摘 要:對汽車大修中的關鍵部件發動機缸體、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。 關鍵詞:激光 硬化 缸體 曲軸 1 引言 激光表面改性技術是在70年代大功率激光器出現后，迅速發展起來的一項光、機、電一體化高新技術。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構、化學成分和金相組織，從而改變零件表面的物理、化學和力學性質，如抗磨損、耐腐蝕和抗疲勞性，有效地解決了許多常規熱處理目前還難以解決或解決不好的零件表面性質問題。因此，在世界各國取得了迅速發展。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近幾年才進入使用階段，但在某些領域還是空白，本文闡述了作者與青島中發激光技術有限公司聯合研制的多功能激光機及其控制系統在汽車發動機缸體、缸套、曲軸的激光表面硬化中的應用。 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，當激光離開后，高溫表面的熱量迅速向金屬基體傳導而形成自淬，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 激光設備及工藝 3.1 激光設備 激光表面硬化設備包括三大部分：1.5kW CO2激光發生器、多功能激光加工機和計算機控制系統。 3.2 汽車發動機大修的常規方法及缺陷 發動機大修時，主要經過鏜缸、磨軸處理，氣缸壁經多次磨削后，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，常規方法處理后的發動機大修周期變短。 3.3 汽車發動機大修的激光處理工藝 汽車發動機大修的激光處理工藝是常規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80%以上，經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，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、激光頭的水平運動及合成運動均由程序控制系統進行自動控制。 缸體熱處理時，將其裝在底部的旋轉工作臺上，缸體作旋轉運動，激光頭作上下運動。 激光硬化處理過程的工藝參數主要有掃描速度、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壁進行掃描，激光處理過的硬化帶構成硬的骨架；未經激光處理的地方，在發動機工作時，首先微量磨損，形成貯油結構。這樣軟硬結合的缸體內壁既提高了耐磨性，又有良好的抗拉傷能力。活塞環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)未經處理的汽缸與經過激光處理后的汽缸汽車跑車數據對比見圖1。 圖1 汽車跑車數據對比(2)經600h臺架實驗前后曲軸磨損量 依據QC/T524-1999《汽車發動機性能 試驗方法》、QC/T525-1999《汽車發動機可靠性 試驗方法》等標準，將激光熱處理后的曲軸裝在492QA汽油機上，全速全負荷可靠性試驗。經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600h臺架試驗，耐磨性能良好，其最大磨損量為0.02mm，達到國家規定的要求，可滿足2×105km大修期標準。 4 計算機控制原理 本項目選用PC總線工業控制機作控制機，CRT作顯示器。因此，可實現更好的用戶界面，控制功能更強。其原理如圖2。 圖2 發動機表面硬化計算機控制原理圖為了系統的可靠性，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，各行程開關并聯接到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。 必須強調指出，在對發動機缸體等零件進行熱處理開光前，必須使工件先進行預轉，關光后亦必須有一段后轉，否則，將導致工件局部燒傷。 5 結論 發動機是汽車的心臟，采用激光表面硬化處理后的發動機，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，又節省了重復維修的費用，具有良好的社會效益和經濟效益，有廣泛的應用前景。 參考文獻： ［1］楊慕升.凸輪軸激光表面硬化及其計算機控制.新技術新工藝，1997(2) ［2］王續躍.先進激光加工技術.北京：機械工業出版社，1995. ［3］段軍等.球墨鑄鐵曲軸的激光熱處理.華中理工大學學報，1995(1)