CN106989096A - 激光硬化的曲轴 - Google Patents

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Abstract

公开了一种激光硬化的曲轴。一种曲轴激光硬化方法包括：在对待硬化曲轴的一个或更多个表面进行硬化之前，磨削待硬化曲轴的所述一个或更多个表面，以产生待硬化已磨削的曲轴，并在所述曲轴上限定轴颈几何形状，从而避免与已硬化曲轴的磨削相关联的压应力损失。该方法还包括：对待硬化已磨削的曲轴的表面进行激光硬化以诱发压应力。

Description

激光硬化的曲轴
技术领域
本公开涉及曲轴和凸轮轴的制造，包括对待硬化已磨削的曲轴或凸轮轴的轴颈、凸轮(lobe)和油封的表面进行激光硬化。
背景技术
曲轴和凸轮轴的制造包括许多步骤。归因于这些轴的特性以及在其制造期间所需的多个工艺，对于大批量制造需要多达25个操作的较长工作流，这从而限制了生产率。此外，曲轴或凸轮轴的制造工艺通常包括热处理，随后是磨削与精加工。这种顺序可能导致许多不期望的事件，例如，在磨削操作期间的压应力损失、轴颈上的颈缩或被硬化的表面区域的百分比不足。
发明内容
公开了一种曲轴硬化方法。该方法可包括：在对待硬化曲轴的表面进行硬化之前，磨削待硬化曲轴的表面，以产生待硬化已磨削曲轴并且在所述曲轴上限定轴颈几何形状，从而避免与已硬化曲轴的磨削相关联的压应力损失。该方法还可包括：对待硬化已磨削曲轴的表面进行激光硬化以诱发压应力。所述表面包括主轴颈、销轴颈、油封上的表面或工作表面。所述表面的硬化深度为0.15mm或更大。所述表面可包括轴颈的至少85％的表面区域。所述方法可包括对邻近油孔的区域进行硬化，而油孔表面区域无金相变化。该区域可免于发生颈缩。
在另一实施例中，公开了一种硬化轴的方法。该方法可包括：为了避免与硬化之后的磨削相关联的压应力损失，在对待硬化轴的表面进行硬化之前，磨削待硬化轴的表面，以产生待硬化已磨削轴；由待硬化已磨削轴的3D模型生成表面硬化图案；根据表面硬化图案对所述表面进行激光硬化，以获得已硬化已磨削的轴并诱发压应力。所述轴可以是曲轴或凸轮轴。表面硬化图案可覆盖一个或更多个轴颈、凸轮、油封上的表面或工作表面。所述一个或更多个轴颈可包括主轴颈或销轴颈。所述表面的硬化深度可从0.15mm到0.2mm。表面硬化图案可覆盖轴颈的至少85％的表面区域。表面硬化图案可覆盖紧邻油孔和/或底切的区域。该区域可免于发生颈缩。
在又一实施例中，公开了一种软轴硬化的方法。该方法可包括：为了防止诱发与已硬化轴的磨削相关联的拉伸应力，对软凸轮轴或软曲轴的表面进行磨削以产生已磨削软轴；对已磨削软轴的表面进行激光硬化，以产生无颈缩的激光硬化表面并诱发压应力。所述表面可包括主轴颈、销轴颈、油封、凸轮上的至少一个表面或者一个或更多个工作表面。所述一个或更多个工作表面可包括轴套表面或带肩壁表面。所述表面的硬化深度可以是0.15mm或更大。所述表面可包括主轴颈的至少85％的表面区域。所述表面可包括紧邻主轴颈或销轴颈上的底切的区域，其中，底切无金相变化。
附图说明
图1示出了包括根据一个或更多个实施例的曲轴和凸轮轴的示例性的车辆内燃发动机的示意图。
图2示出了示例性的待激光硬化的待硬化已磨削的曲轴的前视立体图。
图3示出了示例性的待激光硬化的待硬化已磨削的凸轮轴的前视立体图。
图4示出了图2所示的曲轴的一部分的立体图。
图5示出了具有感应硬化表面的现有技术的曲轴的一部分的立体图。
具体实施方式
