CN105755215B - 一种发动机曲轴的制造方法及其激光冲击强化装置 - Google Patents

一种发动机曲轴的制造方法及其激光冲击强化装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种发动机曲轴的制造方法及其激光冲击强化方法，制造方法包括曲轴的热处理和激光冲击强化两个步骤工艺。热处理采用等温淬火的方法：步骤①在翻转台车式淬火炉中加热至850±20℃，保温90min；步骤②浸入硝盐槽内等温保持，等温温度为350℃，等温时间60min。等温淬火处理后进行曲轴表面激光冲击强化。激光冲击强化装置由高功率脉冲激光器、激光分束器、可移动激光反射装置、可移动激光聚焦镜头、曲轴转动驱动装置、喷水头、导轨滑动机构和CNC数控装置构成；本发明采用两种工艺叠加使曲轴的基体强度，表面硬度和耐磨性能得到有效的提升。同时本发明的强化装置使用两束激光同时对曲轴的圆角进行强化，生产效率高。

Description

一种发动机曲轴的制造方法及其激光冲击强化装置
技术领域
本发明属于金属材料热处理及激光冲击强化技术领域，特别涉及一种发动机曲轴的制造方法及其激光冲击强化理论。
背景技术
目前，现有的发动机行业普遍采取圆角滚压与喷丸强化对曲轴进行强化处理，提高曲轴的疲劳强度和安全使用寿命。但是圆角滚压由于受到曲轴加工工艺的限制，各轴颈圆角很难与滚轮吻合，往往造成圆角的啃切现象，而且滚压后曲轴变形较大，效果不佳。喷丸强化可以有效避免上述情况发生，但是喷丸过程对曲轴的表面粗糙度影响较大，而且喷丸形成的残余压应力一般只有0.1-0.8mm。
现有的发动机行业企业对曲轴的热处理工艺一般采用等温淬火或者表面高频淬火。将球铁等温淬火可获得贝氏体+铁素体组织，调整化学成分和热处理工艺参数可同时获得20一50%的高碳残余奥氏体，这就是奥贝球铁。它具有较高的强度、塑性、韧性、疲劳性能，但其表面硬度只有35--45HRC，从而对曲轴的耐磨性即使用寿命产生影响。高频淬火工艺是：高频淬火机床上安装感应圈和工装后安装工件，采用60KHZ的频率、60KW的功率、在感应器中输入高频交流电，产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，利用感应电流的集肤效应对工件进行加热，这种电流在工件上的分布是不均匀的，在表面很强，而在内部很弱，到心部接近于0，在电流2一5安培、电压10一15KV条件下，加热时间5一10秒，使工件表面温度迅速升温至900一1000℃而后进行水冷却，冷却时间4一6秒，拆下工件打硬度。这样处理后的曲轴其表面硬度达46一55HRC，硬化层深1mm以上。此曲轴虽然表面硬度高，不易磨损，但因未进行整体热处理，其基体机械强度较差(只是球墨铸铁原来的强度)。
激光表面强化技术是以提高金属材料表面硬度、耐磨性、抗蚀性和抗高温氧化性为目的的技术。由于高能量激光与材料相互作用，伴随有传热、辐射、固化、分子取相及可能的结晶等物理变化，可以为材料表面强化提供一种新的技术手段。激光表面强化已经成为现代先进的加工和制造技术，并且激光表面强化效果比高频淬火得到的硬化层更深。曲轴是一种结构复杂的零件，一般的激光强化装置都采用偏心结构装夹，对于小型曲轴是用丝杠和螺母结构来调整偏心距，但由于曲轴偏心距尺寸精度要求较高，为了满足这一要求，对于大型曲轴大多采用了固定偏心盘根，偏心盘根一端安装于机床主轴上，另一端通过矩形轨道与夹具体或夹具底座相连，转动丝杠通过螺母带动夹具体或夹具底座相对于偏心盘根移动，调整不同曲轴所要求的偏心距。不仅费工费时，还难以保证激光强化的效果。由于曲轴品种多，偏心距不一，使每套夹具都需要一件偏心盘根，造成夹具制造成本高。
发明内容
曲轴的常见损伤一般有疲劳裂纹、轴颈磨损、弯曲变形和扭转变形等。由于在连杆轴颈与曲柄过渡的圆角处表面所受的交变应力最大，疲劳裂纹一般最容易在此部位产生，并向曲柄深处发展，从而造成曲轴断裂。本发明专利针对上述技术问题的不足提出了一种新型的曲轴制造方法及对曲轴进行激光冲击强化的装置。
为实现上述目的，本发明采取的具体技术方案为：一种发动机曲轴的制造方法，包括如下步骤：
步骤一：对曲轴的球墨铸铁毛坯件进行粗加工形成曲轴初成品；
步骤二：对曲轴初成品进行等温淬火处理；
