CN104148808A - 提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光冲击处理技术领域，具体地说是一种提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理方法及装置。在本发明的方法中，利用激光器产生的高峰值短脉冲激光束通过流动水约束层聚焦到铝合金发动机活塞裙部待处理表面时，瞬间形成的高压等离子体撞击活塞裙部表面，即进行冲击处理，使活塞裙部表面产生压缩塑性变形，形成微小凹坑。当具有大面积微小凹坑的活塞在发动机缸内往复运动时，微小凹坑内将填满润滑液减少摩擦作用，能大幅度地改善铝合金发动机活塞的耐磨性能。本发明还提出了相应的用于实现激光冲击处理的装置，该装置包括激光头，水管，夹具，变位机和控制系统设备。
Description
技术领域
本发明涉及激光冲击处理技术领域，具体地说是一种提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理方法及装置。
背景技术
在发动机能量损耗中，消耗在摩擦上的约占48%，所以发动机各部件的减摩抗磨设计是降低能耗、减小故障率重要途径。发动机消耗在摩擦上的能量中，活塞裙部与缸套之间占25%左右。研究者们提出了很多种改善方法，如表面镀锡，镀铅，喷涂石墨，喷涂聚四氟乙烯涂层等，多是利用表面处理的方法改善活塞的减摩抗磨特性，但是效果仍然不是很理想。
在铝合金发动机活塞表面上加工出具有一定尺寸和分布均匀的凹坑或沟槽阵列，已被证明是改善活塞表面摩擦学的一个有效手段。目前均是利用表面处理技术来形成微小凹坑，包括化学方法和机械方法。但这些方法都存在一些不足，化学方法的工作环境差，且对环境有污染，机械方法所形成的凹坑尺寸需要进一步优化，且处理完毕后，常需进一步精加工以达到表面所需要求，工艺周期长，影响生产效率。
发明内容
发明目的：本发明提供一种提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理方法及装置，其目的是解决以往的设备所存在的工作环境差、对环境有污染、加工成果达不到要求、工艺周期长和生产效率低的问题。
本发明的技术方案是：
一种提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理方法，其特征在于：该方法应用激光冲击处理技术，在铝合金发动机活塞裙部表面形成密集分布的微小凹坑；当活塞做往复运动时，在凹坑内填满润滑液，即可减小摩擦作用，显著提高活塞的耐磨性。
该方法包括以下步骤：
（1）预处理铝合金发动机活塞表面，仔细清除表面油污和氧化层，在待处理部位涂敷基士博的金属黑漆BP04作为吸收层；
（2）涂敷黑漆干燥后，将其放在由数控系统控制的变位机上夹紧固定，由水管龙头在活塞裙部进行流动水覆盖；
（3）激光冲击处理，由数控系统编程实现激光头进行水平运动，铝合金发动机活塞在变位机上进行随动旋转运动,在活塞裙部表面形成分布均匀的凹坑阵列；
（4）将被处理的铝合金发动机活塞裙部表面的残余黑漆吸收层和水清理干净。
（1）预处理铝合金发动机活塞表面，将其表面的油污和杂质用丙酮溶液清洗干净。
（2）在待处理部位涂敷黑漆吸收层，等待黑漆变干燥。
（3）将活塞固定到变位机上的夹具上，且使活塞的轴心与变位机的轴心同轴，变位机位于激光头的正下方；
（4）水管龙头出水，对活塞裙部待处理部位进行流动水覆盖。
（5）选用合理的工艺参数对活塞裙部待处理部位进行激光处理；
（6）由控制系统信号输出，激光设备发光，同时水平移动到一端终点后，变位机旋转到凹坑阵列预定的位置；
（7）激光头和变位机由控制系统控制重复上述（6）运动过程，直至激光处理完所有活塞裙部待处理区域。
（8）激光停止发射，变位机停止转动，同时将活塞取下；
（9）将取下的铝合金发动机活塞用丙酮溶液清洗干净。
激光冲击处理步骤中的合理激光工艺参数为：脉冲激光能量0.1～10.0J、光斑直径0.2～2.0mm、脉冲时间0～10ns。
通过调节激光能量、光斑直径、脉冲时间,协调激光头水平运动速度1～20 mm/s、变位机旋转运动速度0.1～5.0 rad/s，变位机转动范围是0.015～0.025 rad，微小凹坑的大小和间距可实现调节，确保激光冲击处理铝合金发动机活塞表面时获得所需的微小凹坑阵列成型效果。
