数文献一样,用相加性原理计算连续冷却过程的转变量,这种方法的适用性和准确性尚需作进一步深入研究。2003年，昆明理工大学谢建斌等人39对1045钢淬火时的温度场进行了数值模拟。他们基于实验测定的1045钢淬火冷却曲线, 应用有限差分原理和非线性估计法对非线性导热方程的逆问题进行了求解, 给出了一种求解钢淬火时非线性表面换热系数的方法

48、;应用数学转换方法计算了1045钢在连续冷却时奥氏体、珠光体、贝氏体和马氏体的体积百分数.应用有限元分析软件ANSYS计算了1045钢淬火时具有相变和非线性表面换热系数的温度场。结果表明：1）钢淬火时的导热、换热情况是非线性的。在钢淬火时表面换热系数测试技术和换热机理不太完善的情况下, 应用有限差分法、非线性估计法和实测的冷却曲线来确定钢淬火时表面换热系数和温度场等非线性热问题是非常简便有效的。它不仅利用了温度测试技术较简单成熟的优点, 而且适用于各种淬火液, 计算速度快, 因此便于工程应用。2）在进行淬火温度场的数值模拟时, 考虑热、材料微观组织和力学的耦合作用是非常重要的。为了得到理想的模

49、拟计算结果, 应该充分考虑到淬火时材料中的相变潜热和焓变情况。2003年，重庆大学赖宏等人40基于ANSYS软件模拟了45#钢淬火过程的温度场。通过利用ANSYS有限元分析软件对几何外形复杂的45钢零件淬火过程温度场进行有限元模拟，得到了零件温度随淬火时间的分布关系。模拟结果与实际过程一致，且运算速度较快，适用于淬火液的选取及淬火工艺的优化，并为精确计算淬火过程中的热应力、残余应力做好了准备工作。2006年，东华大学陈海燕等人41基于ANSYS进行了织针淬火加热过程的温度场模拟。他们针对织针网带炉淬火，利用有限元分析软件ANSYS，对织针加热过程中的温度变化进行了模拟。模拟结果表明：1)在网带

50、炉生产条件下，织针淬火加热过程中的温度控制至关重要，由于织针精细，难以实测，计算机模拟就成了首选办法。研究证明，影响织针加热的网带炉炉膛内的温度分布是不均匀的，织针本身在炉内的位置亦在不断变化，因而不能简单地直接采用ANSYS软件对该过程进行模拟，需进行其边界条件的转换，即通过转换坐标系的加载方法，使得织针的ANSYS计算成为可能。2)在淬火加热过程中。织针的针勾部位升温较快，针身部位升温较慢。并且，网带速度的大小对织针的升温曲线影响较大。随着网带速度的提高，织针在加热前期的内部温差越来越大，而织针在加热后期的保温时间越来越短。根据模拟结果，可以对织针淬火工艺参数如网带速度，进行调整和优化。3

51、)通过对某厂原淬火工艺参数的温度场进行模拟，进一步证实了织针表面硬度不足的原因之一是织针在淬火过程中存在氧化脱碳现。2007年，中北大学任凤华等人42基于Ansys软件对CrMn钢圆刀片淬火应力场进行了模拟。他们利用有限元分析软件ANSYS对CrMn钢圆刀片改进前后两种不同淬火工艺进行了模拟仿真，并进行了对比研究。研究结果表明：1)应用大型有限元软件ANSYS利用耦合法模拟了CrMn钢圆刀片在工艺改进前后两种不同状态下淬火过程中的温度场和应力场分布，为其改进工艺提供了有力的佐证，也为淬火数值模拟技术提供了可靠的数据。2)模拟结果表明，热应力和组织应力的共同作用使CrMn钢圆刀片的应力场变化十分

52、复杂。其残余应力为热应力型分布。3)该模型能对CrMn钢圆刀片淬火过程进行较准确的模拟，对其淬火工艺及后续消除残余应力工艺的制定都具有参考价值和指导意义。2011年，中国科学技术大学金珍等人43基于ANSYS软件进行了等离子体表面淬火过程的温度场模拟。基于ANSYS软件建立并模拟了等离子弧表面淬火过程的温度场，由此得出工件任意点的温度分布和淬硬层的分布，根据淬硬相变温度预测离子束淬火的最大硬化深度和各节点到达最高温度时间，并通过45钢的淬火试验验证了模拟结果与试验结果的一致性。结果表明：考虑了相变潜热的等离子弧表面淬火温度场模拟结果预测的硬化层边界分布与45钢试样的实验结果非常吻合，故该有限元

