CN103614685B - 一种自动化双丝电弧喷涂发动机机体再制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动化双丝电弧喷涂发动机机体再制造方法，所述的方法包括对发动机机体主轴承孔镗削毛螺纹、喷砂预处理、用机器人自动化电弧喷涂系统对主轴承孔按预先规划设计的特定路径和喷涂工艺参数进行涂层制备、涂层镗削后加工以及检测与标识。工作台支撑并固定发动机机体不动，机械人末端手臂夹持喷枪进行喷涂作业，使用的喷涂材料为FeAl粉芯丝材。本发明可实现各种尺寸和重量的活塞式内燃机发动机机体的规模化再制造生产，提高了喷涂层的性能，改善了喷涂人员的工作环境，节能、降耗和环保效果明显。

Description

一种自动化双丝电弧喷涂发动机机体再制造方法

技术领域

本发明涉及一种发动机再制造方法，特别是涉及一种利用自动化双丝电弧喷涂技术对活塞式发动机机体进行再制造的方法，属于热喷涂技术领域。

背景技术

发动机是汽车、船舶、石油钻机、工程机械、武器装备等机械设备的核心组件，需求量大面广。以前，对废旧发动机的主要处理方式是回收原材料，这种方式不能充分体现废旧发动机的价值，而且会造成能源、资源的浪费和环境的污染。因此，开展废旧发动机的再制造对于节约社会资源、降低成本和能耗具有至关重要的作用，为发展循环经济建设具有重要意义。而发动机机体是发动机最重要的零部件之一，其中主轴承孔磨损、变形和划伤是废旧机体损伤失效的主要形式。针对发动机机体主轴承孔的失效，曾经公开报道的修复/再制造方法主要有三种：一是采用胶粘镶圈法修复，该法工艺简单、成本低，但无法解决胶的老化问题；二是基于“减尺寸”的镗削加工法，即用镗床将主轴承孔的尺寸减小一个级别，再装配非标准的轴瓦，这种方法由于改变了零部件的尺寸标准，会给后期的使用和检修带来诸多的麻烦，且减尺寸加工的次数有限；三是电弧喷涂的修复方法，2001年，东北林业大学机械厂的孙彦臣，在《汽车技术》杂志第2期（P41-P42）上发表了题为“发动机主轴承及连杆轴承孔的修复方法”的文章。他们采用电弧喷涂技术进行修复，选用Ni-Al复合丝材作打底层喷涂材料，镀锌铁丝作工作层喷涂材料。这种方法涂层硬度低，利于后加工。但也存在一些问题：一是选用的Ni-Al复合丝材成本较高，二是手工作业环境较差，产生的粉尘、噪音以及镀锌铁丝熔化时产生的ZnO蒸汽等因素会危害作业人员的健康；三是手工喷涂的工艺稳定性和重复性较差，涂层厚度和性能无法均匀一致，质量难以保证。因此，在以前研究的基础上，提出了自动化高速电弧喷涂再制造发动机机体主轴承孔的方法，但不同的喷涂工艺与路径设计、不同的自动化喷涂设备以及不同的材料体系设计对发动机机体的再制造适用性和涂层性能有很大的影响。已有技术中，仅有发表在《中国表面工程》杂志第20卷第6期的论文“自动化电弧喷涂1Cr18Ni9Ti-Al复合涂层在废旧发动机缸体再制造中的应用”提出过基于操作机自动化电弧喷涂再制造的工艺方法，该方法用于斯太尔汽车发动机缸体（重量一般小于350公斤）的再制造，选用1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢丝与Al丝的异质双丝喷涂材料设计，所设计的自动化喷涂工艺是基于变位机带动缸体旋转的同时，操作机在直角坐标系下带动喷枪左右平移和上下往复移动。该工艺方法较手工喷涂技术相比有较大进步，但是喷涂作业需要变位机带动缸体旋转，这对于船舶、石油钻机、工程机械、武器装备等设备使用的大重量发动机机体来说并不适用，因为当工件的重量超过一定限度时，很难找到大载荷与功率的变位机，能够带动这些工件以相当的速度和精度旋转。因此，本发明设计了一种适用性更广泛的自动化双丝电弧喷涂再制造发动机机体的新方法，改善了涂层的性能，可实现各种尺寸和重量的活塞式内燃机发动机机体的规模化再制造生产，有极大的推广应用空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种发动机机体主轴承孔的自动化双丝电弧喷涂再制造方法，以及使用该方法所涉及的设备、材料和工艺。

