CN107435680A - 激光硬化曲轴 - Google Patents

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Abstract

公开一种激光硬化曲轴。一种车辆轴包括轴颈，所述轴颈具有由车辆轴的底切区域限定并位于所述底切区域之间的峰部到峰部的接触表面区域，所述峰部到峰部的接触表面区域的整体被激光硬化至不大于1mm的深度以形成不包含未硬化部分的层。

Description

激光硬化曲轴
技术领域
本公开涉及曲轴制造，包括曲轴或凸轮轴的轴颈表面的激光硬化。
背景技术
曲轴和凸轮轴制造包括对其表面的一部分进行硬化以提高其机械性能。通常，使用感应硬化来实现硬化。然而，感应工艺的固有特性导致许多缺点，诸如硬化层深度(casedepth)比必要的深度更深以及固有的变形。已经开发出替代方法，但是由于批次处理的要求，它们不太适合大批量生产。
发明内容
公开一种车辆轴。所述车辆轴可包括轴颈，所述轴颈具有由车辆轴的底切区域限定并位于所述底切区域之间的峰部到峰部的接触表面区域，所述峰部到峰部的接触表面区域的整体被激光硬化至不大于1mm的深度以形成不包含未硬化部分的层。所述车辆轴可以是曲轴或凸轮轴。所述轴颈可以是主轴颈。所述峰部到峰部的接触表面区域的整体可被激光硬化至不大于约0.5mm的深度。所述层的70％以上可具有恒定的深度。所述峰部到峰部的接触表面区域的一部分可以围绕油孔。
在另一实施例中，公开一种曲轴。所述曲轴可以包括经由底切区域连接到配重的主轴颈和销轴颈。所述主轴颈和销轴颈中的一个可具有表面区域，所述表面区域在由底切区域中的两个形成的峰部之间延伸并终止于所述峰部以限定周向带。所述带的整个区域可被激光硬化以形成达到不大于约1mm的深度并且不包含未硬化部分的层。所述带的一部分可围绕具有未硬化表面区域的油孔。所述主轴颈和销轴颈中的一个可以是主轴颈。所述层可达到不大于约0.5mm的深度。所述层的70％以上可具有恒定的深度。所述层可具有一定轮廓，并且所述轮廓的变化率可以是(1μm/2mm)。所述轮廓可包括没有凹陷的中心部分。
在又一实施例中，公开一种曲轴。所述曲轴可以包括经由底切区域连接到配重的多个轴颈。所述多个轴颈中的至少一个可具有被激光硬化的峰部到峰部的接触表面区域，所述峰部到峰部的接触表面区域由底切区域限定并延伸到一定深度以形成具有一定轮廓的层，所述轮廓具有约(1μm/2mm)的变化率。所述轮廓的至少70％可具有恒定的尺寸。所述轮廓可包括具有方形图案的端部区域。所述轮廓可包括没有凹陷的中心部分。所述多个轴颈可包括销轴颈。所述深度可以不大于1mm。
附图说明
图1示出了根据一个或更多个实施例的包括曲轴和凸轮轴的示例性车辆燃烧发动机的示意图；
图2示出了激光硬化后的曲轴的透视图；
图3示出了激光硬化后的凸轮轴的透视图；
图4A示出了图2所示的曲轴的激光硬化后的主轴颈的示意性截面图，轴颈表面区域具有小于约1mm的硬化层深度；
图4B示出了现有技术中的曲轴的激光硬化后的主轴颈的示意性截面图，轴颈表面区域具有约1.2mm的硬化层深度；
图4C示出了现有技术中的曲轴的感应硬化后的主轴颈的示意性截面图，轴颈表面区域具有约2.5mm的硬化层深度；
图5示出了图2所示的曲轴的激光硬化部分的透视图；和
图6示出了具有感应硬化表面的现有技术中的曲轴的感应硬化部分的透视图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解公开的实施例仅为示例，其它实施例可以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，在此所公开的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅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。如本领域内的普通技术人员将理解的，参考任一附图示出和描述的各个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可以期望用于特定应用或实施方式。
