设计等离子激冷淬火枪体开题报告(编辑修改稿)

设计等离子激冷淬火枪体开题报告(编辑修改稿)内容摘要：

在电弧周围，使弧柱受到强烈地冷却，迫使带电粒子流向弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩，这种作用称“热压缩”。 此 外带电粒子在弧柱中的运动可看成是在一束平行的“导线”内移动，其自身地磁场所产生的电磁力，使这些“导线”互相吸引靠近，弧柱又进一步被压缩，这种压缩作用称为“磁压缩”。 在上述三种压缩作用下，弧柱被缩小到很细的范围内，并且由柔性变为刚性，能量密度高度集中，称为等离子弧。 用这种等离子弧加热工件表面能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者相变温度以上，弧柱移走后依靠工件自身的热传导，加热区迅速 6 冷却，形成细密的白口或隐针马氏体类的高硬度组织，提高表面的硬度与耐磨性，而且处理工件变形小、效率高 [7]。 根 据导电方式，可按其结构分成三种类型 : (1)非转移型等离子弧，这种等离子弧的形成是在电极与喷嘴之间的气室通以气体，在外加电场作用下，从阴极激发出电子，使气体电离产生等离子弧。 它的特点是以喷嘴约束电弧直径，同时喷嘴作为电弧的阳极，工件不接入电路。 缺点是这种电弧热能的有效利用率不高，适用于喷涂、焊接金属等，不适用于等离子弧表面淬火。 (2)转移型等离子弧，转移弧工作时，工件是导体并作为阳极，喷嘴用来约束电弧。 在工作状态时，喷嘴不接入电路，电流由工件经喷嘴中心通向电极，喷嘴能对弧柱进行良好的压缩，使弧柱有 很高的能量密度，由于工件是阳极，表面温度高，加热深度大，可以获得较大的硬化深度，热能有效利用率高。 但在产生转移弧之前，需要用小电流的非转移弧作为导体引起转移弧，当转移弧电路接通后切断非转移弧电路。 本课题试验过程中即用转移型等离子弧作为表面淬火的热源。 (3)联合型等离子弧，联合弧在工作过程中，转移型与非转移型同时存在。 它的优点在于扩展电弧的工作电流范围，保持电弧稳定性。 对于存在沟、槽的工件，比较适合使用联合弧 [8]。 淬火技术简介 等离子弧表面淬火属于一种利用高能量密度热源对材料进行表面热 处理的方法。 它以等离子弧作为热源对工件表面进行加热，使被加热部位的温度在很短的时间内达到相变温度以上，然后靠工件自身冷却和相变获得所需的组织，从而获得良好的表面耐磨性和耐腐蚀性。 目前在工业生产中应用最多的表面淬火方法有火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火和激光表面强化热处理。 火焰加热表面淬火是利用燃气 — 氧气火焰对工件进行局部加热，然后靠工件自冷或强制冷却来实现淬火。 其主要不足在于化学火焰温度不高，温度上升速度缓慢，易于使靠近处理部位的区域过热，工件变形大。 感应加热表面淬火是靠外加电磁感应线圈产生的感应电流进 行加热，这种加热效果往往受工件形状的限制，且局部温度控制也比较困难。 20世纪 70 年代以来，激光表面淬火开始在航空、航天、机械、电器、兵器和汽车制造等行业获 7 得了广泛应用，这种方法可以取得极佳的淬火效果，淬火层硬度高、工件变形小，但其缺点是设备的价格昂贵且体积庞大，对操作人员的技术要求高，而且生产成本较高。 等离子弧是一种能量密度仅次于激光和电子束的热源，可以利用它产生的高温进行表面强化处理。 等离子弧表面淬火可用于常规硬化方法不易处理的表面，如用于齿轮和齿条的齿部、丝杠的螺纹部分等局部表面硬化处理。 对于表面积较大的工件如导轨、主轴、杆等，同样可以获得较为理想的硬化层所以将其用于工件表面淬火有很好的应用前景。 这种方法主要有以下特点：可在所需要的部位对工件进行选择性的表面处理，能量的利用率高，能耗小。 加热过程非常迅速，高密度的热流使工件表面能在很短的时间内达到很高的温度，并由表及里形成淬火介质，从而实现自冷淬火；且获得的表面硬度也高于常规热处理。 它对金属进行非接触式加热没有机械应力作用，且加热和冷却速度快，热应力也 小，因此处理后工件的变形较小，可减小或者省去后续处理。 设备投资小，生产运行成本低，这也是它能在很多场合下取代激光淬火的最主要原因。 等离子弧自本世纪二十年代被开发成功以来，以其热源装置便宜，工作成本低，操作容易等优点，表现出巨大的发展潜力。 七十年代能源危机的出现，更加速了它的发展 [9]。 等离子弧作为高能量密度的热源被广泛应用于工业多种领域。 等离子弧焊接，等离子弧切割，等离子弧喷镀等技术，己为人们所熟知。 进入八十年代，又先后出现了等离子弧加热切削，等离子弧加热旋压波纹管等 新技术、新工艺，同时，激光表面淬火技术的迅速发展及其高成本的条件限制，使人们看到了等离子弧应用于表面淬火的希望 [10]。 等离子弧表面淬火加工技术，目前虽然人们研究的较多，但还没有形成完整的加工工程体系，大多数还停留在试验研究和工程个别应用方面，因为等离子弧的工程理论研究是一个多学科、多领域的交叉研究过程，它是集等离子物理、机电控制、金属材料学、传热学于一体的综合性高新技术，有从等离子弧产生的本身物理学系统和电源控制系统进行研究的，有从金属材料热处理角度来进行研究的，有从材料的使用性能来进行研究的，有从淬火 工艺的可靠性、稳定性来进行研究的，有从热加工过程分析和温度场模型计算来进行研究的。 但目前从工程角 8 度来看，主要利用等离子弧对材料表面进行处理，来改善材料的表面性能。 利用等离子弧改善材料表面性能主要是等离子弧相变硬化，即通过研究等离子弧工艺参数对金属组织相变的影响，进而研究对其表面形貌和物理力学性能的影响，即研究硬化层的深度、硬化区的硬度分布、表面残余应力、表面耐磨性及表面粗糙度等。 工业发达国家几乎同时进行了等离子弧表面淬火技术的可行性研究。 其中，尤以前苏联，美国，日本，德国等激光表面淬火技术先进的国家在等离 子弧表面淬火技术方面也处于领先地位。 日本在九十年代初就研究了等离子表面淬火的条件和组织，并用小口径喷嘴进行碳钢的等离子淬火，证明如果考虑加热方法，则和激光同样可进行局部硬化 [11]。 前苏联将等离子淬火法成功地用于强化铸铁轧辊，轧辊的寿命提高了，平均工作能力提高了 倍，获得很大经济效益。 后又用氢热等离子喷射局部硬化高碳钢，同样获得良好效果 [12]。 用以氢为源离子的等离子发生器硬化铸铁部件，研究其抗磨层特性，其硬度可达52～ 60HRC[13]。 等将激光和 等离子工艺相结合，证明可有效的避免表面裂纹、涂层剥落、工件翘曲的缺陷 [14]。 用空气等离子弧扫描 70 号高碳钢表面，进行表面强化，表面硬化层宽为 4Omm，厚 ，并对处理后的机械性能进行了研究，论证了结构强度的变化 [15]。 提出等离子强化轮副，可以有效的提高其接触疲劳应力 [16]。 目前在国内，等离子具体应用有 :。