本发明再制造方法所用的机器人自动化电弧喷涂系统组成如图1所示，主要包括：关节式机器人、喷涂电源、送丝机构、高速电弧喷涂枪、固定工件的工作台和中央控制单元。作业时，机械人末端手臂夹持喷涂枪；工作台支撑和定位发动机机体零件，并不运动；中央控制单元按照预先编写的自动化作业程序控制喷涂电源和送丝机构作业，同时控制机器人带动喷枪按预先规划的喷涂路径开始自动化喷涂作业。

一种自动化双丝电弧喷涂发动机机体再制造方法，其特征在于：工作台支撑并固定活塞式发动机机体不动，机械人末端手臂夹持喷枪进行运动作业，首先采用示教方式或离线编程方式对机器人运行路径进行规划设计，围绕每一个主轴承孔凹形圆周面平均划分出关键点，喷涂时机器人便可调用记存的路径和喷涂工艺参数对已预处理的发动机机体进行自动化喷涂作业，先将喷枪移到第一点，调节好喷枪姿态，喷枪移动速度范围为100～200mm/s，喷枪沿主轴承孔从第一点竖直平移到第二点，而后喷枪水平偏移至下一点，如此按规划路径喷涂，喷涂完一个主轴承孔之后进行下一个主轴承孔的循环喷涂，喷涂完所有主轴承孔后进行镗削加工，使之达到标准尺寸；

所设计路径竖直方向轨迹长度比主轴承孔宽度大20～40mm，所设计路径的展开成平面图上的水平方向相邻连接点间距为15～20mm，喷枪在主轴承孔端面的喷涂角度γ由以下公式确定：

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-({\sin }^{-1}\frac{D\sin \mathrm{\α}}{R}-\mathrm{\α}),$

其中R为主轴承孔直径，D为喷涂距离，α为喷枪和靠近喷枪一侧的轴承孔端面的连线与喷枪焰流中心线的夹角；喷涂焰流和主轴承孔不发生遮挡的前提是夹角α不小于喷涂焰流张角的1/2，喷涂焰流张角与喷枪型号相关，选择范围为20°～40°；对于每一种型号的发动机机体，主轴承孔直径R是固定的，由此设计喷涂距离选择范围为R≤D≤R+100mm。

具体的，该方法包括以下次序的步骤：

（1）利用镗床在已清洗处理的废旧发动机机体主轴承孔表面加工出毛螺纹，螺纹的规格为：三角螺纹牙型角60°、螺距1.5～3.0mm；

（2）利用遮蔽法在发动机机体主轴承孔附近区域的非喷涂部位进行保护，并使用16～22目的棕刚玉或白刚玉砂料进行喷砂预处理；

（3）利用机器人自动化电弧喷涂系统对发动机机体主轴承孔按预先设计的控制程序进行喷涂作业，使用的喷涂工艺参数为：喷涂电压30～32V、喷涂电流120～160A、雾化气体压力0.5～0.7MPa，使用的喷涂材料为Al质量百分含量为14～20%的FeAl粉芯丝材，喷涂涂层厚度的单边加工余量为0.2～0.35mm；

（4）喷涂完后利用镗瓦机进行主轴承孔的镗削加工。

本发明的内容基于机器人自动化电弧喷涂系统设计了新型的喷涂路径、喷涂材料选型和再制造工艺流程，将再制造工艺参数与喷涂层的质量建立了对应关系，保证发动机机体主轴承孔的再制造效率和产品质量，解决了三个关键技术点：

一是确定了喷涂焰流在主轴承孔表面的喷涂角度（即喷枪焰流中心线与喷涂沉积斑点在轴承孔切面间的夹角）。喷涂角度是保证涂层厚度均匀性和沉积质量的关键因素，尤其是主轴承孔左右两端的喷涂角度过小不利于形成高质量涂层，喷涂角度过大则喷涂焰流可能受机体主轴承孔边缘遮挡。为此，本发明基于数学推导确定了喷涂角度最佳设计范围。喷枪指向主轴承孔左端面的位置状态参数如图2所示，其中喷涂焰流在该处的喷涂角度γ由下式确定：

