CN108179247B - 一种电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种对工件表面进行等离子体表面织构化热处理强化工艺方法。通过控制电弧等离子体束的扫描速度，使工件表面无需热处理强化的区域具有较大的扫描速度，而需要热处理强化的区域具有较小的扫描速度，实现对工件的表面织构化热处理。其方法包含以下步骤：步骤一：确定表面织构化热处理强化所需的工艺参数；步骤二：固定工件位置；步骤三：设定电弧等离子体发生器的初始位置；步骤四：编写电弧等离子体发生器的位置和速度控制程序；步骤五：开启并调试电弧等离子体发生器；步骤六：调用已编写完的程序并启动自动运行按钮。

Description

一种电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法
技术领域
本发明涉及一种等离子体电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法，可以对工件表面进行织构化热处理，以提高工件表面的硬度和耐磨性能。
背景技术
现有等离子体表面热处理工艺，多为对工件表面进行整体式的热处理，虽然能有效提高工件的硬度和耐磨性，但由于淬硬层硬度与基材硬度差距过大，在交变载荷作用下容易引起表面裂纹甚至表面整块剥落。而采用表面织构化热处理强化的工艺，不仅能提高工件的硬度和耐磨性，而且在交变载荷作用下具有比整体式热处理更高的疲劳抗性。
现有的等离子体表面离散化热处理工艺，多采用外部气流吹断等离子体束的方法来实现工件的表面离散化热处理。其热处理后工件表面形成的织构化形式多为点状，所以该热处理工艺方法具有织构化形式单一的缺点。因此本发明提供了一种等离子体表面织构化热处理强化工艺方法，可以实现任意形式的表面织构化热处理，而且该方法具有简单可行、应用便捷、可控性好等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种电弧等离子体对工件表面进行织构化热处理强化工艺方法，可以对工件表面进行织构化热处理，达到提高工件硬度和耐磨性能的效果。
本发明采用的技术方案是：构造一种电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法，包括以下步骤：
步骤一：确定表面织构化热处理强化所需的工艺参数；
步骤二：固定工件位置；
步骤三：设定电弧等离子体发生器的初始位置；
步骤四：编写电弧等离子体发生器的位置和速度控制程序；
步骤五：开启并调试电弧等离子体发生器；
步骤六：调用已编写完的程序并启动自动运行按钮。
本发明所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法中，所述步骤一确定表面织构化热处理强化所需的工艺参数的具体方法为：Ⅰ)制定热处理强化目标，主要包含：根据工件材料所需力学性能参数，确定热处理后材料的组织场和相变组织的空间分布形式，即织构化形式；Ⅱ)使用有限元分析软件，对给定等离子体束扫描速度、等离子体发生器与工件的距离、等离子体发生器功率等工艺参数，仿真处理后处理区域任意位置的温度变化曲线，结合材料的CCT曲线预测处理后材料的组织场和相变组织的空间分布形式； Ⅲ)通过迭代改变工艺参数并进行仿真最终得到满足热处理目标的电弧等离子体表面织构化热处理工艺参数。
本发明所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法中，所述步骤二固定工件位置的具体方法为：Ⅰ)将工件移动到预定热处理工位，使用夹具将其固定；Ⅱ)标记工件热处理开始端为A位置，热处理结束端为B位置，并在A点建立坐标系，所述坐标系X轴的正方向由A指向B，Z轴方向为垂直工件表面从A竖直指向工件内部，Y轴方向由右手法则确定。
本发明所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法中，所述步骤三设定电弧等离子体发生器的初始位置的具体方法为:Ⅰ)将电弧等离子体发生器运行至A位置上方；Ⅱ)根据步骤一所得的表面织构化热处理强化工艺参数，调整电弧等离子体发生器出口与A位置的相对位置，并标记此时电弧等离子体发生器出口位置为C位置；Ⅲ)将电弧等离子体发生器沿X轴负方向移动X1，保证步骤五调试电弧等离子体发生器时不会对工件进行预先热处理；Ⅳ）设定此时的电弧等离子体发生器位置为后续编程零点。
本发明所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法中，所述步骤四编写电弧等离子体发生器的位置和速度控制程序的具体方法为:Ⅰ)设定等离子体发生器从编程零点移动到C点；Ⅱ)根据步骤一所得的表面织构化热处理强化工艺参数，将工件表面区域划分为不同区域段，每段区域需热处理的长度分别为 △S1到△Sn，等离子体束扫描速度分为为V1到Vn；Ⅲ) 设定等离子体发生器由C点沿X轴正方向移动距离△S1；Ⅳ）设定在△S1内速度为V1；Ⅴ）依次设定每段区域内等离子体束扫描距离以及扫描速度。所述每段不同热处理的长度△S1到△Sn中，每段长度值可以相同也可以不同，每段相应的扫描速度可以相同也可以不同。
