钢线刀激光表面淬火及其组织与性能研究

摘要

激光淬火是表面强化技术之一，它以激光作为热源，对被扫描工件表面进行加热，使表面温度迅速升至奥氏体化温度区间，随后通过基体的迅速冷却使表面发生相变，从而实现淬火强化。 钢线刀作为一种模切刀被广泛应用于印刷业与包装业，现有的钢线刀制备工艺存在高污染、高能耗、生产效率低的问题。所以，本论文的目的就是将激光表面淬火技术应用于钢线刀的制备，为钢线刀的短流程绿色制造奠定技术基础。利用有限元模拟与试验相结合的方法对钢线刀刀身和刀刃激光淬火工艺参数进行研究，研究激光功率、扫描速度、离焦量对显微组织、硬度、冲击韧性的影响。采用人工神经元网络和遗传算法，对刀身激光淬火过程的主要工艺参数进行了优化。主要研究结果如下: (1)分别研究了单道激光和多道激光淬火对钢线刀刀身材料组织与性能的影响。在单道激光淬火试验中，淬火区域显微组织主要由原始组织区、热影响区和淬火硬化区三部分组成。原始组织区由铁素体和渗碳体组成，热影响区由针状马氏体和未熔碳化物组成，淬火硬化区为针状马氏体。淬火硬化区显微硬度随激光功率增大而增大，随扫描速度的增加先增大后减小，随离焦量的增加而减小。得到最佳工艺参数为(激光功率800W、扫描速度40mm/s、离焦量80mm)，此工艺参数下刀身显微硬度达382.2HV0.2，较市售钢线刀刀身显微硬度提升12.4％，组织均匀性同样有较大提高，冲击韧性为35.36J/cm2，与市售标样接近。在多道激光淬火试验中，淬火软化区组织为回火马氏体与回火索氏体，得到最佳搭接率10％，此参数下能实现对刀身整面的淬火。 (2)刀刃激光淬火区域组织为针状马氏体，淬火区显微硬度随激光功率增大而增大，随扫描速度的增加先增大后减小。得到最佳工艺参数为(激光功率150W、扫描速度1600mm/min、离焦量50mm)，显微硬度达到610.2HV0.2，较市售标样提升19.6％。 (3)通过人工神经元网络和遗传算法相耦合得到钢线刀刀身最优激光淬火工艺参数(激光功率853W、扫描速度44mm/s、离焦量86mm)，显微硬度预测值为390HV0.2，与最优工艺参数下的试验结果393.6HV0.2相吻合，该试验结果较之前试验最佳工艺参数所得钢线刀刀身显微硬度提升3％。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1钢线刀概述

1．1．1钢线刀及其应用

1．1．2钢线刀传统生产工艺及其问题

1．2激光淬火技术特点

1．3激光淬火数值模拟研究的方法

1．3．1有限差分法

1．3．2有限元法

1．3．3有限差分法和有限元法的比较

1．4激光淬火的应用与研究现状

1．4．1激光淬火的应用

1．4．2激光淬火技术的研究现状

1．5课题的研究意义与主要研究内容

2试验材料、设备与方法

2．1试验材料

2．2试验设备

2．3试验分析方法

2．3．1金相试样的制作

2．3．2表面质量

2．3．3显微组织

2．3．4淬火区硬度

2．3．5相组成

2．3．6冲击韧性

3刀身激光淬火工艺与组织性能研究

3．1有限元温度场模拟

3．1．1模拟参数的确定

3．1．2模型建立及结果

3．2单道激光淬火试验

3．2．1试验设计

3．2．2表面宏观形貌

3．2．3淬火区域显微组织

3．2．4淬火区域的硬度

3．2．5淬火区域的冲击韧性

3．2．6与市售钢线刀对比

3．3多道激光搭接淬火试验

3．3．1试验设计

3．3．2表面宏观形貌

3．3．3搭接区显微组织

3．3．4搭接区的硬度

3．3．5钢线刀刀身整面淬火试验

3．4本章小结

4刀刃激光淬火工艺与组织性能研究

4．1有限元温度场模拟

4．1．1激光扫描不同时刻的温度场分布情况

4．1．2刀刃上下表面温度场分布

4．2激光刀刃淬火试验

4．2．1试验设计

4．2．2表面宏观形貌

4．2．3淬火区域显微组织

4．2．4淬火区域的硬度

4．2．5与市售钢线刀的对比

4．3本章小结

5基于人工神经元网络和遗传算法的刀身激光淬火工艺参数优化

5．1人工神经元网络工作原理及建模

5．2网络模型训练与预测

5．3遗传算法寻优

5．3．1遗传算法基本原理

5．3．2遗传算法优化参数的试验验证

5．4本章小结

6全文结论

致谢

参考文献