激光加工在汽车大修中的应用

魔神

    

1　引言

　　激光表面改性技术是在70年代大功率激光器出现后，迅速发展起来的一项光、机、电一体化高新技术。这种工艺具有淬硬效果好，自动化程度高，操作简单，能耗低，效率高，工件变形极小，基本无废品等一系列优点。利用激光对零件表面进行处理，可改变零件表面的物理结构、化学成分和金相组织，从而改变零件表面的物理、化学和力学性质，如抗磨损、耐腐蚀和抗疲劳性，有效地解决了许多常规热处理目前还难以解决或解决不好的零件表面性质问题。因此，在世界各国取得了迅速发展。如AVCOEVETT研究所对福特汽车的灰口铁凸轮轴进行了表面硬化处理，最大变形量＜0.13mm。同时，该所还对柴油机球墨铸铁曲轴的轴颈和拐颈进行了热处理，硬度达55～62HRC，处理后的曲轴不需校直，从而使曲轴热处理的成本下降了20%，取得了良好的效果。
　　我国激光表面硬化技术近几年才进入使用阶段，但在某些领域还是空白，本文阐述了作者与青岛中发激光技术有限公司联合研制的多功能激光机及其控制系统在汽车发动机缸体、缸套、曲轴的激光表面硬化中的应用。

2　激光表面硬化原理

　　激光表面硬化也称为激光热处理。其原理是，用激光束作热源照射发动机待强化表面，使其表面被快速加热至金属相变温度以上，当激光离开后，高温表面的热量迅速向金属基体传导而形成自淬，使处理后的表面层形成具有硬度很高的隐晶马氏体，从而提高零件的表面硬度、耐磨性及其使用寿命。

3　激光设备及工艺

3.1　激光设备
　　激光表面硬化设备包括三大部分：1.5kW CO₂激光发生器、多功能激光加工机和计算机控制系统。
3.2　汽车发动机大修的常规方法及缺陷
　　发动机大修时，主要经过镗缸、磨轴处理，气缸壁经多次磨削后，表面硬度降低；曲轴轴颈由于磨损失圆，一般需要重新磨轴，换轴瓦。曲轴轴颈在多次磨削后表面硬度降低，不能满足使用要求。因此，常规方法处理后的发动机大修周期变短。
3.3　汽车发动机大修的激光处理工艺
　　汽车发动机大修的激光处理工艺是常规大修工艺加上激光处理。激光热处理一般安排在半精加工后进行。由于常温下金属对波长10.6μm的CO₂激光反射率高达80%以上，经过磨床加工的光洁表面其反射率更高，激光的反射将造成大量能量损失，因此，激光热处理前需采用预敷吸光涂层的方法，以提高零件表面对激光的吸收率。涂层能吸收电磁波中远红外部分，各种金属或非金属氧化物、石墨、碳墨、磷酸盐等都是较好的涂层材料。
　　曲轴热处理时，将其安装在机床工作台上用两卡盘夹紧，将激光光斑直径调到2～3mm，功率密度均匀，从而保证一定宽度的硬化条带上的硬度均匀一致。
　　激光头装配在托架上，托架安装在机床横梁上，因此，可实现激光头上下方向的移动和水平方向的移动。将激光束定位在曲轴轴颈上方，工作台上的步进电机带动曲轴旋转，同时激光头在水平方向运动，而托架沿横梁移动，从而在曲轴表面沿宽度方向扫描出具有一定形状的扫描线(线型由微机控制)。淬硬带在轴颈上的覆盖率(淬硬面积比)一般取30%～50%，曲轴的旋转、激光头的水平运动及合成运动均由程序控制系统进行自动控制。
　　缸体热处理时，将其装在底部的旋转工作台上，缸体作旋转运动，激光头作上下运动。
　　激光硬化处理过程的工艺参数主要有扫描速度、硬化面积比、硬化深度和加工表面粗糙度。这些参数取决于激光功率密度、扫描速度、材料的种类和表面涂层特性等。激光硬化带截面的组织特征有2～4层，具体是多少层要由激光处理规范和材料成分而定。在高速加热和冷却时，一般可在钢的表面观察“白亮层”。
　　由于激光束是按一定几何轨迹在缸体内壁进行扫描，激光处理过的硬化带构成硬的骨架；未经激光处理的地方，在发动机工作时，首先微量磨损，形成贮油结构。这样软硬结合的缸体内壁既提高了耐磨性，又有良好的抗拉伤能力。活塞环在良好的润滑条件下工作，使用寿命大幅度提高。对于曲轴轴颈，也具有同样的原理。
3.4　实验对比及磨损量
　　(1)未经处理的汽缸与经过激光处理后的汽缸汽车跑车数据对比见图1。

图1　汽车跑车数据对比

　　(2)经600h台架实验前后曲轴磨损量
　　依据QC/T524-1999《汽车发动机性能　试验方法》、QC/T525-1999《汽车发动机可靠性　试验方法》等标准，将激光热处理后的曲轴装在492QA汽油机上，全速全负荷可靠性试验。经600h台架试验，进行了精密测量，其磨损量见表。

600h试验前后轴颈磨损量

	最大磨损量 (mm)	最小磨损量 (mm)	平均磨损量 (mm)
主轴颈	0.020	0.010	0.017
连杆轴颈	0.020	0.011	0.016

试验证明：激光表面处理的曲轴，经600h台架试验，耐磨性能良好，其最大磨损量为0.02mm，达到国家规定的要求，可满足2×105km大修期标准。 4　计算机控制原理 　　本项目选用PC总线工业控制机作控制机，CRT作显示器。因此，可实现更好的用户界面，控制功能更强。其原理如图2。

图2　发动机表面硬化计算机控制原理图

　　为了系统的可靠性，强电和弱电部分通过光电隔离器接合，图中箭头方向表示控制信息的流向，各行程开关并联接到I/O板上，因此只要有一个方向上检测到位，即可引起机床关光停机。
　　编程语言采用C⁺⁺和80386汇编语言，程序编制采用类比后的直线插补方法，限于篇幅，本文不作说明。
　　必须强调指出，在对发动机缸体等零件进行热处理开光前，必须使工件先进行预转，关光后亦必须有一段后转，否则，将导致工件局部烧伤。

5　结论

　　发动机是汽车的心脏，采用激光表面硬化处理后的发动机，硬度一般由原来的20HRC提高到55～62HRC，并得到0.2～1mm的强化深度，使用寿命提高到原来的3～5倍，热处理成本下降了20%～40%，激光热处理后的工件几乎无变形。因此，既延长了大修周期，又节省了重复维修的费用，具有良好的社会效益和经济效益，有广泛的应用前景。