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-({\sin }^{-1}\frac{D\sin \mathrm{\α}}{R}-\mathrm{\α})---\left(1\right)$

式中R为主轴承孔直径，D为喷涂距离，α为喷枪和靠近喷枪一侧的轴承孔端面的连线与喷枪中心轴线的夹角。喷涂焰流和主轴承孔不发生遮挡的必要条件是夹角α不低于喷涂焰流张角θ的1/2（即α≥θ/2）。通常喷涂焰流张角θ与喷枪型号相关，选择范围为20°～40°，对于每一种型号的发动机机体，主轴承孔直径R是固定的，由此设计喷涂距离选择范围为R≤D≤R+100mm。同理，喷枪移至最右端或偏离主轴承孔端面时的喷涂角度同样可用公式（1）确定。

二是确定了发动机机体主轴承孔的自动化喷涂路径。本发明设计的新型自动化喷涂路径的特征在于，发动机机体固定不动，只是喷涂枪围绕主轴承孔表面运动，首先根据最优的喷涂间距，围绕每一个主轴承孔凹形圆周面平均划分出关键点，将关键点依次连接，喷涂焰流沉积斑点运动轨迹三维示意图如图3所示，运动轨迹的二维展开图如图4所示，其中设计路径竖的直方向轨迹长度比主轴承孔宽度大20～40mm，水平方向偏移间距为15～20mm。路径规划过程为，将喷枪移到第一点，调节好喷枪姿态，在喷涂焰流和主轴承孔不遮挡的前提下尽量减小喷枪与主轴承孔的倾斜角度，设定喷枪移动速度范围为100～200mm/s，喷枪沿主轴承孔从第1点竖直平移到第2点，而后喷枪水平偏移至第3点，当喷涂焰流与主轴承孔不会遮挡时调整喷枪姿态使其垂直主轴承孔喷涂，如此按规划路径喷涂，喷涂完一个主轴承孔之后进行下一个主轴承孔的循环喷涂。本发明设计的自动化喷涂路径的特征还在于：喷枪不需要做大幅度的摆动，这对于减小送丝阻力、保证喷涂稳定非常有利，同时，发动机机体固定不动，这对于喷涂重载荷的工件非常有利。

三是确定了实现发动机机体主轴承孔高速电弧喷涂材料选型。本发明设计FeAl粉芯丝材制备复合涂层，粉芯丝材由低碳钢带外皮包覆铝粉制备而成，铝粉按质量百分比占丝材14～20%。制备该粉芯丝材时，选用宽度为10mm、厚度为0.4mm的低碳钢带，并准备好60～80目的铝粉，通过粉芯丝材成型试验装置经过、轧带、填粉、封口、拔丝减径一系列过程，即得到直径为2mm的成品丝材。并发明设计的FeAl粉芯丝材专门用于发动机机体的喷涂修复，其特点是喷涂工艺稳定、制备的涂层硬度与铸铁基体相当、加工性能好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为机器人自动化电弧喷涂系统组成示意图；

图2为喷枪在主轴承孔最左端的喷涂角度示意图；

图3为发动机机体主轴承孔的喷涂焰流沉积斑点运动路径三维示意图；

图4为发动机机体主轴承孔的自动化喷涂路径规划二维示意图；

图5为电弧喷涂1Cr18Ni9Ti-Al和FeAl复合涂层显微硬度沿涂层厚度方向分布结果；

图6为电弧喷涂FeAl涂层的显微组织形貌。

具体实施方式

本发明通过如下措施来实现：

（1）镗毛螺纹。镗削毛螺纹使得主轴承孔的表面变得凹凸不平，有利于增加涂层与基体的结合强度，同时合适的螺纹尺寸可保证喷涂熔滴的充分扁平化并减小孔隙。因此本发明利用主轴承孔镗床对已清洗处理的废旧发动机机体主轴承孔表面加工出毛螺纹，螺纹的规格为：三角螺纹牙型角60°、螺距1.5～3.0mm。