实施上述的提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理方法所专用的提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理的装置，其特征在于：该装置包括激光头、水管、夹具、变位机和控制系统；水管的龙头设置在使预处理的铝合金发动机活塞表面流动水覆盖的位置，激光头设置在预处理的铝合金发动机活塞上方与其对应，变位机设置在预处理的铝合金发动机活塞侧方，变位机上设置用于夹住预处理的铝合金发动机活塞的夹具，激光头和变位机与控制系统连接。
与激光头连接的激光设备是纳秒激光器。
本发明的有益效果是：
1.本发明提出的激光处理方法可在铝合金发动机活塞裙部表面形成密集分布的微小凹坑阵列，处理后表面不需要进一步精加工，简化了加工过程，提高生产效率。
2.在发动机工作时，活塞裙部表面微小凹坑内填满润滑液，有效减少活塞与缸体的摩擦系数，从而减小二者之间的摩擦作用。
3.降低发动机活塞与缸体之间摩擦消耗的能量，提高发动机效率，节约能源。
4.在本发明的装置中，激光头进行水平运动，变位机带动活塞进行旋转移动，并且其移动轨迹集成到数控系统中，各设备、装置操作简单易行，可实现自动化生产过程。
附图说明
图1为本发明激光处理的流程图。
图2为本发明激光处理的装置示意图。其中：1为激光头，2为水管，3为流动水，4为涂敷黑漆，5为铝合金发动机活塞，6为夹具，7为变位机，8为控制系统设备。
图3为本发明实施例的凹坑效果图。
具体实施方式
如图1所示，在本发明的方法中，首先仔细清除活塞表面油污和氧化层，在待处理区域涂敷黑漆作为吸收层；黑漆干燥后，将其放在变位机上夹紧固定，利用水管龙头在活塞裙部待处理区域进行流动水覆盖；选用激光工艺参数在纳秒级的超短时间内产生一个GW级以上的脉冲激光束；激光器的发光由数控系统控制，同时数控系统控制激光头实现水平运动，变位机实现旋转运动，在活塞裙部表面形成微小凹坑阵列；微小凹坑的尺寸和间距都可根据调节激光工艺参数和变位机运动速度来调节，集成到数控系统中来实现；获得理想的成型效果。
如图2所示，在本发明中的激光处理主要加工装置，该装置包括激光头1、水管2、夹具6、变位机7和控制系统8；水管2的龙头设置在使预处理的铝合金发动机活塞表面流动水覆盖的位置，激光头1设置在预处理的铝合金发动机活塞上方与其对应，变位机7设置在预处理的铝合金发动机活塞侧方，变位机7上设置用于夹住预处理的铝合金发动机活塞的夹具6，激光头1和变位机7与控制系统8连接。铝合金发动机活塞5由夹具6夹紧固定，并与变位机7随动，激光头1和变位机7运动由控制系统设备8控制。
步骤如下：
（1）预处理铝合金发动机活塞表面，仔细清除表面油污和氧化层，在待处理部位涂敷基士博的金属黑漆BP04作为吸收层；
（2）涂敷黑漆干燥后，将其放在由数控系统控制的变位机上夹紧固定，由水管龙头在活塞裙部进行流动水覆盖；
（3）激光冲击处理，由数控系统编程实现激光头进行水平运动，铝合金发动机活塞在变位机上进行随动旋转运动,在活塞裙部表面形成分布均匀的凹坑阵列；
（4）将被处理的铝合金发动机活塞裙部表面的残余黑漆吸收层和水清理干净。
具体为：
（1）预处理铝合金发动机活塞表面，将其表面的油污和杂质用丙酮溶液清洗干净。
（2）在待处理部位涂敷黑漆吸收层，等待黑漆变干燥。
（3）将活塞固定到变位机上的夹具上，且使活塞的轴心与变位机的轴心同轴，变位机位于激光头的正下方。
（4)水管龙头出水，对活塞裙部待处理部位进行流动水覆盖。
（5）选用合理的工艺参数对活塞裙部待处理部位进行激光处理。
（6）由控制系统信号输出，激光设备发光，同时水平移动到一端终点后停光，变位机旋转一定角度。
（7）激光头和变位机由控制系统控制重复上述（6）运动过程，直至激光处理完所有活塞裙部待处理区域。
（8）激光停止发射，变位机停止转动，同时将活塞取下。
（9）将取下的铝合金发动机活塞用丙酮溶液清洗干净。
激光冲击处理步骤中的合理激光工艺参数为：脉冲激光能量0.1～10.0J、光斑直径0.2～2.0mm、脉冲时间0～10ns。
通过调节激光能量、光斑直径、脉冲时间,协调激光头水平运动速度1～20 mm/s、变位机旋转运动速度0.1～5.0 rad/s，微小凹坑的大小和间距可实现调节，确保激光冲击处理铝合金发动机活塞表面时获得所需的微小凹坑阵列成型效果。
实施例1：
