CN107378252A - 一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的装置与方法，包括激光发生系统与PLC控制系统，发动机气缸孔固定安装在定位平板上，丝杠螺母机构上安装有反射锥，反射锥位于发动机气缸孔内。先将发动机气缸孔进行清洁处理，再对整个气缸孔壁表面涂敷激光能量吸收层，然后在约束层的保护下，对发动机气缸孔壁进行激光冲击强化处理，环形激光通过反射锥反射在涂有能量吸收层的发动机气缸孔内壁上，诱导等离子体爆炸产生冲击波作用在汽缸孔内壁上，从而对整个气缸孔内壁进行圆周强化。最后再对气缸孔进行轻微打磨，消除激光冲击强化所引起的表面粗糙度提升。本发明提高了金属表面的耐磨、耐蚀和抗氧化能力，显著提高了材料的疲劳强度和使用寿命。

Description

一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的装置与方法

技术领域

本发明属于激光加工处理技术领域，特指一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的装置与方法。

背景技术

汽车行业的蓬勃发展对汽车制造业提出了更高的要求和期望，发动机作为整个汽车的核心部件，对汽车的运行可靠性和使用性能具有决定性影响。汽车发动机气缸孔是汽车发动机安装活塞的位置，是发动机动力输出的关键位置，无缸套气缸在现今仍有较为广泛的应用，但无缸套气缸与活塞环直接接触，在活塞剧烈运动时，与气缸孔内壁摩擦，尤其是润滑条件不够良好时或者汽车起步时，活塞环与汽缸孔摩擦严重，长时间如此会破坏气缸，从而导致汽车拉缸问题而不得不返修镗缸，造成一定的经济损失。因此，提高无缸套气缸的耐磨性和寿命对提高发动机的整体可靠性和安全性具有非常重要的意义。

目前常用于提高气缸抗摩擦性能的方法主要是渗氮-磷化处理。渗氮处理可以在气缸孔壁上形成一层高硬度的白亮层，但是这种氮化层的贮油性差，在汽车启动时，润滑条件不良，活塞环对汽缸的摩擦会加大，可能在磨合期时发动机就会产生刮伤，磷化处理虽然可以解决这一问题，但总体来说工艺复杂。另一种方法是气缸孔壁的高温形变热处理，该工艺流程多，可控性不好，需要保持加热、滚压和淬火工序的同步进行，然后再进行回火热处理，该工艺对时间要求很高，不易控制，且操作繁琐。

激光冲击强化技术，通过激光脉冲诱导产生的冲击波在气缸孔内壁上产生较深的残余压应力层，改变材料的显微组织结构和力学性能，细化晶粒，从而使得气缸孔的耐磨性得到显著的提升。激光冲击强化气缸孔时，将反射锥与气缸孔中心轴线相重合，通过环形激光转换器，将入射平行激光转换为大小可调的环形激光，垂直照射到反射锥上，使得激光冲击强化处理的效率和精度大大提高。该新型装置在提高强化效率的同时也保证了强化的精度，还可以进行多次激光冲击处理，以得到更好的效果。相对于单次激光冲击强化，多次激光冲击强化残余应力作用层更深，表面硬度也会有更大的提高，强化效果更加显著。在本发明中，我们采用多次激光冲击的方法，以期获得更好的效果。

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，虽然都取得了不错的效果，但是由于发动机气缸内壁难以涂敷铝箔，所以本专利采用的硅酸乙酯黑漆，可以使激光的吸收率达到98%以上。

发明内容

本发明目的在于提供一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的装置与方法，用来提高发动机气缸的使用寿命。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的装置，包括激光发生系统，所述激光发生系统依次与凹透镜、凸透镜和全反镜光连接，所述全反镜的光线输出端设置有环形激光转换器，发动机气缸孔位于所述环形激光转换器的正下方，所述发动机气缸孔固定安装在定位平板上，丝杠螺母机构穿过所述定位平板，所述丝杠螺母机构上安装有反射锥，所述反射锥位于所述发动机气缸孔内。

