激光加工在汽車大修中的應(yīng)用
作者：楊慕升 趙慶志
摘 要:對汽車大修中的關(guān)鍵部件發(fā)動機缸體、曲軸的激光硬化原理、工藝過程及計算機控制方法進行了分析和研究。
關(guān)鍵詞:激光 硬化 缸體 曲軸
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)展起來的一項光、機、電一體化高新技術(shù)。這種工藝具有淬硬效果好，自動化程度高，操作簡單，能耗低，效率高，工件變形極小，基本無廢品等一系列優(yōu)點。利用激光對零件表面進行處理，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，在世界各國取得了迅速發(fā)展。如AVCOEVETT研究所對福特汽車的灰口鐵凸輪軸進行了表面硬化處理，最大變形量＜0.13mm。同時，該所還對柴油機球墨鑄鐵曲軸的軸頸和拐頸進行了熱處理，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。
我國激光表面硬化技術(shù)近幾年才進入使用階段，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及其控制系統(tǒng)在汽車發(fā)動機缸體、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)動機待強化表面，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、多功能激光加工機和計算機控制系統(tǒng)。
3.2 汽車發(fā)動機大修的常規(guī)方法及缺陷
發(fā)動機大修時，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)動機大修周期變短。
3.3 汽車發(fā)動機大修的激光處理工藝
汽車發(fā)動機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行。由于常溫下金屬對波長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，將其安裝在機床工作臺上用兩卡盤夾緊，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，托架安裝在機床橫梁上，因此，可實現(xiàn)激光頭上下方向的移動和水平方向的移動。將激光束定位在曲軸軸頸上方，工作臺上的步進電機帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，同時激光頭在水平方向運動，而托架沿橫梁移動，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)、激光頭的水平運動及合成運動均由程序控制系統(tǒng)進行自動控制。
缸體熱處理時，將其裝在底部的旋轉(zhuǎn)工作臺上，缸體作旋轉(zhuǎn)運動，激光頭作上下運動。
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，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)動機工作時，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�；钊h(huán)在良好的潤滑條件下工作，使用壽命大幅度提高。對于曲軸軸頸，也具有同樣的原理。
3.4 實驗對比及磨損量
(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)對比見圖1。
圖1 汽車跑車數(shù)據(jù)對比
(2)經(jīng)600h臺架實驗前后曲軸磨損量
依據(jù)QC/T524-1999《汽車發(fā)動機性能 試驗方法》、QC/T525-1999《汽車發(fā)動機可靠性 試驗方法》等標(biāo)準(zhǔn)，將激光熱處理后的曲軸裝在492QA汽油機上，全速全負(fù)荷可靠性試驗。經(jīng)600h臺架試驗，進行了精密測量，其磨損量見表。
600h試驗前后軸頸磨損量
試驗證明：激光表面處理的曲軸，經(jīng)600h臺架試驗，耐磨性能良好，其最大磨損量為0.02mm，達(dá)到國家規(guī)定的要求，可滿足2×105km大修期標(biāo)準(zhǔn)。
4 計算機控制原理
本項目選用PC總線工業(yè)控制機作控制機，CRT作顯示器。因此，可實現(xiàn)更好的用戶界面，控制功能更強。其原理如圖2。
圖2 發(fā)動機表面硬化計算機控制原理圖
為了系統(tǒng)的可靠性，強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，因此只要有一個方向上檢測到位，即可引起機床關(guān)光停機。
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方法，限于篇幅，本文不作說明。
必須強調(diào)指出，在對發(fā)動機缸體等零件進行熱處理開光前，必須使工件先進行預(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)動機是汽車的心臟，采用激光表面硬化處理后的發(fā)動機，硬度一般由原來的20HRC提高到55～62HRC，并得到0.2～1mm的強化深度，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，既延長了大修周期，又節(jié)省了重復(fù)維修的費用，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益，有廣泛的應(yīng)用前景。