特殊激光表面冲击处理铝合金发动机活塞裙部表面，活塞材质为Al-Si系列中的ZLl09G，处理区域直径为80mm，将铝合金活塞表面油污和氧化层清理干净，在活塞裙部待处理区域涂敷黑漆，黑漆晾干后，使用变位机上的夹具上夹紧固定，利用水管龙头在活塞裙部待处理区域进行水流覆盖；选用脉冲激光 能量0.1J，光斑直径0.5mm，脉冲时间宽度8ns，重复频率10Hz对铝合金活塞裙部进特殊激光表面冲击处理，由数控系统合理调节激光头水平移动速度，水平移动速度范围是6～10 mm/s，变位机转动范围是0.015～0.025 rad，变位机旋转运动速度0.1rad/s。激光处理完所有活塞裙部待处理区域，激光停止发射，变位机停止转动，同时将活塞取下，并将取下的铝合金发动机活塞用丙酮溶液清洗，获得理想的冲击成型效果。
实施例2：
特殊激光表面冲击处理铝合金发动机活塞裙部表面，活塞材质为Al-Si系列中的ZLl09G，处理区域直径为80mm，将铝合金活塞表面油污和氧化层清理干净，在活塞裙部待处理区域涂敷黑漆，黑漆晾干后，使用变位机上的夹具上夹紧固定，利用水管龙头在活塞裙部待处理区域进行水流覆盖；选用脉冲激光 能量5J，光斑直径2mm，脉冲时间宽度0.1ns，重复频率10Hz对铝合金活塞裙部进特殊激光表面冲击处理，由数控系统合理调节激光头水平移动速度，水平移动速度范围是1 mm/s，变位机转动范围是0.015rad，变位机旋转运动速度5.0 rad/s。激光处理完所有活塞裙部待处理区域，激光停止发射，变位机停止转动，同时将活塞取下，并将取下的铝合金发动机活塞用丙酮溶液清洗，获得理想的冲击成型效果。
实施例3：
特殊激光表面冲击处理铝合金发动机活塞裙部表面，活塞材质为Al-Si系列中的ZLl09G，处理区域直径为80mm，将铝合金活塞表面油污和氧化层清理干净，在活塞裙部待处理区域涂敷黑漆，黑漆晾干后，使用变位机上的夹具上夹紧固定，利用水管龙头在活塞裙部待处理区域进行水流覆盖；选用脉冲激光 能量10J，光斑直径1mm，脉冲时间宽度10ns，重复频率10Hz对铝合金活塞裙部进特殊激光表面冲击处理，由数控系统合理调节激光头水平移动速度，水平移动速度范围是15 mm/s，变位机转动范围是0.025rad，变位机旋转运动速度3.0 rad/s。激光处理完所有活塞裙部待处理区域，激光停止发射，变位机停止转动，同时将活塞取下，并将取下的铝合金发动机活塞用丙酮溶液清洗，获得理想的冲击成型效果。
实施例4：
特殊激光表面冲击处理铝合金发动机活塞裙部表面，活塞材质为Al-Si系列中的ZLl09G，处理区域直径为80mm，将铝合金活塞表面油污和氧化层清理干净，在活塞裙部待处理区域涂敷黑漆，黑漆晾干后，使用变位机上的夹具上夹紧固定，利用水管龙头在活塞裙部待处理区域进行水流覆盖；选用脉冲激光 能量6J，光斑直径0.2mm，脉冲时间宽度5ns，重复频率10Hz对铝合金活塞裙部进特殊激光表面冲击处理，由数控系统合理调节激光头水平移动速度，水平移动速度范围是20mm/s，变位机转动范围是0.018rad，变位机旋转运动速度4.0 rad/s。激光处理完所有活塞裙部待处理区域，激光停止发射，变位机停止转动，同时将活塞取下，并将取下的铝合金发动机活塞用丙酮溶液清洗，获得理想的冲击成型效果。
实施例5：
特殊激光表面冲击处理铝合金发动机活塞裙部表面，活塞材质为Al-Si系列中的ZLl09G，处理区域直径为80mm，将铝合金活塞表面油污和氧化层清理干净，在活塞裙部待处理区域涂敷黑漆，黑漆晾干后，使用变位机上的夹具上夹紧固定，利用水管龙头在活塞裙部待处理区域进行水流覆盖；选用脉冲激光 能量3J，光斑直径1.5mm，脉冲时间宽3ns，重复频率10Hz对铝合金活塞裙部进特殊激光表面冲击处理，由数控系统合理调节激光头水平移动速度，水平移动速度范围是12mm/s，变位机转动范围是0.015rad，变位机旋转运动速度0.5 rad/s。激光处理完所有活塞裙部待处理区域，激光停止发射，变位机停止转动，同时将活塞取下，并将取下的铝合金发动机活塞用丙酮溶液清洗，获得理想的冲击成型效果。
Claims (7)
1.一种提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理方法，其特征在于：该方法应用激光冲击处理技术，在铝合金发动机活塞裙部表面形成密集分布的微小凹坑；当活塞做往复运动时，在凹坑内填满润滑液，即可减小摩擦作用，显著提高活塞的耐磨性。
