冶金机械设备现代维修技术讲义

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,四川机电职业技术学院,四川机电职业技术学院,四川机电职业技术学院,学习情境二：,冶金机械设备现代维修技术,模块八：,其它修复技术简介,一、表面形变强化（或称表面机械强化）,表面形变强化原理是,，通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达,0.5,1.5mm,），从而使表面层硬度、强度提高，有利于提高零件抗疲劳强度和使用寿命。表面形变强化工艺方法简单、成本低廉、强化效果显著，在机械设备维修领域中常用，其名目也十分繁多，常用的强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等，现对其介绍如下：,滚压强化是指利用经过淬硬和精细抛光过的、可自由旋转的滚柱或滚珠，对零件表面进行挤压，以提高加工表面质量的一种机械强化加工方法。,滚压强化工艺是一种无切削加工工艺,，表面滚压可以显著地提高零件的疲劳强度，并且降低缺口敏感性，提高零件承载能力。滚压加工可减小表面粗糙度值,2,3,级，提高硬度,10%,40%,，表面层耐疲劳强度一般提高,30%,50%,，耐磨性提高,1.5,3,倍，可以修正和提高形状误差和表面粗糙度，而且滚压过程操作方便，效率高、净洁无污染，其具有应用范围宽，滚压后的零件使用寿命长等特点，适用于对粗糙度和硬度均有一定要求的零件表面。,1,、滚压强化,滚轮滚压加工可加工圆柱形或锥形的外表面和内表面曲线旋转体的外表面、平面、端面、凹槽、台阶轴的过渡圆角，特别适用于形状简单的大型轴类、套筒类零件内、外旋转表面的加工、滚压螺钉、螺栓等零件的螺纹以及滚压小模数齿轮和滚花等，尤其是尺寸突然变化的结构应力集中处,，如火车轴的轴径等，通过表面滚压处理后，其表面质量有了显著提高，很好的提高了经济效益。,实例：轴类零件滚压,滚柱滚压是最简单最常用的冷压强化方法。单滚柱滚压压力大且不平衡，这就要求工艺系统有足够的刚度；多滚柱滚压可对称布置滚柱以滚压内孔可外圆，减小了工艺系统的变形；这种方法也可滚压成形表面或锥面。,滚珠滚压接触面积小，压强大，滚压力均匀，用于对刚度差的工件进行滚压，亦可做成多滚珠滚压。,离心转子滚压是利用离心力进行滚压的方法。滚球或滚柱的重量、转子直径及转速决定了滚压力的大小，一般成正比关系。,实例：油缸内孔滚压,挤压加工是利用截面形状与工件孔形相同的挤压工具（胀头），在两者间有一定过盈量的前提下，推孔或拉孔而使表面强化的工艺措施。,内挤压强化原理是：利用棒、衬套、模具等特殊的挤压工具，对零件孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形成的硬化层。塑性变形层内组织结构发生变化，引起形变强化，并产生残余压应力，降低了孔壁粗糙度，对提高材料疲劳强度和应力腐蚀能力很有效。,2、内挤压强化,内挤压效率较高，效果较好，方法简单，使用于高强度钢，合金结构钢、铝合金、钛合金以及高温合金等零件，主要被挤压孔的形状是圆孔、椭圆孔、长圆孔、台阶孔埋头窝孔和开口孔等。可采用单环可多环挤刀，后者与拉刀相似，挤后工件孔质量提高。,2、内挤压强化,载重汽车挺柱体的冷挤压,喷丸强化是用压缩空气或离心力等将珠丸高速、连续喷出，撞击金属工件表面，使之产生屈服，形成,冷硬层和残余压应力,。,形成压缩应力层的目的是,预防工件疲劳破坏，把易产生疲劳破坏裂纹部位的拉应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。通过喷丸可以明显改变金属表面的应力状态、显微硬度、表层的微观形貌和相成分，从而提高零件的疲劳强度、抗冲击磨损及抗应力腐蚀性能，延长零件使用寿命。,喷丸强化主要用于强化形状比较复杂的零件，如齿轮、连杆、曲轴、链条等，也可用于一般零件，如板弹簧、螺旋弹簧、履带销、焊缝、轴、叶片等。,3、喷丸强化,。,大型转台式抛喷丸清理机,钢管内壁,抛喷丸,。