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激光技术在农业机械制造中的应用

引言

自从20世纪60年代激光问世以来，激光技术作为一门高新技术，几乎在各行各业都获得了重要的应用。激光加工技术是指各种以高能密度激光束为手段，通过激光束与材料之间的物理和化学等作用，实现改变物质形态或性质的先进材料加工技术。激光加工涉及激光物理、材料、电子、机械和工程传热等多门学科，综合了激光、制造、控制和计算机应用等多项技术，已成为多学科交叉和多技术综合的一种典型的先进制造技术。激光加工具有非接触、无污染、热影响区域小、加工精度高以及可选区加工等特点，而且在特定的加工情况下是其他l 集成4档精密仪用程控放大器制造方法不可替代的。因此，激光技术在许多行业中都得到了重要的应用。

农业机械由于其自身应用的特点和工作对象的复杂性，尤其是农机制造行业的设计加工手段比较落后，使其创新少，新产品开发周期长，成本高，制造质量制药机械比较粗糙，产品寿命相对较短。为了大力提高农机的制造技术，并与其他机械制造业平行发展，必须加大激光等先进制造技术在农业制造中的应用力度，提高农机制造企业的现代生产技术水平。

1 激光快速成型在农机制造中的应用

快速成型技术就是直接根据CAD模型快速生产样件或零件的技术总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。它能根据CAD模型(电子模型)自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，解决了从设计到制造的快速对接问题。静态实验利用标准的电子万能实验机来进行因此，该技术可以对产品设计进行快速评价及修改，有效地缩短了产品的研发周期，降低了开发成本，满足了当今竞争口益激烈的金葱粉市场对新产品快速开发和快速制造的要求，提高了产品的市场竞争力和企业的综合竞争能力。

激光选区烧结是快速成型制造中的重要工艺方法之一。该技术采用逐层材料添加的原理，对三维实体模型进行切片分区处理，生成激光烧结的扫描路径；然后，通过x-Y激光扫捕仪使激光束沿扫描路径扫描，逐层烧结同化同体粉末材料(如塑料粉、尼龙粉、蜡、陶瓷或)、金属与粘结剂的混合粉或金属粉等，经过烧结与层层叠加后，最终形成所需的三维工件。这种制造方法具有成型速度快、精度高、表面质量好、后置处理简单和省时等特点，是一个具有生命力的技术，为制造技术的发展创造了一种新方法。

农业机械生产过程具有特殊性。零件多具有较复杂的形状，如耕地机械、整地机械和收获机械等。此外，复杂曲面较多，如犁体曲面、旋耕机旋刀、水泵叶轮和送料螺旋等，而且根据具体的生产情况不同，其形状还需相应调整。因此，利用传统的机械加工方法研制这种农业机械零件，不仅研制开发时间长，加工工艺复杂，而且很难达到理想的效果。运用先进的激光快速成型集成技术，不仅大大缩短新产品的开发周期，降低开发成本，而且制造质量也优于传统制造方法。

2 激光表面强化与热处理的应用

激光表面强化与热处理技术是近20年来发展起来的一种新型材料表面处理技术。激光表面强化技术的原理是利用激光穿透能力极强的特点，当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时，其表面迅速奥氏体化，然后急速自冷淬火，金属表面迅速被强化。激光表面强化与热处理可以分为3类：一是激光照射时金属不熔化，只是组织发生变化，这类工艺主要为激光相变硬化(激光淬火)；二是激光照射时金属熔化，冷却后组织发生变化或加入其他元素改善表面性质，包括激光熔凝、激光合金化、激光非晶化和微晶化等；三是激光照射时金属表面发生汽化，从而发生组织变化，这类工艺主要为激光冲击硬化。上述各种激光热处理工艺共同的理论基础是激光与物质的相互作用规律及其金属学行为。

激光热处理是传统热处理技术的发展和补充，它可以解决其它表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化问题。经过激光处理后，铸层表层强度可达HRC60以上，中碳、高碳钢以及合金钢的表层硬度可达HRC70以上，从而提高其抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀和防氧化等性能，延长其使用寿命。