（2）机体防护。利用遮蔽法在发动机机体主轴承孔附近区域的喷涂部位进行必要的保护。

（3）喷砂处理。使用16～22目的棕刚玉或白刚玉砂料进行喷砂预处理，具体工艺规范参照热喷涂涂层的喷砂预处理工艺规范。

（4）自动化电弧喷涂。利用机器人自动化电弧喷涂系统的示教编程或离线编程方法，按本发明设计的自动化喷涂路径设计出发动机机体主轴承孔的自动化喷涂执行程序，包括喷涂工艺参数：喷涂电压30～32V；喷涂电流120～160A；雾化气体压力0.5～0.7MPa。喷涂涂层厚度的单边加工余量为0.2～0.35mm。喷涂系统通过人机交互控制指令开始按程序自动进行电弧喷涂作业，当喷涂完第一个主轴承孔时，喷枪向上移动到下一个主轴承孔，直至喷涂完最后一个主轴承孔时，喷枪返回到起始位置。如此循环，直到涂层厚度达到要求时，喷涂结束。

（5）后加工。喷涂完后利用镗瓦机进行主轴承孔的镗削加工，每次进刀量为0.10～0.20mm。

（6）本发明利用抽检方法对再制造件进行尺寸精度、表面粗糙度、涂层表面硬度检测，分析产品是否符合再制造机体产品的使用指标要求，同时对装配有喷涂再制造机体的发动机在装机档案中标识，以便后续跟踪。

实施例：

选用石油钻机用12V-190型发动机机体作为本发明的应用实施例，该发动机机体的尺寸为高804mm×宽770×长1810mm，重量2吨，材质为HT250，主轴承孔直径本实施例自动化电弧喷涂12V-190型发动机机体主轴承孔再制造方法包括以下次序的步骤：

（1）镗毛螺纹。为提高涂层与基体结合强度，将主轴承孔镗出毛螺纹，尺寸设定为M180×1.75。

（2）喷涂前的防护准备。针对发动机机体与缸盖密封面的尺寸特点，用铁皮加工专门的防护夹具，对不喷涂部位进行遮蔽处理，并用木梢堵住主轴承孔表面的油孔，以免喷砂破坏和粘附喷涂粒子。

（3）喷砂。使用粒度为16目白刚玉砂料进行喷砂预处理，气压为0.6MPa。为避免氧化，喷砂是在电弧喷涂前4小时内进行。

（4）喷涂。喷涂所用材料：直径为2mm的FeAl粉芯丝材，其中Al占丝材的质量百分比为17%，喷涂工艺参数为：电压32V、电流为140A、喷涂距离200mm、雾化空气压力0.6MPa，在主轴承孔左右两端的喷涂角度为88°，其余位置喷涂角度为90°，喷涂路径相邻关键点水平方向偏移间距为20mm，喷枪移动速度100mm/s。喷涂设备系统包括CMD-AS-1620型电弧喷涂电源、推丝式送丝机、HAS-02型高速电弧喷涂枪、MOTOMANHP20型机器人以及中央控制器组成。通过机器人示教盒进行以上喷涂工艺参数及其喷枪的运动参数的控制程序设计，喷涂系统按下列步骤进行自动喷涂：

（a）喷枪指向机体第一个主轴承孔的左下沿位置，开始从左向右喷涂；

（b）当喷涂完第一个主轴承孔的右边缘时，喷枪停止并立即向上运动到下一个主轴承孔右下沿，开始第二个主轴承孔的喷涂，按照该步骤进行运动，共喷涂7个主轴承孔；

（c）当喷涂完最后一个主轴承孔时，喷枪复位；

（d）喷枪按照步骤(a)～(c)的顺序喷涂，直到涂层单边厚度达到0.85mm时，喷涂结束。

（5）后加工。喷涂完后利用镗瓦机进行主轴承孔的镗削加工，首先用定位套进行主轴承孔的定位，然后将镗杆穿入定位套中进行镗削加工，先逐一镗削中间五个主轴承孔，尔后镗削外侧的两个主轴承孔，每次的进刀量为0.10mm。

