摘 要:對(duì)汽車大修中的關(guān)鍵部件發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、曲軸的激光硬化原理、工藝過程及計(jì)算機(jī)控制方法進(jìn)行了分析和研究。
1 引言
激光表面改性技術(shù)是在70年代大功率激光器出現(xiàn)后，迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)光、機(jī)、電一體化高新技術(shù)。
這種工藝具有淬硬效果好，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，能耗低，效率高，工件變形極小，基本無廢品等一系列優(yōu)點(diǎn)。利用激光對(duì)零件表面進(jìn)行處理，可改變零件表面的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和金相組織，從而改變零件表面的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，如抗磨損、耐腐蝕和抗疲勞性，有效地解決了許多常規(guī)熱處理目前還難以解決或解決不好的零件表面性質(zhì)問題。因此，在世界各國(guó)取得了迅速發(fā)展。如AVCOEVETT研究所對(duì)福特汽車的灰口鐵凸輪軸進(jìn)行了表面硬化處理，最大變形量＜0.13mm。同時(shí)，該所還對(duì)柴油機(jī)球墨鑄鐵曲軸的軸頸和拐頸進(jìn)行了熱處理，硬度達(dá)55～62HRC，處理后的曲軸不需校直，從而使曲軸熱處理的成本下降了20%，取得了良好的效果。
我國(guó)激光表面硬化技術(shù)近幾年才進(jìn)入使用階段，但在某些領(lǐng)域還是空白，本文闡述了作者與青島中發(fā)激光技術(shù)有限公司聯(lián)合研制的多功能激光機(jī)及其控制系統(tǒng)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸套、曲軸的激光表面硬化中的應(yīng)用。
2 激光表面硬化原理
激光表面硬化也稱為激光熱處理。其原理是，用激光束作熱源照射發(fā)動(dòng)機(jī)待強(qiáng)化表面，使其表面被快速加熱至金屬相變溫度以上，當(dāng)激光離開后，高溫表面的熱量迅速向金屬基體傳導(dǎo)而形成自淬，使處理后的表面層形成具有硬度很高的隱晶馬氏體，從而提高零件的表面硬度、耐磨性及其使用壽命。
3 激光設(shè)備及工藝
3.1 激光設(shè)備
激光表面硬化設(shè)備包括三大部分：1.5kW CO2激光發(fā)生器、多功能激光加工機(jī)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大修的常規(guī)方法及缺陷
發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)，主要經(jīng)過鏜缸、磨軸處理，氣缸壁經(jīng)多次磨削后，表面硬度降低；曲軸軸頸由于磨損失圓，一般需要重新磨軸，換軸瓦。曲軸軸頸在多次磨削后表面硬度降低，不能滿足使用要求。因此，常規(guī)方法處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)大修周期變短。
3.3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大修的激光處理工藝
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大修的激光處理工藝是常規(guī)大修工藝加上激光處理。激光熱處理一般安排在半精加工后進(jìn)行。由于常溫下金屬對(duì)波長(zhǎng)10.6μm的CO2激光反射率高達(dá)80%以上，經(jīng)過磨床加工的光潔表面其反射率更高，激光的反射將造成大量能量損失，因此，激光熱處理前需采用預(yù)敷吸光涂層的方法，以提高零件表面對(duì)激光的吸收率。涂層能吸收電磁波中遠(yuǎn)紅外部分，各種金屬或非金屬氧化物、石墨、碳墨、磷酸鹽等都是較好的涂層材料。
曲軸熱處理時(shí)，將其安裝在機(jī)床工作臺(tái)上用兩卡盤夾緊，將激光光斑直徑調(diào)到2～3mm，功率密度均勻，從而保證一定寬度的硬化條帶上的硬度均勻一致。
激光頭裝配在托架上，托架安裝在機(jī)床橫梁上，因此，可實(shí)現(xiàn)激光頭上下方向的移動(dòng)和水平方向的移動(dòng)。將激光束定位在曲軸軸頸上方，工作臺(tái)上的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)激光頭在水平方向運(yùn)動(dòng)，而托架沿橫梁移動(dòng)，從而在曲軸表面沿寬度方向掃描出具有一定形狀的掃描線(線型由微機(jī)控制)。淬硬帶在軸頸上的覆蓋率(淬硬面積比)一般取30%～50%，曲軸的旋轉(zhuǎn)、激光頭的水平運(yùn)動(dòng)及合成運(yùn)動(dòng)均由程序控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。