2.根据权利要求1所述的提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）预处理铝合金发动机活塞表面，仔细清除表面油污和氧化层，在待处理部位涂敷基士博的金属黑漆BP04作为吸收层；
（2）涂敷黑漆干燥后，将其放在由数控系统控制的变位机上夹紧固定，由水管龙头在活塞裙部进行流动水覆盖；
（3）激光冲击处理，由数控系统编程实现激光头进行水平运动，铝合金发动机活塞在变位机上进行随动旋转运动,在活塞裙部表面形成分布均匀的凹坑阵列；
（4）将被处理的铝合金发动机活塞裙部表面的残余黑漆吸收层和水清理干净。
3.根据权利要求2所述的提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理方法，其特征在于：
（1）预处理铝合金发动机活塞表面，将其表面的油污和杂质用丙酮溶液清洗干净；
（2）在待处理部位涂敷黑漆吸收层，等待黑漆变干燥；
（3）将活塞固定到变位机上的夹具上，且使活塞的轴心与变位机的轴心同轴，变位机位于激光头的正下方；
（4）水管龙头出水，对活塞裙部待处理部位进行流动水覆盖；
（5）选用合理的工艺参数对活塞裙部待处理部位进行激光处理；
（6）由控制系统信号输出，激光设备发光，同时水平移动到一端终点后，变位机旋转到凹坑阵列预定的位置；
（7）激光头和变位机由控制系统控制重复上述（6）运动过程，直至激光处理完所有活塞裙部待处理区域；
（8）激光停止发射，变位机停止转动，同时将活塞取下；
（9）将取下的铝合金发动机活塞用丙酮溶液清洗干净。
4.根据权利要求3所述的提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理方法，其特征在于：激光冲击处理步骤中的合理激光工艺参数为：脉冲激光能量0.1～10.0J、光斑直径0.2～2.0mm、脉冲时间0～10ns。
5.根据权利要求4所述的提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理方法，其特征在于：通过调节激光能量、光斑直径、脉冲时间,协调激光头水平运动速度1～20 mm/s、变位机旋转运动速度0.1～5.0 rad/s，变位机转动范围是0.015～0.025 rad，微小凹坑的大小和间距可实现调节，确保激光冲击处理铝合金发动机活塞表面时获得所需的微小凹坑阵列成型效果。
6.实施权利要求1所述的提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理方法所专用的提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理的装置，其特征在于：该装置包括激光头（1）、水管（2）、夹具（6）、变位机（7）和控制系统（8）；水管（2）的龙头设置在使预处理的铝合金发动机活塞表面流动水覆盖的位置，激光头（1）设置在预处理的铝合金发动机活塞上方与其对应，变位机（7）设置在预处理的铝合金发动机活塞侧方，变位机（7）上设置用于夹住预处理的铝合金发动机活塞的夹具（6），激光头（1）和变位机（7）与控制系统（8）连接。
7.根据权利要求6所述的提高铝合金发动机活塞耐磨性的激光处理的装置，其特征在于：与激光头（1）连接的激光设备是纳秒激光器。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Effective date of registration: 20181029 Address after: 110000 1 offshore street, Shenyang offshore economic zone, Liaoning Patentee after: Liaoning Zeng Cai Manufacturing Industry Technology Research Institute Co., Ltd. Address before: 110870 No. 111 Shenyang West Road, Shenyang economic and Technological Development Zone, Liaoning Patentee before: Shenyang University of Technology |
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| TR01 | Transfer of patent right |