CN102534461B - 自动化高速电弧喷涂再制造发动机曲轴的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自动化高速电弧喷涂再制造发动机曲轴的工艺。喷涂过程中曲轴在变位机的夹持下以

的速度旋转，曲轴轴颈两侧圆周方向上等分出关键点，同侧两关键点弧长距离为13～15mm，依次连接关键点，喷枪沿关键点连成的路径在轴颈表面以110～120mm/s的速度做直线运动，喷枪距轴颈表面的喷涂距离为150～180mm，喷枪运行到轴颈圆角处倾斜角度在50～70°范围内调整。本发明大大提高了再制造废旧曲轴的生产效率，提高了涂层性能，改善了喷涂人员的工作环境，节能、节材及环保效果非常明显，应用前景广阔。

Description

自动化高速电弧喷涂再制造发动机曲轴的工艺

技术领域

本发明涉及一种自动化高速电弧喷涂系统对斯太尔汽车发动机曲轴进行再制造的路径规划方法，属于热喷涂技术领域。

背景技术

随着汽车进入家庭步伐的加快，中国汽车产业迎来了前所未有的机遇，目前我国汽车保有量约4700万辆，而每年报废的汽车都在200万辆以上，所带来的环境问题也逐渐突出。因此如果对汽车零部件进行再制造，有节材、节能等巨大的社会效益，有利于汽车产业的可持续发展。曲轴是汽车发动机中价值最高的零件之一，重量约为发动机的10％，成本约为整机的10-20％，所以对曲轴进行再制造加工，提高其再用率对发展绿色循环经济有重要意义。发动机工作过程中由于磨损使得轴颈出现椭圆和锥度，严重时会出现轴颈划伤、沟痕，导致发动机不能正常工作。目前再制造修复曲轴的技术有堆焊、低温镀铁、电刷镀和电弧喷涂，但堆焊缺点是对曲轴热变形较大，造成曲轴各表面相互位置精度变化大，残余应力大，会降低曲轴抗疲劳强度。低温镀铁不足之处在于曲轴尺寸较大，需要很长的镀槽，需大量镀液，且用后镀液不易保存，因此单件镀铁成本较高，且曲轴不镀部分需先遮蔽，镀后去掉遮蔽，工艺复杂。电刷镀用于修复曲轴时镀层单边厚度不宜超过1mm，只适用于磨损量较小的轴颈。利用电弧喷涂技术再制造曲轴，具有基体升温低、不会使曲轴发生变形和组织相变，涂层厚度可控范围大，成本低等优点。但手工电弧喷涂技术作业环境差，需要人数多，涂层厚度均匀性差，因此在以前研究基础上，提出了机器人自动化高速电弧喷涂再制造发动机曲轴的方法，但不同的喷涂路径规划方式对再制造曲轴的生产效率和涂层性能有很大的影响。已有技术中，仅有论文自动化高速电弧喷涂技术再制造发动机曲轴提出过喷涂路径的设计方法，喷涂过程为喷枪始终垂直于喷涂轴颈表面，曲轴旋转一周完成一个轴颈的第一遍喷涂，喷枪和曲轴没有相对运动，但由于曲轴质量大，变位机工作效率额定，在喷涂过程中曲轴旋转速较低，因此这种喷枪位置固定，仅靠曲轴旋转完成喷涂的路径方式的缺点在于喷涂效率低，涂层容易过热等不足之处。因此，笔者设计了一种新的自动化再制造曲轴喷涂路径规划方式，大大提高了生产效率，改善了涂层的性能，可实现曲轴的大规模再制造生产，有极大的推广应用空间。

发明内容

本发明所提供的是一种利用自动化高速电弧喷涂系统对发动机磨损失效曲轴进行再制造的路径规划方法。自动化电弧喷涂再制造系统如附图1所示，此系统中机器人手臂夹持喷枪，曲轴固定在可以旋转的变位机上，通过中央控制系统对机器人的运动姿态和变位机的旋转实现联动。利用控制软件编程，规划喷涂路径。喷涂时喷枪与工件按照设定的路径自行完成喷涂作业。