上述方案中，所述反射锥的锥角为45°，所述反射锥的中心轴线与所述发动机气缸孔的中心轴线共线。

上述方案中，所述丝杠螺母机构通过联轴器与步进电机连接。

上述方案中，所述激光发生系统、所述步进电机均与PLC控制系统连接。

本发明提供的一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的方法，包括如下步骤：

A.对发动机气缸孔进行清洁打磨，去除内壁的污垢与毛刺；B.涂抹激光能量吸收层和约束层，调节好激光器各项参数：C.通过PLC控制系统，通过步进电机与丝杠螺母的作用控制反射锥的高度，先让反射锥的顶尖与定位平板上表面处于同一平面上，使激光能够刚好从发动机气缸孔的底部进行冲击强化； D.当反射锥锥底面与发动机气缸孔上底面处于同一平面时，一次冲击强化过程结束；E.重复涂敷激光吸收层和约束层，重复上述步骤，进行第二次强化过程；F.重复上述步骤，进行第三次冲击强化过程；G.激光冲击强化过程完成后，采用精细打磨砂纸进行轻微打磨处理，减少因激光冲击强化而引起的表面粗糙度升高；H.完成上述步骤后，对发动机气缸孔进行清洁处理，涂抹防护油。

上述方案中，所述吸收层采用硅酸乙酯黑漆，约束层采用自制柔性约束层。

上述方案中，所述激光发生系统的激光脉冲宽度10ns，激光波长1064nm，激光能量为4J，搭接率为50%，重复频率为1Hz。

上述方案中，所述反射锥的运动速度为1mm/s。

上述方案中，所述环形激光转换器输出的同心环形激光宽度为2mm。

本发明的有益效果：1.在高功率密度激光的作用下，发动机气缸孔在较短的时间内实现了高精度、高质量的激光冲击强化，产生的残余压应力作用层达到了1mm，改变了表层微观组织结构和力学性能，细化了晶粒，能够显著提升发动机汽缸孔的耐摩擦性能，延长了无缸套发动机的使用寿命；2.本发明能够高效快捷地进行发动机气缸孔的冲击强化处理，操作简单，提升了工作效率，提高了能源利用率，可大规模应用于生产车间。

附图说明

图1为本发明装置的结构原理图。

图2为图1局部放大图。

图中：1.PLC控制系统；2.激光发生器；3.凹透镜；4.凸透镜；5.入射平行激光束；6.全反镜；7.环形激光转换器；8.入射环形激光；9.反射锥；10.发动机气缸孔；11.定位平板；12.丝杠螺母机构；13.联轴器；14.步进电机；15.连接线。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种提升无缸套发动机气缸孔耐磨性的新型装置包括：PLC控制系统1；激光发生器2；凹透镜3；凸透镜4；入射平行激光束5；全反镜6；环形激光转换器7；入射环形激光8；反射锥9；发动机气缸孔10；定位平板11；丝杠螺母机构12；联轴器13；步进电机14和连接线15。所述激光发生系统2依次与凹透镜3、凸透镜4和全反镜6光连接，所述全反镜6的光线输出端设置有环形激光转换器7，发动机气缸孔10位于所述环形激光转换器7的正下方，所述发动机气缸孔10固定安装在定位平板11上，丝杠螺母机构12穿过所述定位平板11，所述丝杠螺母机构12上安装有反射锥9，所述反射锥9位于所述发动机气缸孔10内。凹透镜3和凸透镜4用于将高能量的入射激光变为准直扩束激光。所述环形激光转换器7沿z方向正对光路，将垂直入射的高功率平行激光5转换为高功率环形激光，并保证环形激光的圆心与气缸孔轴线在同一条直线上，从而提高激光冲击强化的精度。所述发动机气缸10固定在定位面板11上，保证在激光冲击强化过程中固定不动，避免反射锥9与发动机气缸孔10产生同轴度误差从而影响冲击强化的精度，最终影响发动机气缸孔10的冲击强化质量。所述发动机气缸孔10中央设有与气缸孔同轴放置的反射锥9，所述反射锥9的锥角为45°，这样入射高能量环形激光能够垂直作用在发动机气缸孔内壁10，避免产生不均匀的残余压应力以及不均匀的表面粗糙度，达到冲击强化的目的并确保冲击强化的质量。所述丝杠螺母机构12与反射锥9相连，通过丝杠螺母机构12的运动带动反射锥9的上下往复运动，从而可以进行多次激光冲击强化。所述步进电机14与丝杠螺母机构12相连接，通过步进电机14精确控制丝杠螺母机构12的运动，进而推动反射锥9沿z方向上下运动并且保证了运动的精度，保证了激光冲击强化的效果与质量。所述激光发生系统2一侧设有PLC控制系统1，通过PLC控制系统1作用下，精确控制步进电机14运动。所述PLC控制系统1具体包括了计算机等硬件，能够更加方便快捷并且精确地控制整个冲击强化的过程，并且使反射锥9到达更加精确的位置，实现对发动机气缸孔10的精确、高质量的激光冲击强化。所述环形激光转换器7与所述发动机气缸孔10以及所述反射锥9的同轴度很高。所述环形激光转换器7能够将高功率的入射激光转换为高功率的环形入射激光来对所述发动机气缸孔10进行激光冲击强化处理，从而提高效率，同心环形激光宽度为2mm。所述定位面板11能够保证在激光冲击强化处理过程中固定并且夹紧所述发动机气缸10，保证激光冲击强化质量。反射锥9的尺寸小于所述发动机气缸孔10的尺寸，使得所述反射锥9能够在所述发动机气缸孔10内部实现无阻碍运动。