,图：管道内壁喷丸,图：喷丸用玻璃微珠,图：常用的,冷,冷压强化工,艺,艺方法,a,）单滚柱或,多,多滚柱滚压,b,）单滚珠或,多,多滚珠滚压,c,）钢珠挤压,和,和涨孔,d,）喷丸强化,1、表面热,处,处理强化,二、表面热,处,处理强化和,表,表面化学热,处,处理强化,表面热处理,是,是通过对零,件,件的表层进,行,行加热、冷,却,却，表层发,生,生相变，从,而,而改变表层,组,组织和性能,，,，而不改变,其,其表层成份,的,的热处理工,艺,艺，,也称作表面,淬,淬火技术,。表面热处,理,理是一种发,展,展较早、应,用,用较广的表,面,面工程技术,。,。随着科学,技,技术的进步,，,，尤其是新,型,型热源的出,现,现，使表面,热,热处理技术,日,日益完善。,表面淬火的,原,原理是：用,电,电磁感应、,火,火焰、激光,等,等加热方法,对,对零件表面,迅,迅速加热，,使,使表面材料,快,快速加热到,相,相变临界点,以,以上而转变,为,为细小的奥,氏,氏体组织，,心,心部材料仍,保,保持在相变,临,临界点以下,，,，保持原有,组,组织，其后,用,用水或油、,或,或依靠母材,快,快速冷却达,到,到淬火目的,，,，获得微细,的,的马氏体组,织,织，从而提,高,高了零件的,表,表面硬度和,耐,耐磨性。而,零,零件心部因,未,未发生相变,，,，仍保持其,强,强度高、韧,性,性好的性能,特,特点。这种,表,表面处理方,法,法常用于齿,轮,轮、轴类的,表,表面强化。,按照加热方,式,式，传统表,面,面热处理可,分,分为感应加,热,热、火焰加,热,热、电接触,加,加热、浴炉,（,（高温盐溶,炉,炉）加热等,表,表面淬火工,艺,艺。,图：大型齿,轮,轮表面淬火,图：导轨表,面,面淬火,图：钢轨表,面,面淬火,2、表面化,学,学热处理强,化,化,化学热处理,：,：指金属或,合,合金工件置,于,于一定温度,的,的活性介质,中,中保温，使,一,一种或几种,元,元素渗入它,的,的表层，以,改,改变其化学,成,成分，组织,和,和性能的热,处,处理工艺。,化学热处理,与,与一般热处,理,理的区别在,于,于,：它通过改,变,变钢表面的,化,化学成分和,组,组织，达到,改,改善表面性,质,质的目的，,使,使得用单一,材,材料制作的,零,零件，在表,面,面和心部具,有,有显著不同,的,的两种性能,。,。它在工业,中,中得到越来,越,越广泛的应,用,用。,化学热处理,是,是古老的工,艺,艺之一，在,中,中国可上溯,到,到西汉时期,。,。已出土的,西,西汉中山靖,王,王刘胜的佩,剑,剑，表面含,碳,碳量达,O.6,0.7%,，而心部为,O.15,O.4%,，具有明显,的,的渗碳特征,。,。明代宋应,星,星撰,天工开物,一书中，就,记,记载有用豆,豉,豉、动物骨,炭,炭等作为渗,碳,碳剂的软钢,渗,渗碳工艺。,明,明代方以智,在,在,物理小识,“,淬刀”一节,中,中，还记载,有,有“以酱同,硝,硝涂錾口，,煅,煅赤淬火”,。,。硝是含氮,物,物质，当有,一,一定的渗氮,作,作用。这说,明,明渗碳、渗,氮,氮或碳氮共,渗,渗等化学热,处,处理工艺，,早,早在古代就,已,已被劳动人,民,民所掌握，,并,并作为一种,工,工艺广泛用,于,于兵器和农,具,具的制作。,按渗入元素,的,的性质，化,学,学热处理可,分,分为渗非金,属,属和渗金属,两,两大类,。,前者,包括渗碳、,渗,渗氮、渗硼,和,和多种非金,属,属元素共渗,，,，如碳氮共,渗,渗、氮碳共,渗,渗、硫氮共,渗,渗、硫氮碳,(,硫氰,),共渗等；,后者,主要有渗铝,、,、渗铬、渗,锌,锌，钛、铌,、,、钽、钒、,钨,钨等也是常,用,用的表面合,金,金化元素，,二,二元、多元,渗,渗金属工艺,，,，如铝铬共,渗,渗、钽铬共,渗,渗等均已用,于,于生产。此,外,外，金属与,非,非金属元素,的,的二元或多,元,元共渗工艺,也,也不断涌现,，,，例如铝硅,共,共渗、硼铬,共,共渗等。,化学热处理,的,的目的：,主要是提高,钢,钢件表面的,硬,硬度，耐磨,性,性，抗蚀性,，,，抗疲劳强,度,度和抗氧化,性,性等。每一,种,种化学热处,理,理工艺都各,有,有其特点，,可,可根据工件,的,的材质和工,作,作条件选择,相,相应的化学,热,热处理工艺,。