提高电弧喷涂再制造发动机曲轴效率的方法，曲轴装夹在可以旋转的变位机上，离线模式下先在曲轴轴颈上选定一些关键点，将喷枪移动按顺序移动至这些关键点处，并调节好姿态，依次在控制器中记存喷枪在每一位置点的姿态和运动参数。编程结束后机器人便可按照设定的程序沿着关键点连成的轨迹运动，在工作状态下机器人便可调用已记存的路径和姿态完成曲轴的自动化喷涂作业；其特征包括以下过程：

喷涂过程中曲轴在变位机的夹持下以

的速度旋转，曲轴轴颈两侧圆周方向上等分出关键点，同侧两关键点弧长距离为13～15mm，依次连接关键点，喷枪沿关键点连成的路径在轴颈表面以110～120mm/s的速度做直线运动，喷枪距轴颈表面的喷涂距离为150～180mm，喷枪运行到轴颈圆角处倾斜角度在50～70°范围内调整。

进一步，喷枪运行到轴颈圆角处倾斜角度为50°。

本发明的内容为设计了一种新型喷涂路径规划方法，将喷涂工艺参数与喷涂层的质量建立了对应关系，提高再制造曲轴的生产效率和涂层性能，解决了四个技术难点：

一是确定了喷涂射流在轴颈圆角处倾斜角度(如图2所示)，根据曲轴形状尺寸，确定出最佳喷涂角度θ为50°～70°，喷涂距离d为150～180mm。在这个范围内减小喷枪在轴颈圆角处的倾斜角度，增大喷涂距离对提高涂层在圆角处的结合强度有很大的意义。

二是确定了喷涂射流的偏移间距，确定规划路径过程中关键点的划分，保证涂层厚度均匀性高，表面平整。

在喷涂射流沉积丘的数学模型基础上，推导优化设计偏移间距的数学模型，方差值E(s)的大小评价涂层的厚度波动幅值，其值越小，涂层厚度均匀性越高。

$E\left(s\right)={\mathrm{\Σ}}_{x_i}{(Q\left(x_i\right)-\stackrel{\‾}{Q})}^2$

$Q\left(x\right)=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}p(x-i\·s)$

式中，Q(x)描述的是喷枪沿平行轨迹移动依次后沉积层的厚度在轴颈表面的平行轮廓线。s为偏移间距，n为最大偏移次数，i为偏移宽度。

根据实际喷涂次数(喷涂厚度)和偏移宽度(轴颈宽度)，计算Q(x)的方差值，方差值最小时确定出的最佳偏移间距，在此路径下得到的涂层厚度均匀平整。

通过MATLAB对上述数学模型进行编程，根据曲轴的尺寸参数，确定出最佳偏移间距s为13～15mm。

三是确定了喷涂过程中喷枪的平移速度，由于变位机带动曲轴旋转的速度为

喷枪在待喷面(轴颈表面)的移动速度与涂层的散热速度有一定的关系，在喷涂过程中，利用红外测温仪测量了不同喷枪移动度时时轴颈表面的温度值，监控原理如图3所示，测试结果如图4所示，由图4曲线得出喷枪移动速度在110～120mm/s时，涂层表面温度控制在150℃以下，涂层散热速度高，热应力小，在此范围内，喷枪移动速度越高，喷涂效率越高。

首先根据最优的喷涂间距，在曲轴轴颈两侧沿周向平均划分出关键点，每个关键点(1、3点)之间弧长距离为13～15mm，将这些关键点依次连接(如附图5所示)。路径规划过程为，将喷枪移到第一点，调节好喷枪姿态左倾斜50～70°，在喷枪和曲轴扇板不干涉的前提下尽量减小喷枪与轴颈之间的夹角，调整喷枪距圆角处距离为150～180mm，设定喷枪移动速度为110～120mm/s，记存第一点，接着变位机带动曲轴旋转一定角度，曲轴旋转速度为