在此描述了本公开的实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅为示例，其它实施例可采用各种可替代的形式。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各种特征可以与在一个或更多个其它附图中示出的特征结合，以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定应用或实施方式。
除非明确地指出，否则在本说明书中指示尺寸或者材料特性的所有数值量均应理解为被词语“大约”修饰以描述本公开的最宽范围。
首字母缩略词或其它缩写词的首次定义适用于本文中相同缩写词的所有后续使用，并准用于最初定义的缩写词的正常的语法变体。除非明确地做出相反的说明，否则对特性的测量由前文或后文中针对相同的特性所参照的相同的技术来确定。
曲轴和凸轮轴是汽车发动机中的基本特征。图1示出了作为内燃发动机14的内部部分的示例性的曲轴10和凸轮轴12的示意图。曲轴10是能够在往复运动和旋转运动之间执行转换的机械部件。在车辆的内燃发动机14中，曲轴10将活塞16的往复运动转换为使车轮能够驱动车辆前进的旋转运动。曲轴10可以是汽缸体内或汽缸盖中的任何曲轴10。曲轴10与飞轮18连接，通过使用多个主轴颈20上的轴承与发动机缸体(未示出)连接，并通过其各自的连杆22与活塞16连接，从而使发动机14的所有活塞16均与曲轴10相连。随着曲轴10使活塞16在汽缸(未示出)内上下运动，曲轴10调节活塞16的运动。曲轴10具有围绕其旋转的直线轴线24，通常，多个轴承轴颈20安装在保持在发动机缸体(未示出)中的可更换轴承上。
图1还示出了示例性的凸轮轴12。凸轮轴12可以是汽缸体内或汽缸盖中的任何凸轮轴12。凸轮轴12用于通过活塞16对内燃发动机的气门26进行操作。它由在汽缸组(未示出)的长度上延伸的圆柱杆28和从圆柱杆28突出的多个凸轮30(每个气门26对应一个凸轮30)构成。凸轮30通过在其旋转时挤压气门26而迫使气门26打开。凸轮轴12与曲轴10相连。当曲轴10旋转时，凸轮轴12以同步运动的方式与其一起旋转。
曲轴10和凸轮轴12可以是一体的或可由几部分装配而成。通常，这些轴32由钢棒经辊锻锻造而成或由铁铸造而成。该制造过程包括许多步骤，通常多达25个操作，包括曲轴的粗加工、硬化、磨削或车削以及抛光。大部分钢轴32具有感应硬化的轴颈表面。一些高产量汽车(high volume automotive)和大部分高性能轴使用更昂贵的渗氮工艺(nitrideprocess)。渗碳法和火焰硬化法是其他示例性的硬化方法。但是，所有这些技术都存在许多不足。
感应硬化工艺在轴颈表面区域覆盖方面有固有的缺陷。在感应硬化工艺期间，油孔周围的电流流动造成膨胀和颈缩状况。此外，感应器的轴向定位经常是有问题的。必须设计线圈和方法来既防止倒角区域中的金相损伤又防止图案侵入底切。这些因素通常导致在硬度和表面覆盖率方面的折中。为了获得更高百分比的表面覆盖率，已经提出了将轴颈设计改成切向式轴颈设计。但是，设计的改变仍然造成与磨削和抛光相关的额外的制造方面的折中。
典型的曲轴和凸轮轴的加工要求金属切削分两步进行：粗加工操作和精加工操作。粗加工通常经由车削或铣削来执行。精加工通常由磨削来执行以获得所需的表面光洁度、尺寸和几何轮廓。归因于生产率和材料的去除水平，在不首先进行表面粗加工的情况下进行精加工是不可能的，否则这将妨碍精加工过程满足公差的能力。
典型的表面硬化方法导致轴变形到这样的程度，以至于硬化工艺不得不在精加工之前被应用。通常，感应硬化造成轴的轴线产生50μm-70μm的变形。因此，按惯例需要把精加工操作中去除的材料量和加工定位误差考虑在内并将其加到期望的成品硬化层深度。这要求增加硬化层的深度。针对感应硬化法，这可通过增加加热时间和提高电力供应频率来实现。