,。,图：气体渗,碳,碳、碳氮共,渗,渗炉,三、电火花,强,强化,图：金属模,具,具缺陷电火,花,花修补冷焊,机,机,电火花强化,是,是以直接放,电,电的方式向,零,零件表面提,供,供能量，并,使,使之转化为,热,热能和其它,形,形式的能量,，,，以达到改,变,变表层化学,成,成分和金相,组,组织的目的,，,，从而是表,面,面性能提高,。,。,1,、电火花强,化,化原理,组成电火花,强,强化设备的,最,最基本部件,是,是脉冲电源,和,和振动器。,前,前者供给瞬,时,时放电能量,；,；后者使电,极,极振动并周,期,期地接触工,件,件。,当电,极,极棒,（,（焊,条,条）,在,在工,作,作表,面,面旋,转,转，,当,当某,些,些部,位,位间,隙,隙很,小,小时,，,，使,主,主机,放,放电,回,回路,形,形成,通,通路,。,。在,他,他们,相,相互,接,接触,的,的微,小,小区,域,域瞬,时,时流,过,过电,流,流，,电,电流,密,密度,可,可达,到,到,105,106A/cm2,，而,放,放电,时,时间,仅,仅,10-6,10-5,秒，,由,由于,放,放电,能,能量,在,在时,间,间上,和,和空,间,间上,高,高度,集,集中,，,，在,放,放电,微,微小,的,的区,域,域内,产,产生,了,了约,8000,10000,的高,温,温，,使,使该,区,区域,的,的局,部,部材,料,料高,能,能离,子,子化,。,。,1,、电火花,强,强化原理,电极棒（,焊,焊条）在,等,等离子冶,金,金状态下,高,高速转移,到,到工件表,面,面，并扩,散,散进入到,工,工件表层,，,，形成冶,金,金型牢固,结,结合的沉,积,积层。主,机,机电源放,电,电周期为,10-3,10-1,秒，高频,率,率的放电,和,和电极棒,（,（焊条）,在,在工件表,面,面的高速,旋,旋转扫描,，,，可实现,大,大面积高,效,效率的沉,积,积涂层。,简单地说,，,电火花强,化,化的原理,，,，就是直,接,接利用火,花,花放电的,能,能量，使,电,电极材料,在,在工件表,面,面形成特,殊,殊性质的,合,合金层,。,当然，除,了,了形成合,金,金层，电,火,火花改善,工,工件表面,性,性能还有,另,另外一些,原,原因，比,如,如火花放,电,电的骤热,骤,骤冷作用,具,具有表面,淬,淬火的效,果,果；用石,墨,墨电极强,化,化则有表,面,面渗碳的,效,效果等,。,图：电火,花,花强化过,程,程示意图,其中：,R,：限流电,阻,阻；,C,：储能电,容,容器,2,、电火花,强,强化过程,该过程包,括,括强化前,准,准备，实,施,施强化和,强,强化后处,理,理三个方,面,面：,强化前准,备,备：首先,了,了解工件,的,的性质和,要,要求，以,便,便确定是,否,否采用电,火,火花强化,工,工艺。其,次,次，确定,强,强化的部,位,位，并清,洁,洁强化部,位,位，最后,选,选择好强,化,化设备、,强,强化规准,和,和电极材,料,料。在有,条,条件的情,况,况下，或,强,强化的工,件,件比较特,殊,殊的时，,最,最好能用,同,同样材料,制,制成的试,块,块进行强,化,化试验。,实施强化,，,，是电火,花,花强化的,重,重要环节,，,，包括安,置,置设备、,工,工件及电,极,极；调整,电,电极与工,件,件强化表,面,面的夹角,；,；选择电,极,极移动方,式,式和掌握,电,电极移动,速,速度；去,除,除瑕疵等,。,。,强化后处,理,理包括表,面,面清理和,表,表面质量,检,检查等。,3,、电火花,在,在机械设,备,备维修中,的,的应用,我国运用,电,电火花运,用,用电火花,强,强化工艺,始,始于五十,年,年代。由,于,于当时在,基,基础理论,和,和应用技,术,术等方面,缺,缺乏研究,，,，加之强,化,化设备本,身,身也存在,某,某些问题,，,，因此未,能,能得到推,广,广。在七,十,十年代，,这,这项被遗,忘,忘的工艺,因,因在刀具,、,、模具等,上,上的运用,所,所取得的,明,明显的效,果,果，而重,新,新引起重,视,视。