步骤三：对等温淬火处理后的曲轴初成品进行激光冲击表面强化处理；
步骤四：对激光冲击表面强化处理后的曲轴初成品进行精加工，最终形成曲轴成品。
进一步地，所述步骤二的具体过程为：将曲轴初成品放入翻转台车式淬火炉中加热至850±20℃，保温90min后出炉；然后浸入硝盐槽内等温保持60min，等温温度为350℃。
进一步地，所述步骤三的具体过程为：对曲轴初成品的轴颈及圆角处进行激光冲击表面强化处理，使其在激光的作用下产生微塑性变形，在曲轴初成品表面产生1-2mm的残余应力强化层。
进一步地，激光冲击表面强化时的激光工艺参数为：激光脉冲宽度23ns，激光波长1.06um，聚焦光斑直径6mm，功率密度为10.6 GW/cm2，激光的扫描速度V=10mm/s。
进一步地，激光冲击表面强化时在曲轴初成品的表面涂有硅酸乙酯黑漆，并采用流动的水帘作为激光约束层。
此外，本发明还提供了一种对曲轴初成品进行激光冲击表面强化处理的装置，包括高功率脉冲激光器、激光分束器、可移动激光反射装置、可移动激光聚焦镜头、曲轴转动驱动装置、喷水头、导轨滑动机构和CNC数控装置，所述高功率脉冲激光器、所述激光分束器、所述可移动激光反射装置和所述可移动激光聚焦镜头依次光连接在一起，所述曲轴转动驱动装置和所述喷水头位于所述导轨滑动机构上，所述高功率脉冲激光器、所述激光分束器、所述可移动激光反射装置、所述可移动激光聚焦镜头、所述曲轴转动驱动装置、所述喷水头和所述导轨滑动机构均与所述CNC数控装置连接。
本发明的有益效果：本发明先对曲轴进行等温淬火提高曲轴的冲击韧性，然后再对曲轴表面进行激光强化处理提高其硬度，强度以及耐磨性能，大大增加了曲轴的使用寿命。
附图说明
为了更清晰的表述本发明的具体实施方式，下面对本发明中的附图做简要的介绍。
图1为本发明曲轴制造流程图。
图2为本发明曲轴激光强化装置示意图。
图中：1.高功率脉冲激光器；2.激光分束器；3.可移动激光反射装置；4.曲轴转动驱动装置；5.可移动激光聚焦镜头；6.喷水头；7.导轨滑动机构；8.CNC数控装置。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行更详细的说明。
如图1所示，发动机曲轴加工工艺流程为：球墨铸铁毛坯件→粗加工→等温淬火处理→激光冲击表面强化→精加工→曲轴成品。具体为：步骤一：对曲轴的球墨铸铁毛坯件进行粗加工形成曲轴初成品；步骤二：对曲轴初成品进行等温淬火处理；步骤三：对等温淬火处理后的曲轴初成品进行激光冲击表面强化处理；步骤四：对激光冲击表面强化处理后的曲轴初成品进行精加工，最终形成曲轴成品。
优选的，曲轴粗加工后放入翻转台车式淬火炉中加热至850±20℃，保温90min后出炉；然后浸入硝盐槽内等温保持60min，等温温度为350℃；获得更多的上贝氏体，降低曲轴的基体硬度，提高韧性。曲轴的基体组织为上贝氏体、残余奥氏体和微量的下贝氏体。其抗拉强度达到以上。
优选的，等温淬火之后进行激光冲击表面强化处理，本实施例中的对曲轴初成品进行激光冲击表面强化处理的装置如图2所示，包括高功率脉冲激光器1、激光分束器2、可移动激光反射装置3、可移动激光聚焦镜头5、曲轴转动驱动装置4、喷水头6、导轨滑动机构7和CNC数控装置8，所述高功率脉冲激光器1、所述激光分束器2、所述可移动激光反射装置3和所述可移动激光聚焦镜头5依次光连接在一起，所述曲轴转动驱动装置4和所述喷水头6位于所述导轨滑动机构7上，所述所述高功率脉冲激光器1、所述激光分束器2、所述可移动激光反射装置3、所述可移动激光聚焦镜头5、所述曲轴转动驱动装置4、所述喷水头6和所述导轨滑动机构7均与所述CNC数控装置8连接。采用这样的激光冲击表面强化处理装置的好处在于，曲轴装夹不需要采用复杂的偏心机构，只要使曲轴绕曲轴转动驱动装置4的轴心匀速转动就可以实现曲轴的激光强化，稳定性提升，曲轴的强化表面比较均匀。通过激光分束器2把高功率脉冲激光分成两束激光同时对曲轴进行强化处理，强化效率大大提高。采用数控装置同时控制曲轴转动驱动装置4、喷水头6、导轨滑动机构7，精确定位强化位置，相比手动调节导轨更加精准可靠。