此外，精加工工艺引起残余拉伸应力相对增加。为避免拉伸应力，必须采用生产率较低的磨削循环。为测量绝对应力，必须采用昂贵而耗时的X射线衍射。尽管做了这些努力，但磨削-硬化的顺序总是对期望的压应力造成一些损失。轴颈表面的残余压应力有助于防止裂纹的形成，并且通常有利于疲劳性能。
典型的硬化方法还存在其它缺陷。例如，线圈被用于感应硬化。无论何时引入新的轴颈几何形状，这些铜质线圈不得不被更换。这种更换是非常昂贵而耗时的。此外，在感应硬化过程中使用的淬火液和高的电磁场对环境和健康提出了挑战。
渗氮法也具有许多的不足。例如，它是一种相对耗时的工艺，需要至少8小时。此外，得到的硬化表面的深度相对较浅，在经过至少长达8小时的处理之后，深度约为0.010mm-0.015mm，并且如果为了使用而对轴进行再磨削，那么必须对轴进行再处理。虽然渗氮层的深度被限制在大约0.5mm，但达到该深度的时间约为120小时，这使得该方法对于大批量应用而言不切实际。渗氮还在轴的表面上产生不期望的白层。所述白层通常需要在渗氮处理后通过抛光表面而去除。
因此，会期望提供一种轴表面硬化方法，该方法将克服先前所设计的制造方法的一个或更多个局限。会期望提供一种低变形的硬化方法，该方法将提供更强的图案定位能力，增加总的轴颈硬化表面区域，允许更宽范围的轴颈表面硬化图案，并且消除颈缩同时不再需要磨削掉在感应硬化过程中出现的变形。此外，会期望开发一种硬化方法，该方法将消除在轴颈上的油孔周围的软状态区域。此外，会期望提供一种硬化方法，该方法将节省成本和时间、无需在总的硬化层深度中留出精磨余量、去除铜质线圈工装、并且通过去除淬火液和高的电磁场而提高了环境安全性。
根据一个或更多个实施例，提供一种方法，该方法包括：在对待硬化轴(greenshaft)32”的一个或更多个表面34进行激光硬化之前，对待硬化轴32”的所述一个或更多个表面34进行磨削。待硬化轴32”可以是待硬化曲轴10”或待硬化凸轮轴12”。该方法可包括一个或更多个步骤。根据需要，所述步骤可被重复。术语“待硬化(green)”轴涉及软状态加工。因此，在软轴(soft shaft)32”被硬化之前，对该轴执行磨削操作。磨削操作限定几何形状(例如，轴颈轮廓)。可对通过铸造、锻造或机加工而制造的待硬化轴32”执行磨削操作。已知的方法和设备可被用于磨削操作。由于磨削在硬化之前执行，因此期望的压应力不会发生损失，这种损失通常出现在先硬化后磨削的轴中。此外，待硬化轴32”的磨削确保在轴中不太可能产生拉伸应力。
磨削操作之后的待硬化轴32”叫做待硬化已磨削轴32’或者已磨削软轴32’。待硬化已磨削轴32’可以是待硬化已磨削曲轴10’或者是待硬化已磨削凸轮轴12’。可对待硬化已磨削轴32’进行清洗以确保在进行硬化之前去除在磨削操作之后残留在表面上的任何碎屑、油污或其它杂质。可通过任何已知的方法和设备进行清洗，例如，通过喷洗、浸入浴中、使用洗涤室等。该方法可包括在清洗之后对待硬化已磨削轴32’进行干燥的步骤。
图2和图3分别示出了待硬化已磨削曲轴10’和待硬化已磨削凸轮轴12’的非限制性的详细示例。每个轴包括一个或更多个待硬化表面34。图2示出了示例性的待硬化已磨削曲轴10’，曲轴10’具有在第一端38的轴柱(post)36、主轴颈20、连接平衡重或轴承42的销轴颈40以及在第二端44的飞轮18。主轴颈20(还称为主轴承轴颈或圆角)包括用于将润滑油配送到各轴承的油孔46。销轴颈40(还称为曲柄销或曲柄销圆角)也包括油孔46。待硬化已磨削曲轴10’还包括便于润滑的油道(未示出)。待硬化已磨削曲轴10’还可包括位于飞轮18上的油封48。图3示出了具有圆柱杆28、多个主轴颈20和多个凸轮30的待硬化已磨削凸轮轴12’的非限制性示例。