喷枪沿轴颈从第一点平移到位置2，右倾斜一定角度，记存第二点，曲轴旋转一周，依次记存每一个位置点，完成一个轴颈的路径编程，同理对其他轴颈进行规划，喷涂过程中，曲轴在变位机的带动下旋转，喷枪在轴颈表面做直线左右运动，曲轴旋转一周可以完成一个轴颈的一遍喷涂。

附图说明

图1机器人自动化高速电弧喷涂系统主体部分；

图2曲轴喷涂示意图；

1-喷枪；2-曲轴；3-变位机；4-机器人；5-中央控制器；6-喷涂射流；7-曲轴轴颈(待喷面)；8-轴颈圆角；

图3基于红外热像仪的涂层表面温度监控原理图；

图4喷枪移动速度与涂层表面温度关系图；

图5本发明喷涂路径示意图；

图6文献报道喷涂路径示意图；

图73Cr13涂层SEM横截面形貌；

图8不同喷涂路径制备涂层照片a)文献报道b)本发明；

图9不同喷涂路径再制造后涂层照片a)文献报道b)本发明。

具体实施方式

本发明通过如下措施来实现：

(1)清洗。使用ZQ2539曲轴清洗机、SR-820AII清洗液，6分钟将清洗机的清洗液加热到60度，将曲轴装在清洗机夹具上，对曲轴进行清洗，重点是轴颈和油道。曲轴清洁度限值≤200mg/件，油孔限值≤40mg/件。清洗完后将曲轴吹干，确保曲轴表面无油污、铁屑、氧化物。

(2)轴颈检测。用外径测微器测量其圆度和圆柱度，其值超过0.05mm时，应磨削轴颈，减级使用，遵循“减级必氮化”的原则，曲轴可以减1到减4级。也就是说从成本和质量的角度考虑，能减级的一定要减级使用。从修理费用和修后质量两方面考虑，一般对于磨损不严重的且能直接减级使用的曲轴直接减级氮化使用。一般来说，轴颈直径在80mm以下圆度及圆柱度误差超过0.025mm，或直径在80mm以上圆度及圆柱度误差超过0.040mm的曲轴，均应按规定尺寸(修理尺寸)进行修磨。当轴颈磨损严重，采用修理尺寸法不能达到修理效果时，应采用自动化高速电弧喷涂涂层技术修复后再磨削至规定的尺寸。

(3)裂纹检测。用磁粉检测技术检查轴颈表面是否存在裂纹，设备型号为CJW-4000荧光磁粉探伤机，它的工作原理是铁磁材料被磁化后，由于工件上存在不连续性，则工件表面和近表面在磁力线会发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在表面的磁粉，在合适的光照条件下会形成可见的磁痕，从而显示出不连续性的大小、位置、形状和严重程度等。

10分钟/件，磁悬液和YC-2荧光磁粉。调节周向磁化电流2400A，纵向磁化：直流，16000安匝；将曲轴装在荧光磁粉探伤机上对曲轴进行探伤：探伤标准为《STR曲轴探伤检测技术标准》，检查轴颈及圆角处是否有裂纹，对可疑磁痕采用渗透法进行确认；用剩磁检测仪检测剩磁不大于2×10^-4T。

(4)应力检测。先用EMS-2003金属磁记忆检测仪对曲轴主轴颈和连杆轴颈进行应力集中定性检测并进行分析。然后对应力集中较大的部位用XZU-1型数字超声检测仪进行细微检测。以确定内部的裂纹或夹杂物。