目前,，,，已被广,泛,泛应用在,模,模具强化,、,、刀具强,化,化、机械,零,零件（尤,其,其是易摩,擦,擦磨损的,零,零件）强,化,化、磨损,件,件的微量,修,修补。此,外,外，通过,使,使用强化,机,机上配置,的,的附件和,极,极性开关,，,，还可以,对,对工件进,行,行电火花,加,加工，用,于,于取出折,断,断的丝锥,或,或钻头，,在,在淬硬的,工,工件上加,工,工小孔等,。,。,3,、电火花,在,在机械设,备,备维修中,的,的应用,但是应该,注,注意电火,花,花加工也,存,存在一些,缺,缺点：通,常,常使用的,设,设备的强,化,化厚度仅,0.02,0.05mm,；表面粗,糙,糙度一般,仅,仅为,Ra1.25,5m,；手工操,作,作的强化,速,速度较慢,，,，强化生,产,产率为,0.2,0.3cm2/min,；强化层,的,的均匀性,、,、连续性,较,较差。因,此,此，限制,了,了强化工,艺,艺在某些,场,场合的运,用,用。然而,，,，如果我,们,们能充分,认,认识该工,艺,艺的特点,，,，并合理,运,运用，作,为,为一项特,殊,殊的表面,处,处理技术,，,，它将具,有,有广泛的,应,应用潜力,。,。,图；电火,花,花修补示,意,意图,四、激光,表,表面处理,激光是,20,世纪以来,，,，继原子,能,能、计算,机,机、半导,体,体之后，,人,人类的又,一,一重大发,明,明。它的,原,原理早在,1917,年已被著,名,名的物理,学,学家爱因,斯,斯坦发现,，,，但要直,到,到,1958,年美国科,学,学家肖洛,和,和汤斯发,现,现了一种,神,神奇的现,象,象：当他,们,们将内光,灯,灯泡所发,射,射的光照,在,在一种稀,土,土晶体上,时,时，晶体,的,的分子会,发,发出鲜艳,的,的、始终,会,会聚在一,起,起的强光,。,。根据这,一,一现象，,他,他们提出,了,了,激光原理,。,1960,年,5,月,15,日，美国,加,加利福尼,亚,亚州休斯,实,实验室的,科,科学家梅,曼,曼宣布获,得,得了波长,为,为,0.6943,微米的激,光,光，这是,人,人类有史,以,以来获得,的,的第一束,激,激光，梅,曼,曼因而也,成,成为世界,上,上第一个,将,将激光引,入,入实用领,域,域的科学,家,家。激光,是,是在有理,论,论准备和,生,生产实践,迫,迫切需,要,要的背景,下,下应运而,生,生的，它,一,一问世，,就,就获得了,异,异乎寻常,的,的飞快发,展,展，激光,的,的发展不,仅,仅使古老,的,的光学科,学,学和光学,技,技术获得,了,了新生，,而,而且导致,整,整个一门,新,新兴产业,的,的 出现,。,。激光可,使,使人们有,效,效地利用,前,前所未有,的,的先进方,法,法和手段,，,，去获得,空,空前的效,益,益和成果,，,，从而促,进,进了生产,力,力的发展,。,。,（,1,）定向发,光,光。激光,器,器发射的,激,激光，天,生,生就是朝,一,一个方向,射,射出，光,束,束的发散,度,度极小，,大,大约只有,0.001,弧度，接,近,近平行。,1,、激光的,特点,（,2,）亮度极,高,高。激光,亮,亮度极高,的,的主要原,因,因是定向,发,发光。大,量,量光子集,中,中在一个,极,极小的空,间,间范围内,射,射出，能,量,量密度自,然,然极高。,（,3,）、颜色,极,极纯 。,光,光的颜色,由,由光的波,长,长（或频,率,率）决定,。,。一定的,波,波长对应,一,一定的颜,色,色。光辐,射,射的波长,分,分布区间,越,越窄，单,色,色性越好,激光表面,处,处理原理,通,通过将高,功,功率密度,激,激光束向,工,工件表面,进,进行照射,，,，光能被,工,工件表面,所,所吸收，,并,并转换成,热,热能，由,此,此实现表,面,面处理。,激光表面,处,处理设备,主,主要包括,激,激光器、,功,功率计、,导,导光聚焦,系,系统、工,作,作台、数,控,控系统和,软,软件编程,系,系统等构,成,成。,2,、激光表,面,面处理技,术,术,激光表面,处,处理技术,主,主要有激,光,光表面强,化,化、激光,表,表面涂敷,、,、激光表,面,面非晶态,处,处理、激,光,光表面合,金,金化、激,光,光气相沉,积,积等。