待硬化已磨削轴32’的一个或更多个待硬化表面34可包括在主轴颈20、销轴颈40、油封48或凸轮30上的表面。主轴颈20、销轴颈40、油封48、凸轮30及其各自的待硬化表面的数目可不同并可取决于正在被制造的轴32的期望参数。在一个或更多个示例性实施例中，在硬化之前对待硬化轴32”的每个主轴颈20、销轴颈40、油封48、凸轮30和/或工作表面62的至少一部分进行磨削。工作表面62可以是任何圆柱表面或带肩表面或者与轴颈接触的任何表面，比如轴套表面(bushing surface)64或带肩壁表面(shouldered wall surface)66。
该方法还可包括在激光硬化之前由将要进行激光硬化的待硬化已磨削轴32’的3D模型生成表面硬化图案(surface hardening pattern)的步骤。该方法可包括对微处理器单元(MPU)进行配置以生成表面硬化图案的步骤。在一个或更多个实施例中，生成的表面硬化图案可包括一系列的预选点、待硬化已磨削轴32’的部分或整个表面的几何形状。表面硬化图案可包括在一个或更多个主轴颈20、销轴颈40、凸轮30、油封48上的一个或更多个表面34或者工作表面62。
在一个或更多个实施例中，该方法包括在磨削、清洗和/或干燥之后对待硬化已磨削轴32’进行激光硬化以在待硬化已磨削轴32’中产生期望的压应力的步骤。该方法可包括确定将被硬化的表面区域的尺寸。该方法可包括根据将被硬化的表面区域的尺寸调节激光束的光斑尺寸的步骤。该方法可包括根据表面硬化图案将来自激光功率单元的激光束引导至待硬化已磨削轴32’的待硬化表面34的步骤。该方法可包括在硬化操作之前、硬化操作之后或硬化操作期间调整所述图案(激光表面硬化图案)和/或一个或更多个参数。
在一个或更多个实施例中，可通过至少一个激光功率单元来促进激光硬化。可使用多个激光功率单元。例如，一个激光功率单元可被用于使待硬化表面34回火。这种激光器可以是较低功率的激光器，比如1.0kW的激光器。另一激光功率单元可以是促进硬化的高功率激光单元。高功率激光单元可以是(例如)6.0kW的激光器。可使用具有不同功率的激光功率单元，比如，功率在500W到50kW的范围内的任何激光器都可适用。可选地，可通过一个激光功率单元来促进回火和硬化两者。或者，回火可被省略。为防止轴材料过热，硬化过程中将达到的温度不应超过大约1260℃。由于不存在过热，因此在本公开的方法中不需要淬火液。
该方法考虑使用不同种类的激光器作为硬化操作的热源。合适的激光器的示例性非限制性的示例包括具有不同类型的有源增益介质的激光器。增益介质可包括液体，比如染料激光器，其中染料的化学成分决定了工作波长。所述液体可以是含有染料(比如，香豆素、若丹明和荧光素)的有机化学溶剂，诸如甲醇、乙醇以及乙二醇。增益介质可包括气体(比如，二氧化碳(CO2)、氩(Ar)、氪(Kr))和/或气体混合物(比如，氦氖(He-Ne))。增益介质可以是金属蒸汽，比如铜(Cu)、氦镉(HeCd)、氦汞(HeHg)、氦硒(HeSe)、氦银(HeAg)或金(Au)。增益介质可包括通常掺杂有杂质(比如，铬(Cr)、钕(Nd)、铒(Er)或钛(Ti)离子)的固体，比如晶体和玻璃。固体晶体可包括钇铝石榴石(YAG)、氟化钇锂(YLF)、氟化铝锶锂(LiSAF)或蓝宝石(氧化铝)。掺杂有杂质的固态增益介质的非限制性示例包括掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺铬蓝宝石(Cr:sapphire)、掺铬氟化铝锶锂(Cr:LiSAF)、掺铒氟化钇锂(Er:YLF)、掺钕玻璃(Nd:glass)或掺铒玻璃(Er:glass)。增益介质可包括掺杂剂分布均匀的半导体或具有不同掺杂度的材料，其中电子的运动引起激光作用。半导体增益介质的非限制性示例可包括铟镓砷(InGaAs)、氮化镓(GaN)、铟镓氮(InGaN)和铟镓砷磷(InGaAsP)。激光器可以是由掺杂有稀土离子的有源光纤和作为泵浦有源光纤的光源的半导体二极管产生的高功率光纤激光器。