为了提高激光的吸收率，改善激光冲击的效果，一般的激光强化都需要在材料表面层覆有涂层，现有的涂层一般为铝箔或者水，虽然都取得了不错的效果，但是本专利采用的硅酸乙酯黑漆效果更佳，可以使激光的吸收率达到98%以上。进行激光冲击表面强化处理时，先将曲轴表面均匀涂上硅酸乙酯黑漆，涂层厚度2mm，然后将曲轴初成品装夹到曲轴转动驱动装置4上，设定激光器的工艺参数：激光脉冲宽度23ns，激光波长1.06um，聚焦光斑直径6mm，功率密度为10.6GW/cm2，并用流动的水帘作为激光冲击的约束层。设置好数控程序，使可移动激光反射装置3，曲轴转动驱动装置4，可移动激光聚焦镜头5，喷水头6，导轨滑动机构7联动操作利用激光对曲轴进行扫描，扫描速度V=10mm/s，曲轴表面在激光的强烈冲击作用下发生塑性变形，从而形成相变强化层，提高了曲轴的强度和硬度。其表层组织为马氏体+残留奥氏体+球状石墨。其中马氏体是主要成分，球状石墨在激光冲击过程中逐渐缩小甚至溶解，从而提高了曲轴表面的强度。这种曲轴的复合激光强化方法不仅提高了曲轴基体的韧性还提高了表面的强度、硬度及耐磨性能，大大增加了曲轴的使用寿命。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (5)

1.一种发动机曲轴的制造方法，包括如下步骤：
步骤一：对曲轴的球墨铸铁毛坯件进行粗加工形成曲轴初成品；
步骤二：对曲轴初成品进行等温淬火处理；
步骤三：对等温淬火处理后的曲轴初成品进行激光冲击表面强化处理；所述激光冲击表面强化处理采用的装置为：包括高功率脉冲激光器（1）、激光分束器（2）、可移动激光反射装置（3）、可移动激光聚焦镜头（5）、曲轴转动驱动装置（4）、喷水头（6）、导轨滑动机构（7）和CNC数控装置（8），所述高功率脉冲激光器（1）、所述激光分束器（2）、所述可移动激光反射装置（3）和所述可移动激光聚焦镜头（5）依次光连接在一起，所述曲轴转动驱动装置（4）和所述喷水头（6）位于所述导轨滑动机构（7）上，所述高功率脉冲激光器（1）、所述激光分束器（2）、所述可移动激光反射装置（3）、所述可移动激光聚焦镜头（5）、所述曲轴转动驱动装置（4）、所述喷水头（6）和所述导轨滑动机构（7）均与所述CNC数控装置（8）连接；激光冲击曲轴表面强化时在曲轴初成品的表面涂有硅酸乙酯黑漆，并采用流动的水帘作为激光约束层；
步骤四：对激光冲击表面强化处理后的曲轴初成品进行精加工，最终形成曲轴成品。
2.根据权利要求1所述的一种发动机曲轴的制造方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：将曲轴初成品放入翻转台车式淬火炉中加热至850±20℃，保温90min后出炉；然后浸入硝盐槽内等温保持60min，等温温度为350℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种发动机曲轴的制造方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：对曲轴初成品的轴颈及圆角处进行激光冲击表面强化处理，使其在激光的作用下产生微塑性变形，在曲轴初成品表面产生1-2mm的残余应力强化层。
4.根据权利要求3所述的一种发动机曲轴的制造方法，其特征在于，激光冲击曲轴表面强化时的激光工艺参数为：激光脉冲宽度23ns，激光波长1.06um，聚焦光斑直径6mm，功率密度为10.6 GW/cm2，激光的扫描速度V=10mm/s。
5.一种实现权利要求1所述的一种发动机曲轴的制造方法的激光冲击表面强化处理装置，其特征在于，包括高功率脉冲激光器（1）、激光分束器（2）、可移动激光反射装置（3）、可移动激光聚焦镜头（5）、曲轴转动驱动装置（4）、喷水头（6）、导轨滑动机构（7）和CNC数控装置（8），所述高功率脉冲激光器（1）、所述激光分束器（2）、所述可移动激光反射装置（3）和所述可移动激光聚焦镜头（5）依次光连接在一起，所述曲轴转动驱动装置（4）和所述喷水头（6）位于所述导轨滑动机构（7）上，所述高功率脉冲激光器（1）、所述激光分束器（2）、所述可移动激光反射装置（3）、所述可移动激光聚焦镜头（5）、所述曲轴转动驱动装置（4）、所述喷水头（6）和所述导轨滑动机构（7）均与所述CNC数控装置（8）连接。
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