利用该新型提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的装置进行激光冲击强化处理的方法如下：A.对发动机气缸孔10进行清洁打磨，去除内壁的污垢与毛刺。B.涂抹激光能量吸收层和约束层，吸收层采用硅酸乙酯黑漆，约束层采用自制柔性约束层。调节好激光器各项参数：激光脉冲宽度10ns，激光波长1064nm，激光能量为4J，搭接率为50%，重复频率为1Hz。C.通过PLC控制系统1，通过步进电机14与丝杠螺母12的作用控制反射锥9的高度，先让反射锥9的顶尖与定位平板11上表面处于同一平面上，使激光能够刚好从发动机气缸孔10的底部进行冲击强化，反射锥9运动速度为1mm/s。D.当反射锥9锥底面与发动机气缸孔10上底面处于同一平面时，一次冲击强化过程结束。E.重复涂敷激光吸收层和约束层，重复上述步骤，进行第二次强化过程。F.重复上述步骤，进行第三次冲击强化过程。G.激光冲击强化过程完成后，采用精细打磨砂纸进行轻微打磨处理，减少因激光冲击强化而引起的表面粗糙度升高。H.完成上述步骤后，对发动机气缸孔10进行清洁处理，涂抹防护油。

Claims (9)

1.一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的装置，其特征在于，包括激光发生系统（2），所述激光发生系统（2）依次与凹透镜(3)、凸透镜(4)和全反镜(6)光连接，所述全反镜(6)的光线输出端设置有环形激光转换器（7），发动机气缸孔(10)位于所述环形激光转换器（7）的正下方，所述发动机气缸孔(10)固定安装在定位平板(11)上，丝杠螺母机构(12)穿过所述定位平板(11)，所述丝杠螺母机构(12)上安装有反射锥（9），所述反射锥（9）位于所述发动机气缸孔(10)内。

2.根据权利要求1所述的一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的装置，其特征在于，所述反射锥(9)的锥角为45°，所述反射锥(9)的中心轴线与所述发动机气缸孔(10)的中心轴线共线。

3.根据权利要求1或2所述的一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的装置，其特征在于，所述丝杠螺母机构(12)通过联轴器(13)与步进电机(14)连接。

4.根据权利要求3所述的一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的装置，其特征在于，所述激光发生系统（2）、所述步进电机(14)均与PLC控制系统(1)连接。

5.一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.对发动机气缸孔（10）进行清洁打磨，去除内壁的污垢与毛刺；

B.涂抹激光能量吸收层和约束层，调节好激光器各项参数：

C.通过PLC控制系统（1），通过步进电机（14）与丝杠螺母（12）的作用控制反射锥（9）的高度，先让反射锥（9）的顶尖与定位平板（11）上表面处于同一平面上，使激光能够刚好从发动机气缸孔(10)的底部进行冲击强化；

D.当反射锥（9）锥底面与发动机气缸孔（10）上底面处于同一平面时，一次冲击强化过程结束；

E.重复涂敷激光吸收层和约束层，重复上述步骤，进行第二次强化过程；

F.重复上述步骤，进行第三次冲击强化过程；

G.激光冲击强化过程完成后，采用精细打磨砂纸进行轻微打磨处理，减少因激光冲击强化而引起的表面粗糙度升高；

H.完成上述步骤后，对发动机气缸孔进行清洁处理，涂抹防护油。

6.根据权利要求5所述的一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的方法，其特征在于，所述吸收层采用硅酸乙酯黑漆，约束层采用自制柔性约束层。

7.根据权利要求5或6所述的一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的方法，其特征在于，所述激光发生系统（2）的激光脉冲宽度10ns，激光波长1064nm，激光能量为4J，搭接率为50%，重复频率为1Hz。

8.根据权利要求5或6所述的一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的方法，其特征在于，所述反射锥（9）的运动速度为1mm/s。

9.根据权利要求5或6所述的一种提高无缸套发动机气缸孔耐磨性的方法，其特征在于，所述环形激光转换器（7）输出的同心环形激光宽度为2mm。