所述至少一个激光功率单元可连接到MPU(还称为中央处理单元)，MPU能够接收数字数据作为输入、根据存储在其内存中的指令处理数据并且提供输出。MPU可包括能够处理输入数据的数学建模软件。示例性的输入数据可包括：关于具有待硬化表面34的待硬化已磨削轴32’的3D模型的信息；新的几何形状的参数，比如硬化宽度、能量衡算等；与油孔相关的参数，比如油孔半径、相对于轴颈中心的偏移量等。
归因于激光技术的灵活性，该方法可包括对待硬化表面34的一部分或整个表面区域进行硬化。该方法可包括对待硬化表面34的大约85％-100％的表面区域(比如，主轴颈20、销轴颈40、凸轮30、油封48或工作表面62的大约85％-100％的表面区域)进行硬化。激光硬化可包括对表面硬化图案中的一个或更多个表面进行硬化，覆盖一个或更多个表面34的高达100％的表面区域。相比较而言，在磨削之前进行硬化的待硬化曲轴可包括仅高达75％-85％的被硬化的表面区域，因为上文提到的感应硬化和其他现有技术的方法不能硬化较大的表面区域。具体而言，抓斗式感应硬化(clamshell induction hardening)可实现仅高达75％的表面区域的硬化，而轨道式感应硬化(orbital induction hardening)可实现高达85％的表面区域的硬化。
该方法可包括对紧邻油孔46和/或底切50的区域进行硬化。如图4所示，激光硬化轴32的激光硬化轴颈40可包括紧邻油孔46的边缘54和/或邻近底切50的边缘56的硬化表面区域52，而油孔46和/或底切50无金相变化。可选地，由图4可见，激光硬化轴颈40可包括自底切50多达0.5mm的未被硬化的表面。油孔46的表面区域保持完全未硬化(60)。
因此，该方法包括对高达100％的待硬化表面区域进行硬化。对比本公开，先硬化后磨削的待硬化曲轴上紧邻油孔46或底切50的区域不能被硬化而保持软状态。这在图5中进行说明，图5示出了在进行磨削之前的感应硬化曲轴10一部分。曲轴具有连接到销轴颈40的平衡重42。销轴颈40上的表面硬化区域52不包括邻近油孔46和邻近底切50的区域。因此，图5的销轴颈40包括未被硬化的区域58，该区域58保持软状态。油孔46周围的软状态区域58的尺寸在油孔46周围沿径向可达到2-3mm。软状态区域58带来不期望的疲劳应力。另外，对邻近油孔46的区域进行感应硬化存在其他的挑战，比如，难以防止油孔46的横截面区域过热。这种过热造成淬火裂纹和金相损伤进而影响疲劳强度。为缓解过热而调整感应硬化过程进而会造成硬度水平或软状态区域58的折中。此外，传统的感应硬化可影响油孔46的表面区域和/或底切50的区域，使得油孔46的区域46和/或底切50的区域受热的影响并经受不期望的金相变化。
另外，激光硬化消除了颈缩。颈缩是当电流围绕油孔46和/或底切50流动时感应图案收缩的现象。在图5的抓斗式感应硬化轴颈40上示出了颈缩。油孔46和底切50周围的铁含量的不足引起更高的电流流动，从而造成在油孔46处和底切50周围的图案膨胀。由于颈缩存在疲劳应力隐患，因此为避免颈缩，感应线圈的设计和/或电流的量必须进行调整。然而，当精简线圈设计和/或降低电流时，油孔46和底切50附近的区域产生更窄的颈缩图案。