53、模型具有很高的精度。在上述温度场模型中，可以清楚的看出淬火带分布，并可计算出工件淬硬层深度和淬火带的宽度。根据节点的温度曲线，可以计算出各点依据工件的奥氏体化温度范围，可以清楚的计算出工件上各节点的脆硬保持时间。2012年，中国科学技术大学王硕桂等人44分析了基于ANSYS软件的等离子体淬火过程温度场仿真模拟精度。利用ANSYS软件建立了等离子弧表面淬火的有限元模型并模拟了等离子弧表面淬火的温度场。研究了被淬火材料的物性参数和相变潜热对温度场模拟精度的影响。研究结果表明：1)采用高斯热源模型，建立了等离子弧表面淬火的温度场有限元模型，在常物性参数计算条件下，模拟结果误差很大，而变物性参数得到的

54、模拟结果与实际比较吻合，是否考虑相变潜热也影响模拟精度，但影响程度比物性参数的小。2)考虑了相变潜热及变物性参数的温度场与实际几乎一致，模拟结果的精度很高。2012年，哈尔滨大电机研究所袁美玲等人45做了有关35CrMo 钢淬火过程数值模拟研究。他们以35CrMo 钢为研究对象，建立有限元模型，模拟了不同截面尺寸试样以及在不同淬火介质中淬冷过程。研究结果表明：1）应用有限元法，对35CrMo钢圆柱试样淬火过程进行了数值模拟。通过计算分析，得到每一瞬时、每一点的温度场、应力场和组织场的信息，能够直观地反映出淬火过程的变化情况。 2）在淬火冷却初期，试样表面的冷速远远大于心部，使试样产生较大的瞬时

55、应力，这也是诱发应力突变的主要原因。随着冷却时间的延长，表面与心部的温差逐渐减小，温度分布趋于平缓。 3）在淬火过程中，由相变产生的应力对试样的整体应力分布起着极其重要的作用。相变应力的产生与温差、冷却速度密切相关。对于35CrMo钢而言，水冷易产生较大的内应力，影响钢材的使用性能。 4）淬火后试样的硬度值主要取决于马氏体的含量，因此硬度分布趋势与马氏体含量的分布趋势一致。当然，纵观国内外，对淬火过程进行计算机仿真的科研工作者及其科研成果已经很多，在此仅列举了我国部分科研工作者的科研成果，还有诸如文献46-50所述的科研成果均未能详细描述。而随着等离子体表面淬火技术的发展，基于计算机仿真模拟其

56、淬火过程的研究也越来越过，均不在此一一列举。下面将结合本课题组的科研内容，讲述本课题组在等离子体表面淬火方面的实验成果及利用计算机仿真模拟等离子体表面淬火过程的温度场，以验证计算机仿真在等离子体表面淬火方面的应用的可行性。本课题组利用自制的层流等离子体发生器产生的层流等离子体射流在45#钢表面进行了多次淬火实验，取得了良好的实验效果。同时还利用ANSYS仿真软件对等离子体表面淬火过程的温度场进行了模拟，并与实验结果进行了比较，取得了较好的一致性。层流等离子体淬火实验1）实验设备。层流等离子体是指由经特别设计的层流等离子体发生系统产生的噪声小、能量密度高、射流长度长、温度梯度小的等离子体。等离子

57、体发生系统的好坏完全决定了所产生的等离子体射流性能。整个等离子体发生系统必须协调一致，充分考虑层流等离子体产生的关键因素才能成功研制出层流等离子体发生系统。本课题组开发的层流等离子体发生系统由等离子体发生器、冷却子系统、供气子系统和电源子系统四部分组成，主要用于产生纯N2层流等离子体射流，系统结构简图如图5所示。 图5 层流等离子体发生系统结构简图等离子体发生器 等离子体发生器是决定整个系统能否产生层流等离子体的关键因素，图5给出了其结构简图。本发生器中，为了保证产生层流等离子体射流，重点考虑了工作气体在发生器内的流动特性，采用轴向进气方式和平滑过渡并压缩的结构帮助产生层流等离子体射流。等离子

58、发生器工作时，在高频引弧的作用下，阴极与中间级之间产生电弧；然后电源自动将电源正极切换至阳极，在气动力的作用下，电弧阳极弧根转移至阳极上，开始正常工作。冷却子系统 由于在等离子体发生器内部产生的等离子体电弧及喷射出的等离子体射流均具有超高的温度，最高温度高达20000多度，足以熔化任何材料，因此必须对等离子体发生器进行充分冷却。在本系统中采用风冷式压缩机对等离子体发生器进行水冷作用，确保发生器的正常工作。供气子系统 供气子系统同样是决定等离子体射流状态的关键因素。根据潘文霞等人的研究及本课题组本身的实验表明，在一个固定的电流下，随着气流量的增加，等离子体射流将从层流状态逐渐过渡到湍流状态。为了保证产生稳定的层流等离子体射流，必须精确控制工作气体流量，