本发明所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法中，电弧等离子体发生器扫描工件的工艺参数由有限元分析软件仿真分析确定。
本发明所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法中，电弧等离子体发生器在其每段区域的扫描距离由表面织构化热处理目标制定。
本发明所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法中，通过编写电弧等离子体发生器的位置和速度控制程序，控制电弧等离子体束的扫描速度，在工件表面无需热处理的区域具有较大的扫描速度，而需要热处理的区域具有较小的扫描速度，来达到表面织构化热处理的效果。并且当电弧等离子体束具有较大的扫描速度时，电弧等离子体发生器所产生的电弧等离子体炬可以不对工件进行热处理。
本发明所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法中，通过设置不同工艺参数，可以实现对工件表面任意形式的织构化热处理。
本发明所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法中，电弧等离子体发生器的位置和速度控制程序在同一程序中编写。
本发明所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法中，采用层流等离子发生器作为表面处理的热源。
本发明的有益效果是：1、通过对电弧等离子体发生器的位置和速度控制来实现工件表面织构化热处理，该工艺方法简单可行、应用便捷、可控性好等优点。 2、通过控制等离子体束扫描速度、等离子体发生器与工件的距离、等离子体发生器功率等工艺参数，能实现对工件表面任意形式的织构化热处理。
附图说明
图1为本发明的系统构造示意图。图中：（1）控制柜，（2）电弧等离子体发生器，（3）电弧等离子体发生器夹具，（4）电机，（5）电弧等离子体炬，（6）加工工件，（7）工件夹具，（8）导轨，（9）等离子体发生器电源。
图2为本发明中加工工件加工起点位置A与终点位置B的示意图和在A点建立的右手坐标系的示意图。
图3为应用本发明所述的工艺方法对工件表面进行织构化热处理强化的效果示意图。
图4为使用有限元分析软件ANSYS仿真得到的热处理后45钢温度场云图（设置电弧等离子体发生器功率为11.3KW、电弧等离子体发生器距离工件为20mm、电弧等离子体炬较小的扫描速度为200mm/min，较大的扫描速度为2000mm/min）。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更清楚的理解，以对45钢为材料的加工工件（6）进行热处理为例，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的目的是提供一种电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法，包括以下步骤：步骤一：确定表面织构化热处理强化所需的工艺参数，根据45钢热处理后表面硬度大于650HV的目标，确定热处理后材料的组织为马氏体，其组织的空间分布形式如附图3所示。在有限元分析软件ANSYS中设置一组等离子体束扫描速度、等离子体发生器与工件的距离、等离子体发生器功率等工艺参数，仿真得到加工工件（6）等离子体热处理后的温度场云图。进而得到热处理区域任意位置的温度变化曲线，结合材料的CCT曲线预测处理后材料的组织场和相变组织的空间分布形式。通过迭代改变工艺参数得到满足热处理目标的电弧等离子体织构化热处理工艺参数为电弧等离子体发生器（2）喷口处距离加工工件（6）表面20mm、电弧等离子体发生器（2）功率11.3KW、电弧等离子体炬（5）扫描速度较小值为200mm/min，较大值为2000mm/min。
步骤二：固定加工工件（6）位置。将加工工件（6）移动到预定热处理工位，使用工件夹具（7）将其固定，标记工件上热处理开始端为A位置，热处理结束端为B位置，并在A点建立坐标系，所述坐标系X轴的正方向由A指向B，Z轴方向为垂直工件表面从A竖直指向工件内部，Y轴方向由右手法则确定。
步骤三：设定电弧等离子体发生器（2）的初始位置。为了对电弧等离子体炬（5）的运动轨迹进行精确控制，将电弧等离子体发生器（2）通过螺栓固定在电弧等离子体发生器夹具（3）上，通过控制柜（1）控制电机（4）将电弧等离子体发生器（2）沿着导轨（8）移动至A位置上方。根据步骤一所得的表面织构化热处理工艺参数，调整电弧等离子体发生器（2）出口与A位置的距离为20mm，并标记此时电弧等离子体发生器出口位置为C位置。将电弧等离子体发生器（2）沿X轴负方向移动30mm，保证步骤五中调试电弧等离子体发生器（2）时不会对加工工件（6）进行预先热处理。设定此时的电弧等离子体发生器（2）位置为后续编程零点。