激光热处理在汽车行业应用极为广泛，在许多车关键件上(如缸体．缸套、曲轴、凸轮轴、排气阀、阀座或活塞环等)几乎都可以采HJ激光热处理。同样，农用机车也应该广泛使用。在农业生产中，机器在集油器与泵体之间添加垫圈的工作条件是多种多样的，有些机器(犁、中耕机、播种机和收割机)直接在磨料介质中工作，使许多零件磨损很快。另一方面，为了获得足够的强度，机器的材料用量较大，不仅浪费材料，而且显得笨重。对于此类零件，激光硬化处理后的硬度比常规淬火硬度高5％一20％，激光合金化可以根据要求选择加入新材料，形成以基材为基础的新合金层，以获得满意的性能。此外，由于处理后性能的提高，可以选用低性能的基材，从而减少了基材的质量。

3 激光在农机零件修复中的应用

激光熔覆(又称激光包覆或激光熔敷)是一种新的表面改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束，使之与基材表面薄层一起熔凝，在基材表面形成与冶金结合的填料熔覆层。由于激光熔覆可将高熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面，而且材料的成分亦不受通常的冶合金热力学条件的限制。因此，所采用熔覆材料的范围相当广泛，包括镍基、钴基、铁基合金、碳化物复回光灯合合金材料以及陶瓷材料等。其中，合金材料和碳化物复合材料的激光熔覆较为成熟，并已获得实际应用。由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程，使激光熔覆对基材的热影响较小，引起的变形也较小。控制激光的输入能量还可以将基材的稀释作用限制在极低的程度(小于10％)，从而保持了原熔覆材料的优异性能。

因此，激光熔覆技术可以提高材料表面的耐磨与耐蚀等性能，主要用于零件磨损后的修复及增强新制造零件的性能。对于重要零件(如农机中的汽缸套和活塞等)，由于工作量大，高温、高压、侵蚀以及不同程度的摩擦，其磨损量是很大的，零件需要定期报废和更换。对于耕地机械、整地机械和收割机械(如犁、中耕机、播种机和收割机)，作业时局部磨损很快，零件报废是因为局部的损坏。为了提高零件的使用寿命，修复工作有着极大的意义。激光加工具有选区作用的独特优点，而且激光熔覆可以方便地修复磨损部位，使零件不因为局部损坏而报废，提高了零件的可靠性和使用寿命，在投入费用最小的情况下重新达到更佳的性能要求"J。此外，用激光对模具进行修复，可以大大提高模具的寿命，又不受形状和尺寸的限制，在农机制造中也应大力推广和采用。

4 激光技术在农机制造中应用的几点思考

1)激光加工技术在多行业中已经大力推广，在农业机械制造中的应用也势在必行。但对加工类型的选择及激光器的使用，要从基础做起，只有在充分掌握这种先进加工方法的情况下，才能更好地改进传统工艺，发挥新技术的优势。激光加工技术集成了CAD技术、数控技其中与第3次工业革命相干的3D打印、传感器首当其冲术、激光技术和材料技术等现代科技成果，技术涉及范围广。因此，农机企业在上激光制造项目时，一定要分析企业自身条件船用电站和需求，向其它机械企业咨询，看准方向，找到结合点，循序渐进，切忌所谓"一步到位"。因为激光加工技术发展非常快，任何企业不可能一步到位。

2)激光加工技术在农机制造中的应用在我国尚不普遍，主要是该行业对激光技术的应用还存在不同程度的神秘感和偏见。另外，对激光技术的宣传也不够，缺乏实践。因此，农机企业应尽快引进吸收工业生产中成熟的科研成果，利用好工业中已建立的多功能激光加工中心，使其为更多的农机企业服务。

3)近些年来，大功率激光器和辅助设备的制造技术日益提高，其基础理论及生产技术13益成熟，与其他加工设备相比，大功率激光器的价格也不是很高。因此，激光加工技术在农业机械制造中的应用具备了一定的外部条件。另外，随着农业工业化的快速发展，农业制造企业的实力明显增强，对产品质量的要求越来越高，为激光加工技术在农业机械制造中的应用提供了内部动力和条件。因此，目前激光加工技术在农业机械制造中的应用具备了条件。可以预言，激光加工技术的引入必将大幅度提升农业机械的制造水平。(end)