除非明确指出，否则本说明书中表示尺寸或材料性能的所有数值量应被理解为在描述本公开的最宽范围时用词语“约”修饰。
首字母缩略词或其他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，并且准用于初始定义的缩写词的正常语法变型。除非明确地做出相反的说明，否则对性能的测量由前文或后文中针对相同性能所参照的相同技术来确定。
曲轴和凸轮轴是车辆发动机中的基本特征。图1示出了作为燃烧发动机14的内部部分的示例性曲轴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的往复运动转换成旋转运动，使得车轮能够驱动车辆向前。曲轴10可以是汽缸体内或汽缸盖中的任何曲轴10。曲轴10使用多个主轴颈20上的轴承连接到飞轮18、发动机缸体(未示出)，并经由它们各自的杆22连接到活塞16，使得发动机14的所有活塞16都附连到曲轴10。随着曲轴10使活塞16在汽缸(未示出)内上下移动，曲轴10调节活塞16的运动。曲轴10具有绕其旋转的线性轴线24，通常，若干个轴承轴颈20跨坐在被保持在发动机缸体(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。凸轮轴12由圆柱形杆28和多个凸角(lobe)30组成，其中，圆柱形杆28在汽缸组(未示出)的长度上延伸，多个凸角30从圆柱形杆28突出并且每个气门26对应一个凸角30。凸角30通过在其旋转时压在气门26上而迫使气门26打开。凸轮轴12连接到曲轴10。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可以是整体式的或由若干零件组装而成。通常，这些轴32由钢条经辊锻锻造而成或由铁铸造而成。制造工艺包括多个步骤，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。大多数钢轴32具有感应硬化的轴颈表面以提高它们的机械性能。一些高产量的车辆和大多数高性能轴使用更昂贵的氮化工艺。渗碳和火焰硬化是其他示例性的硬化方法。然而，所有这些技术都存在许多缺点，其中一些将在下面讨论。
感应硬化工艺在轴颈表面区域覆盖方面具有固有的缺点，这是因为感应硬化导致由于感应场的性质而引起的某些区域的图案增殖(pattern proliferation)和过热。管理感应场的物理性质的难度在于将其施加到期望的区域同时避开不期望的区域。在感应硬化工艺期间，油孔周围的电流流动通常导致膨胀和颈缩状况。此外，感应器的轴向定位通常是有问题的。线圈和方法(recipe)必须被设计成既防止倒角区域的冶金损伤又防止图案侵入底切。这些因素通常导致在硬度、表面覆盖度和表面硬化图案的宽度方面的折衷。为了获得更高百分比的表面覆盖度，已经提出将轴颈设计改为切向轴颈设计。然而，设计变化仍然导致与磨削和抛光相关的另外的制造方面的折衷。
此外，典型的表面硬化方法引起轴的变形。例如，感应硬化使轴的轴线产生50μm至70μm或更大的变形。因此，习惯上，在精加工操作中去除的材料量和加工定位误差被考虑在内并被增加到期望的成品硬化层深度。这要求增加硬化层深度，这可以通过增加加热时间和供电频率来实现。高频感应硬化通常产生约1.5mm至3mm的硬化层深度(这表示足够的硬化层深度)并且能够在没有后续再处理的情况下进行再制造。然而，产品需要在处理后进行磨削。因此，磨削前的典型的硬化层深度为约1.5mm至3mm，但是在成品状态下感应硬化后的曲轴或凸轮轴的硬化层深度不小于0.5mm。归因于可管理的场强度和淬火控制的水平，感应工艺无法实现更浅的硬化层深度。