步骤四：编写电弧等离子体发生器（2）的位置和速度控制程序。本实例中采用的程序语句翻译如下：①电弧等离子体发生器（2）向X轴移动30mm，速度为2000mm/min。②电弧等离子体发生器（2）向X轴移动2mm，速度为200mm/min。③电弧等离子体发生器（2）向X轴移动8mm，速度为2000mm/min。④循环②~③指令4次。⑤电弧等离子体发生器（2）向X轴移动30mm，速度为2000mm/min。最终在加工工件（6）表面完成织构化热处理。
步骤五：开启并调试电弧等离子体发生器（2）。接通等离子体发生器电源（9），由于电弧等离子体发生器（2）的启动运行参数和热处理工作时运行参数不相同，所以在开启电弧等离子体发生器（2）后要进行短暂的调试直到其达到稳定运行状态。对加工工件（6）进行热处理时选用的工艺参数是：电弧等离子体发生器（2）喷口处距离加工工件（6）表面20mm、电弧等离子体发生器（2）功率11.3KW、工作气流量为10L/min、电弧等离子体炬（5）扫描速度较小值为200mm/min，较大值为2000mm/min。
步骤六：调用已编写完的程序并启动自动运行按钮。调用步骤四编译好的程序并启动自动运行按钮，控制柜（1）控制对电机（4）实现对电弧等离子体发生器（2）位置和速度的精确控制。

Claims (6)

1.一种电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一：确定表面织构化热处理强化所需的工艺参数；步骤二：固定工件位置；步骤三：设定电弧等离子体发生器的初始位置；步骤四：编写电弧等离子体发生器的位置和速度控制程序；步骤五：开启并调试电弧等离子体发生器；步骤六：调用已编写完的程序并启动自动运行按钮；
所述步骤一确定表面织构化热处理强化所需的工艺参数的具体方法为：Ⅰ)制定热处理强化目标，主要包含：根据工件材料所需力学性能参数，确定热处理后材料的组织场和相变组织的空间分布形式，即织构化形式；Ⅱ)使用有限元分析软件，对给定等离子体束扫描速度、等离子体发生器与工件的距离、等离子体发生器功率工艺参数，仿真处理后处理区域任意位置的温度变化曲线，结合材料的CCT曲线预测处理后材料的组织场和相变组织的空间分布形式；Ⅲ)通过迭代改变工艺参数并进行仿真最终得到满足热处理目标的电弧等离子体表面织构化热处理工艺参数；
所述步骤二固定工件位置的具体方法为:Ⅰ)将工件移动到预定热处理工位，使用夹具将其固定；Ⅱ)标记工件热处理开始端为A位置，热处理结束端为B位置，并在A点建立坐标系，所述坐标系X轴的正方向由A指向B，Z轴方向为垂直工件表面从A竖直指向工件内部，Y轴方向由右手法则确定；
所述步骤三设定电弧等离子体发生器的初始位置的具体方法为:Ⅰ)将电弧等离子体发生器运行至A位置上方；Ⅱ)根据步骤一所得的表面织构化热处理工艺参数，调整电弧等离子体发生器出口与A位置的相对位置，并标记此时电弧等离子体发生器出口位置为C位置；Ⅲ)将电弧等离子体发生器沿X轴负方向移动X1，保证步骤五调试电弧等离子体发生器时不会对工件进行预先热处理；Ⅳ)设定此时的电弧等离子体发生器位置为后续编程零点；
所述步骤四编写电弧等离子体发生器的位置和速度控制程序的具体方法为:Ⅰ)设定等离子体发生器从编程零点移动到C点；Ⅱ)根据步骤一所得的表面织构化热处理工艺参数，将工件表面区域划分为不同区域段，每段区域需热处理的长度分别为ΔS1到ΔSn，等离子体束扫描速度分为为V1到Vn；Ⅲ)设定等离子体发生器由C点沿X轴正方向移动距离ΔS1；Ⅳ)设定在ΔS1内速度为V1；Ⅴ)依次设定每段区域内等离子体束扫描距离以及扫描速度；其中，通过编写电弧等离子体发生器的位置和速度控制程序，控制电弧等离子体束的扫描速度，在工件表面无需热处理的区域具有较大的扫描速度，而需要热处理的区域具有较小的扫描速度，来达到表面织构化热处理的效果。
2.根据权利要求1所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法，其特征在于：电弧等离子体发生器扫描工件的工艺参数由有限元分析软件仿真分析确定。
3.根据权利要求1所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法，其特征在于：电弧等离子体发生器在其每段区域的扫描距离由表面织构化热处理目标制定。
4.根据权利要求1所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法，其特征在于：通过设置不同工艺参数，可以实现对工件表面任意形式的织构化热处理。
5.根据权利要求1所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法，其特征在于：电弧等离子体发生器的位置和速度控制程序在同一程序中编写。
6.根据权利要求1所述的电弧等离子体表面织构化热处理强化工艺方法，其特征在于：采用层流等离子发生器作为表面处理的热源。
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