(5)弯曲、扭曲检测及校正。采用千分表进行测量，曲轴弯曲量小于0.25mm时，采用表面敲击法校直。

(6)磨削。用磨床对轴颈进行磨削去掉0.3～0.35mm，目的是去除轴颈表面的疲劳层及圆化轴颈。

(7)曲轴防护。在曲轴非喷涂的部位刷银粉以及其它必要的保护。

(8)喷砂。对轴颈表面进行喷砂粗化处理，砂料宜选用16～22目的棕刚玉砂，具体工艺规范参照热喷涂层的预处理工艺规范。

(9)路径规划。首先利用软件编程设计操作界面，设置所用参数及属性，然后利用控制软件编程规划喷涂路径。

(10)喷涂。喷涂电压：28V；喷涂电流：120A；喷涂距离：180mm；雾化气体压力：0.7MPa。喷涂角度接近50～70°。喷涂材料：普通用电弧喷涂丝材。喷涂四遍，喷涂厚度为0.6～0.8mm。喷枪的运动速度、姿态及轨迹由事先编辑好的自动化喷涂程序控制。

(11)磨削。对喷涂后的轴颈表面进行磨削加工，磨削余量为0.3～0.45mm。达到标准尺寸。

(12)使用前的性能检测。利用抽检等方法对再制造进行表面厚度、弯曲疲劳、应力等性能的检测。分析产品是否符合再制造曲轴产品的使用指标要求。

(13)正常装机试车，使用喷涂曲轴装配的发动机合格入库并在装机档案中标明，以便后续跟踪。

实施例：采用文献报道路径进行喷涂实验和采用笔者新发明路径喷涂实验

文献报道喷涂路径为，喷涂时喷枪始终保持垂直于曲轴轴颈的姿态，曲轴轴颈横向分为4道，曲轴转动，转动一周后停止，喷枪移到下一道喷涂位置后，曲轴继续向相反方向转动，依此喷涂四道结束后，完成一个轴颈的一遍喷涂，路径规划方式如图6所示。

本发明设计的新型喷涂路径的特征在于，首先根据最优的喷涂间距，在曲轴轴颈两侧沿周向平均划分出关键点，每个关键点(1、3点)弧长之间距离为13～15mm，将这些关键点依次连接(如附图5所示)。路径规划过程为，将喷枪移到第一点，调节好喷枪姿态左倾斜50～70°，在喷枪和曲轴扇板不干涉的前提下尽量减小喷枪与轴颈之间的夹角，调整喷枪距圆角处距离为150～180mm，设定喷枪移动速度为110～120mm/s，记存第一点，接着变位机带动曲轴旋转一定角度，曲轴旋转速度为喷枪沿轴颈从第一点平移到位置2，右倾斜一定角度，记存第二点，曲轴旋转一周，依次记存每一个位置点，完成一个轴颈的路径编程，同理对其他轴颈进行规划，喷涂过程中，曲轴在变位机的带动下旋转，喷枪在轴颈表面做直线左右运动，曲轴旋转一周可以完成一个轴颈的一遍喷涂。

本发明提高了再制造废旧发动机曲轴生产效率，改善了喷涂层的性能。采用文献报道中的喷涂路径进行喷涂实验，曲轴共有13个轴颈，每个轴颈喷涂四道，即曲轴转动4周，所以喷涂一遍需要变位机转动52周，冷却时再反转52周。变位机速度是

因此一根曲轴喷一遍需要耗时52min。完成一根曲轴的第一遍喷涂，变位机需要旋转104周。而采用本发明设计的喷涂路径进行喷涂实验，曲轴旋转26周，即可完成一根曲轴的第一遍喷涂。只需要13min。比较得出，采用本发明设计的喷涂路径，喷涂效率提高了四倍。

图7是采用本发明设计的喷涂路径制备的Fe基涂层的SEM横截面形貌，涂层组织均匀、结构致密，与基体结合紧密，界面处没有裂纹出现。

涂层的结合强度是影响曲轴使用性能的重要因素之一，喷涂射流与基体表面喷涂角度越大，熔融粒子到达基体表面的冲击力越大，在基体表面很好的铺展、浸润，能大大提高涂层的结合强度。采用文献报道中喷涂路径，喷涂射流只是垂直于轴颈表面，而在“R”角处没有偏斜，涂层在“R”处结合强度很低，喷涂四遍后涂层有开裂、剥落的现象出现，如图8(a)所示。采用本发明的喷涂路径，喷涂过程中喷枪在轴颈两侧始终保持45°倾角，喷涂射流垂直指向曲轴“R”角处，大大提高了涂层在“R”角处的结合强度，喷涂四遍也未出现涂层剥落现象，如图8(b)所示。两种喷涂路径制备的涂层的结合强度见表1所示，比较发现采用本发明喷涂制备的涂层的结合强度约是采用文献报道喷涂路径制备涂层的两倍左右。

