摘 要:對汽車大修中的關(guan) 鍵部件發動機缸體(ti) 、曲軸的激光硬化原理、工藝過程及計算機控製方法進行了分析和研究。

1 引言

激光表麵改性技術是在70年代大功率激光器出現後，迅速發展起來的一項光、機、電一體(ti) 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，基本無廢品等一係列優(you) 點。利用激光對零件表麵進行處理，可改變零件表麵的物理結構、化學成分和金相組織，從(cong) 而改變零件表麵的物理、化學和力學性質，如抗磨損、耐腐蝕和抗疲勞性，有效地解決(jue) 了許多常規熱處理目前還難以解決(jue) 或解決(jue) 不好的零件表麵性質問題。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麵硬化處理，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，處理後的曲軸不需校直，從(cong) 而使曲軸熱處理的成本下降了20%，取得了良好的效果。

我國激光表麵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(yu) 青島中發激光技術有限公司聯合研製的多功能激光機及其控製係統在汽車發動機缸體(ti) 、缸套、曲軸的激光表麵硬化中的應用。

2 激光表麵硬化原理

激光表麵硬化也稱為(wei) 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麵，使其表麵被快速加熱至金屬相變溫度以上，當激光離開後，高溫表麵的熱量迅速向金屬基體(ti) 傳(chuan) 導而形成自淬，使處理後的表麵層形成具有硬度很高的隱晶馬氏體(ti) ，從(cong) 而提高零件的表麵硬度、耐磨性及其使用壽命。

3 激光設備及工藝

3.1 激光設備

激光表麵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製係統。

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，氣缸壁經多次磨削後，表麵硬度降低；曲軸軸頸由於(yu) 磨損失圓，一般需要重新磨軸，換軸瓦。曲軸軸頸在多次磨削後表麵硬度降低，不能滿足使用要求。因此，常規方法處理後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後進行。由於(yu) 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麵其反射率更高，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塗層的方法，以提高零件表麵對激光的吸收率。塗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塗層材料。

曲軸熱處理時，將其安裝在機床工作台上用兩(liang) 卡盤夾緊，將激光光斑直徑調到2～3mm，功率密度均勻，從(cong) 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，工作台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(cong) 而在曲軸表麵沿寬度方向掃描出具有一定形狀的掃描線(線型由微機控製)。淬硬帶在軸頸上的覆蓋率(淬硬麵積比)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製係統進行自動控製。
　
缸體(ti) 熱處理時，將其裝在底部的旋轉工作台上，缸體(ti) 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、硬化麵積比、硬化深度和加工表麵粗糙度。這些參數取決(jue) 於(yu) 激光功率密度、掃描速度、材料的種類和表麵塗層特性等。激光硬化帶截麵的組織特征有2～4層，具體(ti) 是多少層要由激光處理規範和材料成分而定。在高速加熱和冷卻時，一般可在鋼的表麵觀察“白亮層”。

由於(yu) 激光束是按一定幾何軌跡在缸體(ti) 內(nei) 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(ti) 內(nei) 壁既提高了耐磨性，又有良好的抗拉傷(shang) 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。對於(yu) 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(yu) 經過激光處理後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台架實驗前後曲軸磨損量

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，將激光熱處理後的曲軸裝在492QA汽油機上，全速全負荷可靠性試驗。

經600h台架試驗，進行了精密測量，其磨損量見表。

600h試驗前後軸頸磨損量



試驗證明：激光表麵處理的曲軸，經600h台架試驗，耐磨性能良好，其最大磨損量為(wei) 0.02mm，達到國家規定的要求，可滿足2×105km大修期標準。
4 計算機控製原理

本項目選用PC總線工業(ye) 控製機作控製機，CRT作顯示器。因此，可實現更好的用戶界麵，控製功能更強。其原理如圖2。


圖2 發動機表麵硬化計算機控製原理圖

為(wei) 了係統的可靠性，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製信息的流向，各行程開關(guan) 並聯接到I/O板上，因此隻要有一個(ge) 方向上檢測到位，即可引起機床關(guan) 光停機。

編程語言采用C++和80386匯編語言，程序編製采用類比後的直線插補方法，限於(yu) 篇幅，本文不作說明。

必須強調指出，在對發動機缸體(ti) 等零件進行熱處理開光前，必須使工件先進行預轉，關(guan) 光後亦必須有一段後轉，否則，將導致工件局部燒傷(shang) 。

5 結論

發動機是汽車的心髒，采用激光表麵硬化處理後的發動機，硬度一般由原來的20HRC提高到55～62HRC，並得到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%，激光熱處理後的工件幾乎無變形。因此，既延長了大修周期，又節省了重複維修的費用，具有良好的社會(hui) 效益和經濟效益，有廣泛的應用前景。