激光相变硬化工艺及参数优化研究

论文摘要

激光相变硬化技术在零件结构比较复杂、易变形、或选择性局部处理等常规淬火难以胜任场合下的零件表面硬化处理中具有独特优势。本文重点针对激光相变硬化研究中的激光扫描工艺及参数优化控制问题开展了比较深入的理论与实验研究。 首先，比较全面地论述了激光相变硬化质量指标，根据属性将其划分为三大模块，采用层次模型建立了质量指标体系，提出了质量控制总体决策框架模型； 其次，通过对激光扫描温度场分布特征的理论分析、并结合实际硬化层分布特点，提出了分别采用工件纵、横截面内的温度场模型进行硬化层分布模拟的方法，建立了相关理论模型，并进一步提出了采用辅助热源考虑工件边界条件的影响，通过将两个模型整合，建立了三维硬化层分布快速模拟的有效方法； 第三，通过实验研究和理论分析，对激光功率P和扫描速度v与硬化层深及表面硬度之间的内在关系开展了较为深入、系统的研究，重点探讨了激光扫描工艺参数变化对层深及硬度影响的敏感性，并对实验结果进行了详细的理论分析，给出了合理解释； 第四，对相变硬化层分布形态和激光扫描进出端层深差异问题开展了理论和实验研究，探讨了改善硬化层分布均匀性的途径和方法，提出了通过合理选择P-v组合、采用分段变速扫描工艺以改善硬化层分布整体均匀性的可行方法； 第五，建立了以层深、表面硬度和硬化层分布均匀性为综合目标的激光扫描工艺及参数优化决策框架模型，提出了具体优化方法，并从理论和实验两方面验证了该优化方法的可行性； 最后，研究开发了激光相变硬化模拟与参数优化的可视化程序模块，为深入开展激光相变硬化研究提供了一种可靠、实用的工具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 激光加工技术及其发展与应用
• 1.1.1 激光加工技术的基本概念及其特点
• 1.1.2 激光加工技术的主要应用
• 1.2 激光相变硬化技术简介
• 1.2.1 激光相变硬化的基本概念及其特点
• 1.2.2 激光相变硬化的机理及工艺
• 1.2.3 激光相变硬化研究概述
• 1.3 本文主要研究工作
• 1.3.1 选题背景
• 1.3.2 课题研究的对象、目的与意义
• 1.3.3 研究的基本思路与章节安排
• 1.3.4 课题来源
• 第二章 激光相变硬化质量控制决策框架模型
• 2.1 激光相变硬化质量指标体系
• 2.1.1 模块Ⅰ（M模块）
• 2.1.2 模块Ⅱ（S模块）
• 2.1.3 模块Ⅲ（T模块）
• 2.1.4 激光相变硬化质量指标层次模型
• 2.2 激光相变硬化质量的影响因素
• 2.2.1 材料因素
• 2.2.2 几何因素
• 2.2.3 涂层因素
• 2.2.4 工艺因素
• 2.2.5 光斑因素
• 2.2.6 环境因素
• 2.3 激光相变硬化质量控制决策框架模型
• 2.3.1 质量控制决策目标
• 2.3.2 质量控制决策目标向量、决策向量和映射模型
• 2.3.3 质量控制决策框架模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 相变硬化层模拟
• 3.1 相变硬化层模拟的基本依据
• 3.1.1 激光扫描温度场的热物理模型
• 3.1.2 相变硬化层的界定
• 3.2 激光扫描温度场计算模型
• 3.2.1 关于温度计算模型的几个基本问题及其处理方法
• 3.2.2 两种温度场计算方法
• 3.2.3 本文对建立温度场计算模型的基本设想
• 3.2.4 基于格林函数法的三维瞬态温度场计算模型
• 3.2.5 激光扫描温度分布特征分析
• 3.2.6 基于有限元法的工件纵截面温度场计算模型
• 3.3 激光相变硬化层仿真模型
• 3.3.1 单道硬化层分布特征及其仿真方法
• 3.3.2 横截面硬化层分布模拟
• 3.3.3 纵截面硬化层分布模拟
• 3.3.4 计算实例
• 3.3.5 计算模型的整合
• 3.4 本章小结
• 第四章 激光工艺参数对硬化层指标影响敏感性研究
• 4.1 工艺参数对相变硬化层影响的基本规律
• 4.1.1 工艺参数对层深的影响
• 4.1.2 工艺参数对硬度的影响
• 4.2 激光工艺参数对硬度和层深影响敏感性研究
• 4.2.1 研究方案设计
• 4.2.2 样块实验
• 4.2.3 不同参数水平下的指标变化率与极差分析
• 4.2.4 理论解释
• 4.3 本章小结
• 第五章 硬化层分布均匀性控制研究
• 5.1 激光相变硬化中的硬化层分布形态
• 5.1.1 横截面内硬化层分布形态
• 5.1.2 纵截面内硬化层分布形态
• 5.2 基于问题归约的改善硬化层分布均匀性问题描述
• 5.2.1 硬化层分布均匀性问题的归约
• 5.2.2 问题归约的与或图
• 5.3 改善横截面内硬化层分布均匀性方法的研究
• 5.3.1 选择激光工艺参数
• 5.3.2 改变光斑形状
• 5.4 改善纵截面硬化层分布均匀性方法的研究
• 5.4.1 进出端层深差异的实验研究
• 5.4.2 改善纵截面硬化层分布均匀性方法研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 激光扫描工艺及参数优化设计
• 6.1 激光扫描工艺及参数优化总体决策框架模型
• 6.1.1 优化决策目标
• 6.1.2 优化决策变量
• 6.1.3 优化决策模型中的映射模型
• 6.1.4 激光扫描工艺及参数优化总体决策框架模型
• 6.2 激光工艺参数优化设计
• 6.2.1 基于模糊判决的P-v组合优化原则
• 6.2.2 参数优化搜索策略
• 6.2.3 参数优化计算步骤、计算实例与实验验证
• 6.3 分段变速扫描参数优化设计
• 6.3.1 变速段速度分布函数的选择
• 6.3.2 基于并行计算和有向搜索的变速系数优化
• 6.3.3 变速系数优化计算步骤与实验验证
• 6.4 本章小结
• 第七章 激光相变硬化模拟及优化程序开发
• 7.1 程序开发的基本设想
• 7.1.1 程序开发的基本要求
• 7.1.2 开发软件的选择
• 7.2 程序结构、功能与运行
• 7.2.1 程序总体结构与功能
• 7.2.2 模拟程序结构与功能
• 7.2.3 参数优化程序结构与功能
• 7.2.4 程序运行
• 第八章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果