缸體熱處理時(shí)，將其裝在底部的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，缸體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，激光頭作上下運(yùn)動(dòng)。
激光硬化處理過程的工藝參數(shù)主要有掃描速度、硬化面積比、硬化深度和加工表面粗糙度。這些參數(shù)取決于激光功率密度、掃描速度、材料的種類和表面涂層特性等。激光硬化帶截面的組織特征有2～4層，具體是多少層要由激光處理規(guī)范和材料成分而定。在高速加熱和冷卻時(shí)，一般可在鋼的表面觀察“白亮層”。
由于激光束是按一定幾何軌跡在缸體內(nèi)壁進(jìn)行掃描，激光處理過的硬化帶構(gòu)成硬的骨架；未經(jīng)激光處理的地方，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，首先微量磨損，形成貯油結(jié)構(gòu)。這樣軟硬結(jié)合的缸體內(nèi)壁既提高了耐磨性，又有良好的抗拉傷能力。活塞環(huán)在良好的潤(rùn)滑條件下工作，使用壽命大幅度提高。對(duì)于曲軸軸頸，也具有同樣的原理。
3.4 實(shí)驗(yàn)對(duì)比及磨損量
(1)未經(jīng)處理的汽缸與經(jīng)過激光處理后的汽缸汽車跑車數(shù)據(jù)對(duì)比見圖1。
圖1 汽車跑車數(shù)據(jù)對(duì)比
(2)經(jīng)600h臺(tái)架實(shí)驗(yàn)前后曲軸磨損量
依據(jù)QC/T524-1999《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能 試驗(yàn)方法》、QC/T525-1999《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性 試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)，將激光熱處理后的曲軸裝在492QA汽油機(jī)上，全速全負(fù)荷可靠性試驗(yàn)。
經(jīng)600h臺(tái)架試驗(yàn)，進(jìn)行了精密測(cè)量，其磨損量見表。
600h試驗(yàn)前后軸頸磨損量
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試驗(yàn)證明：激光表面處理的曲軸，經(jīng)600h臺(tái)架試驗(yàn)，耐磨性能良好，其最大磨損量為0.02mm，達(dá)到國(guó)家規(guī)定的要求，可滿足2×105km大修期標(biāo)準(zhǔn)。
4 計(jì)算機(jī)控制原理
本項(xiàng)目選用PC總線工業(yè)控制機(jī)作控制機(jī)，CRT作顯示器。因此，可實(shí)現(xiàn)更好的用戶界面，控制功能更強(qiáng)。其原理如圖2。
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圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)表面硬化計(jì)算機(jī)控制原理圖
為了系統(tǒng)的可靠性，強(qiáng)電和弱電部分通過光電隔離器接合，圖中箭頭方向表示控制信息的流向，各行程開關(guān)并聯(lián)接到I/O板上，因此只要有一個(gè)方向上檢測(cè)到位，即可引起機(jī)床關(guān)光停機(jī)。
編程語言采用C++和80386匯編語言，程序編制采用類比后的直線插補(bǔ)方法，限于篇幅，本文不作說明。
必須強(qiáng)調(diào)指出，在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等零件進(jìn)行熱處理開光前，必須使工件先進(jìn)行預(yù)轉(zhuǎn)，關(guān)光后亦必須有一段后轉(zhuǎn)，否則，將導(dǎo)致工件局部燒傷。
5 結(jié)論
發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，采用激光表面硬化處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)，硬度一般由原來的20HRC提高到55～62HRC，并得到0.2～1mm的強(qiáng)化深度，使用壽命提高到原來的3～5倍，熱處理成本下降了20%～40%，激光熱處理后的工件幾乎無變形。因此，既延長(zhǎng)了大修周期，又節(jié)省了重復(fù)維修的費(fèi)用，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，有廣泛的應(yīng)用前景。
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