（6）检测及装车。抽检主轴承孔尺寸精度、表面粗糙度和涂层表面硬度，对装配使用的再制造发动机机体进行标识并入档记录。

为说明本实施例的应用效果，对比测试了前述论文“自动化电弧喷涂1Cr18Ni9Ti-Al复合涂层在废旧发动机缸体再制造中的应用”所用1Cr18Ni9Ti-Al材料体系制备的涂层与本实施例公布的工艺方法及FeAl粉芯丝材制备的涂层的显微硬度，结果如图5所示。经统计，1Cr18Ni9Ti-Al复合涂层和FeAl涂层的平均硬度值分别为HV_0.1305.3和HV_0.1307.1，二者相当，但是从图5可以看出，1Cr18Ni9Ti-Al复合涂层的硬度波动范围明显比FeAl涂层的高，FeAl涂层的最大与最小显微硬度测试值的差值约HV_0.140，而1Cr18Ni9Ti-Al复合涂层的最大与最小显微硬度测试值的差值高达HV_0.1248，由此说明FeAl涂层的显微组织和硬度分布比1Cr18Ni9Ti-Al涂层更均匀。

图6为本实施例制备的FeAl涂层的截面显微组织形貌照片，可见涂层呈典型的层状结构，层与层间由扁平粒子相互搭接堆积形成机械嵌合涂层，说明在喷涂过程中绝大部分雾化的熔融粒子撞击到基体上，铺展良好，并迅速沉积固化，从而形成了层状搭接咬合结构，涂层中层与层之间结合致密。

Claims (2)

1.一种自动化双丝电弧喷涂发动机机体再制造方法，其特征在于：工作台支撑并固定活塞式发动机机体不动，机械人末端手臂夹持喷枪进行运动作业，首先采用示教方式或离线编程方式对机器人运行路径进行规划设计，围绕每一个主轴承孔凹形圆周面平均划分出关键点，喷涂时机器人便可调用记存的路径和喷涂工艺参数对已预处理的发动机机体进行自动化喷涂作业，先将喷枪移到第一点，调节好喷枪姿态，在喷涂焰流和主轴承孔不遮挡的前提下尽量减小喷枪与主轴承孔的倾斜角度，喷枪移动速度范围为100～200mm/s，喷枪沿主轴承孔从第一点竖直平移到第二点，而后喷枪水平偏移至下一点，如此按规划路径喷涂，喷涂完一个主轴承孔之后进行下一个主轴承孔的循环喷涂，喷涂完所有主轴承孔后进行镗削加工，使之达到标准尺寸；

所设计路径竖直方向轨迹长度比主轴承孔宽度大20～40mm，所设计路径的展开成平面图上的水平方向相邻连接点间距为15～20mm，喷枪在主轴承孔端面的喷涂角度γ由以下公式确定：

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-({\sin }^{-1}\frac{D\sin \mathrm{\α}}{R}-\mathrm{\α}),$

其中R为主轴承孔直径，D为喷涂距离，α为喷枪和靠近喷枪一侧的轴承孔端面的连线与喷枪焰流中心线的夹角；喷涂焰流和主轴承孔不发生遮挡的前提是夹角α不小于喷涂焰流张角的1/2，喷涂焰流张角与喷枪型号相关，选择范围为20°～40°；对于每一种型号的发动机机体，主轴承孔直径R是固定的，由此设计喷涂距离选择范围为R≤D≤R+100mm。

2.按权利要求1所述自动化双丝电弧喷涂发动机机体再制造方法，其特征在于：该方法包括以下次序的步骤：

(1)利用镗床在已清洗处理的废旧发动机机体主轴承孔表面加工出毛螺纹，螺纹的规格为：三角螺纹牙型角60°、螺距1.5～3.0mm；

(2)利用遮蔽法在发动机机体主轴承孔附近区域的非喷涂部位进行保护，并使用16～22目的棕刚玉或白刚玉砂料进行喷砂预处理；

(3)利用机器人自动化电弧喷涂系统对发动机机体主轴承孔按预先设计的控制程序进行喷涂作业，使用的喷涂工艺参数为：喷涂电压30～32V、喷涂电流120～160A、雾化气体压力0.5～0.7MPa，使用的喷涂材料为Al质量百分含量为14～20％的FeAl粉芯丝材，喷涂涂层厚度的单边加工余量为0.2～0.35mm；

(4)喷涂完后利用镗瓦机进行主轴承孔的镗削加工。