该方法可包括使待硬化已磨削轴32’的表面34硬化至大约1.2mm-1.3mm的深度的步骤。由于激光硬化在使主轴颈20发生最小变形的同时以较浅的深度提供合意的结果，所以可期望并考虑较浅的硬化层深度。由激光硬化造成的主轴颈20的变形可为大约5μm-10μm。相比较而言，在磨削之前进行硬化的待硬化轴(比如，感应硬化轴)在主轴颈20上可能呈现出大约50μm-70μm的变形。因此，当在磨削后执行硬化时，激光硬化工艺的变形程度使得与热相关的变形是可控的。另外，由于不再需要考虑磨削余量以补偿感应硬化变形，因此激光硬化层的深度可以减小。这进而明显地缩短了周期时间。在相同或较低的功率水平下，加快扫描速度可在更短的时间内完成硬化，以得到更浅的硬化层深度。
该方法可包括使表面34硬化至大约0.05mm至大约1.3mm、大约0.15mm至大约0.8mm、大约0.2mm至大约0.5mm的硬化层深度。较浅的硬化(例如，大约0.2mm)带来较短的周期时间。对于需要大于约0.2mm的硬化层深度的后磨削的待硬化曲轴的硬化，激光硬化可节省高达与之相关联的周期时间的50％。由于这样的曲轴将在硬化步骤之后被磨削，因此在磨削工序中相对大量的原材料将被去除。因此，这样的轴在磨削操作开始之前必须具有更深的硬化层深度，这导致更长的周期时间。不同于现有技术的轴，即使硬化层深度只有大约0.2mm，本公开的激光硬化的待硬化已磨削轴32仍可在不重复进行硬化操作的情况下进行再磨削和/或再制造。
在一个或更多个实施例中，该方法可包括在待硬化已磨削轴32进行激光硬化之后的额外的制造步骤。在至少一个实施例中，该方法可包括抛光。抛光可包括对被激光硬化的待硬化已磨削轴32的金属表面进行抛光的任何传统方式。该方法可包括去除一定量的材料余量。
虽然上文描述了示例性实施例，但并非意味着这些实施例描述了本公开的所有可能的形式。相反，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可进行各种改变。此外，可组合各个实施的实施例的特征以形成本公开的进一步的实施例。

Claims (11)

1.一种曲轴硬化方法，包括：
在对待硬化曲轴的表面进行硬化之前，磨削待硬化曲轴的表面，以产生待硬化已磨削曲轴，并在所述曲轴上限定轴颈几何形状，从而避免与已硬化曲轴的磨削相关联的压应力损失；以及
对待硬化已磨削曲轴的表面进行激光硬化以诱发压应力。
2.如权利要求1所述的曲轴硬化方法，其中，所述表面包括主轴颈、销轴颈、油封上的表面或工作表面。
3.如权利要求1所述的曲轴硬化方法，其中，所述表面的硬化深度为0.15mm或更大。
4.如权利要求1所述的曲轴硬化方法，其中，所述表面包括轴颈的至少85％的表面区域。
5.如权利要求1所述的曲轴硬化方法，其中，所述方法包括对邻近油孔的区域进行硬化，而油孔表面区域无金相变化。
6.如权利要求5所述的曲轴硬化方法，其中，所述区域不发生颈缩。
7.一种硬化轴的方法，包括：
在对待硬化轴的表面进行硬化之前，磨削待硬化轴的表面，以产生待硬化已磨削轴，从而避免与硬化之后的磨削相关联的压应力损失；
由待硬化已磨削轴的3D模型生成表面硬化图案；以及
根据表面硬化图案对所述表面进行激光硬化，以获得已硬化已磨削的轴并诱发压应力。
8.如权利要求7所述的硬化轴的方法，其中，所述轴是曲轴或凸轮轴。
9.如权利要求7所述的硬化轴的方法，其中，表面硬化图案覆盖一个或更多个轴颈、凸轮、油封上的表面或工作表面。
10.如权利要求9所述的硬化轴的方法，其中，所述一个或更多个轴颈包括主轴颈或销轴颈。
11.一种软轴硬化的方法，包括：
磨削软凸轮轴或软曲轴的表面以产生已磨削软轴，从而防止诱发与已硬化轴的磨削相关联的拉伸应力；
对已磨削软轴的表面进行激光硬化，以产生无颈缩的激光硬化表面并诱发压应力。
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