表1涂层结合强度

涂层内部的残余应力对再制造后曲轴的使用寿命有重要的影响。理想的应力分布规律应该是轴颈中部为压应力，拐角处为拉应力。喷涂过程中涂层的沉积方式和喷枪的移动速度是影响涂层残余应力和涂层性能的关键因素，采用文献报道的喷涂路径进行试验时，喷枪始终保持与轴颈表面垂直一个姿态，曲轴旋转一周完成一道喷涂。因此，喷涂过程中涂层在一点处沉积时间过长，造成涂层的热量集中，容易产生过热现象，涂层残余应力较大，如图9(a)所示，涂层局部产生过热点。

采用本发明喷涂路径进行喷涂试验的过程中，曲轴旋转的同时喷枪以115mm/s的速度左右摆动，大大减小了应力集中的可能。涂层厚度均匀，表面质量很好，没有过烧点，如图9(b)所示。另外，采用以前喷涂工艺一个轴颈轴向分为四道喷涂，涂层是由周向四道涂层搭接而成，恰好与曲轴旋转方向一致，不利于涂层的耐磨性能。而优化后制备的涂层的搭接方式是沿轴颈横向分布，涂层分布方向和轴颈运转受力方向成90°夹角，涂层耐磨性能提高。

分别采用文献报道喷涂路径和本发明设计路径进行再制造，并对其成本进行了分析，初步预算结果如表2所示，采用本发明设计的喷涂路径再制造费用相比文献报道的节省了18％，整个再制造过程所需的费用约175元/根，再制造成本仅为制造一根新品曲轴的6.2％，所需的喷涂金属丝材不到新品曲轴重量的3％。而且，喷涂再制造技术的节能效果在90％以上，喷涂产生的灰尘通过专门设计的水幕除尘设备过滤后，不污染环境，且减轻了喷涂人员的工作强度，改善了喷涂人员的工作环境。因此，该技术的节能、节材及环保效果明显，应用前景广阔。

表2自动化喷涂再制造单件曲轴经济性评估

注*：a)再制造喷涂材料的消耗按所有轴颈都需喷涂计算；b)再制造加工费用包含废旧曲轴的拆解清洗、检测校正、喷砂预处理、自动化电弧喷涂、磨削后加工等工序产生的费用(含人工、水、电、气的费用等)。

Claims (1)

1.提高电弧喷涂再制造发动机曲轴效率的方法，曲轴装夹在可以旋转的变位机上，离线模式下先在曲轴轴颈上选定一些关键点，将喷枪移动按顺序移动至这些关键点处，并调节好姿态，依次在控制器中记存喷枪在每一位置点的姿态和运动参数，编程结束后机器人便可按照设定的程序沿着关键点连成的轨迹运动，在工作状态下机器人便可调用已记存的路径和姿态完成曲轴的自动化喷涂作业；其特征包括以下过程：

喷涂过程中曲轴在变位机的夹持下以 

的速度旋转，曲轴轴颈两侧圆周方向上等分出关键点，同侧两关键点弧长距离为13～15mm，依次连接关键点，喷枪沿关键点连成的路径在轴颈表面以110～120mm/s的速度做直线运动，喷枪距轴颈表面的喷涂距离为150～180mm，喷枪运行到轴颈圆角处倾斜角度在50～70°范围内调整。

2根据权利要求1所述的提高电弧喷涂再制造发动机曲轴效率的方法，其特征在于：喷枪运行到轴颈圆角处倾斜角度为50°。 

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