,（,1,）激光表,面,面强化,（,2,）激光表,面,面涂敷,（,3,）激光,表面非晶,态,态处理,（,4,）激光表,面,面合金化,（,5,）激光表,面,面气相沉,积,积,轴磨损的,激,激光修复,轧辊轴头,的,的激光堆,焊,焊,五、电子,束,束表面处,理,理,电子束在,表,表面改性,方,方面的应,用,用起始于,上,上个世纪,70,年代。电,子,子束表面,处,处理设备,包,包括高压,电,电源、电,子,子枪、低,真,真空工作,室,室、传动,机,机构、高,真,真空系统,和,和电子控,制,制系统等,。,。,电子束表,面,面处理的,主,主要特点,有,有：,1,、电子束,聚,聚焦性极,好,好，可达,0.1,，处理面,积,积可调整,到,到极小，,进,进行精密,微,微细的局,部,部表面改,性,性，又因,电,电子束作,用,用时间极,短,短为,10,7s,，故改性,导,导致的变,形,形极小。,2,、电子束,能,能量密度,可,可控且控,制,制范围大,，,，可适应,不,不同种类,的,的相变硬,化,化处理和,辅,辅助成膜,处,处理。由,于,于能量密,度,度大达,109W/cm2,，可获极,高,高的局部,温,温度，能,使,使难熔的,W,、,Ta,、,Mo,及陶瓷形,成,成蒸汽，,实,实现蒸镀,处,处理。,3,、电子束,相,相变处理,是,是以电子,束,束为热源,，,，加热和,冷,冷却速度,非,非常高，,无,无需对材,料,料专门冷,却,却。电子,束,束的电热,转,转换效率,高,高，可达,90,，比激,光,光转换效,率,率,7,10, 要高,得,得多。,4,、电子束,的,的强度、,位,位置、聚,焦,焦及工件,位,位置易控,制,制，因而,，,，可有效,地,地控制处,理,理时的工,艺,艺性能指,标,标，同时,，,，也适于,复,复杂零件,处,处理，及,其,其处理工,作,作的自动,化,化。,5,、电子束,表,表面处理,是,是在真空,中,中进行的,，,，可有效,防,防止因表,面,面氧化而,带,带来的处,理,理质量问,题,题，同时,产,产生的生,产,产污染也,较,较小。,6,、 电子,束,束设备价,格,格较高，,也,也不适于,大,大型零件,的,的处理。,另,另外，高,电,电位差形,成,成的电子,束,束在照射,处,处将产生,X,射线，必,须,须采用预,防,防措施。,但,但相比激,光,光而言，,电,电子束设,备,备一次性,投,投资约为,激,激光的,1/3,，实际使,用,用成本也,只,只有激光,的,的一半。,电子束应,用,用实例,图；车桥,轴,轴头焊接,电子束应,用,用实例,图；模具,表,表面处理,六、模拟,实,实训,机床零件,修,修理,故障现象,：,：机床齿轮,强,强度不足,、,、磨损较,快,快,解决方案,：,：对齿轮进,行,行强化处,理,理。,要,求,求：,（,1,）采用此,前,前所学方,法,法，自行,设,设计相关,工,工作流程,；,；,（,2,）模拟进,行,行齿轮修,理,理。,六、模拟,实,实训,机床零件,修,修理,故障现象,：,：机床主轴,表,表面强度,不,不足、耐,磨,磨性较差,解决方案,：,：对机床主,轴,轴进行表,面,面强化处,理,理。,要,求,求：,（,1,）采用此,前,前所学方,法,法，自行,设,设计相关,工,工作流程,；,；,（,2,）模拟进,行,行主轴修,理,理。,小,结,结,表面形变,强,强化（或,称,称表面机,械,械强化）,。,。,表面热处,理,理强化和,表,表面化学,热,热处理强,化,化。,电火花强,化,化。,激光表面,处,处理。,电子束表,面,面处理。,模拟实训,机床零件,修,修理。,又一实例,：,：激光修,复,复叶片叶,尖,尖,谢谢观看,/,欢迎下载,BY FAITHI MEANA VISIONOFGOODONECHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TOSEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESSOFOBSTACLES. BY FAITHI BYFAITH,