此外，精加工工艺导致残余拉应力的相对增加。为了避免拉应力，必须采用生产率较低的磨削循环。为了测量绝对应力，必须使用昂贵且耗时的X射线衍射。尽管进行这些努力，但是磨削硬化序列总是对期望的压缩应力造成一些损失。轴颈表面的压缩残余应力有助于防止裂纹形成，并且通常有利于疲劳性能。
典型的硬化方法还存在另外的缺点。例如，线圈用于感应硬化。无论何时引入新的轴颈几何形状，这些铜线圈都必须进行改变。这种改变非常昂贵且耗时。此外，在感应硬化期间使用的淬火流体和高电磁场会给环境和健康带来挑战。
氮化也具有许多缺点。例如，它是一种相对耗时的工艺，至少花费8个小时。另外，得到的硬化表面的深度相对较浅，在最少8小时长的工艺之后，深度约为0.01mm至0.015mm，并且如果轴被再次磨削以供使用，那么轴必须进行再处理。虽然通过氮化可以获得更深的深度，但实现比0.015mm深的深度需要明显更长的时间。最大硬化层深度被限制在约0.5mm，实现此深度花费的时间约为120小时，这使得该方法对于大批量应用来说不切实际。氮化还会在轴的表面产生不期望的白层，需要在处理后通过表面抛光去除。
因此，期望提供一种轴表面硬化的方法，其可克服先前设计的制造方法的一个或更多个限制。期望提供一种低变形硬化方法，其可增加总的轴颈硬化表面区域，允许轴颈表面有更宽的表面硬化图案，并且消除颈缩以及对感应硬化工艺期间发生的变形进行磨削的需要。此外，期望开发一种硬化方法，其可消除轴颈上油孔周围的软区。另外，还期望提供一种灵活的硬化方法，其可节省成本和时间，减少循环时间，消除从总的硬化层深度中留出成品磨削余量的需要，消除铜线圈工具，并通过消除淬火流体和高电磁场来提高环境安全性。
激光硬化代表硬化精密轴颈表面以提高磨损性能的替代方法。然而，目前的激光方法集中在感应图案和硬化层深度的复制上。最大的激光硬化层深度受到过热造成的冶金表面损伤的限制。因此，在对典型的激光硬化后的曲轴进行磨削之前的激光硬化的硬化层深度约为1.2mm。与感应硬化的硬化层深度不同，激光硬化的最小硬化层深度可以无风险地实现。在最大深度为约1.2mm时，底切区域的过热决定与曲轴疲劳要求相关的硬化图案的宽度，并将硬化图案限制在高达约85％的轴颈表面区域。
现在已经意外地发现，最小硬化层深度要求可以降低到1.2mm以下，同时提供令人满意的磨损性能，使得能够在不经过再处理的情况下对部件进行再磨光或再磨削，并且通过激光硬化工艺使生产量最大化。此外，由于激光硬化工艺的硬化层深度影响加工时间，所以降低硬化层深度要求使循环时间大幅减少高达50％以上。
根据一个或更多个实施例，提供一种方法，其包括使轴10、12经受激光硬化，具体地，对轴10、12的一个或更多个表面区域进行激光硬化。图2和图3分别示出了曲轴10和凸轮轴12的非限制性示例。轴10和轴12各自包括一个或更多个待硬化的表面34，其形成围绕轴颈周边的带35。图2示出了示例性曲轴10，其具有在第一端38处的柱(post)36、主轴颈20、经由底切区域(未示出)连接到多个配重或轴承42的销/杆轴颈40以及在第二端44处的飞轮18。主轴颈20(也称为主轴承轴颈或圆角)包括用于向轴承分配润滑油的油孔46。销轴颈40(也称为曲柄销或曲柄销圆角)也包括油孔46。曲轴10还包括便于润滑的油道(未示出)。曲轴10还可以包括位于飞轮18上的油封48。图3示出了凸轮轴12的非限制性示例，其具有圆柱形杆28、多个主轴颈20和多个凸角30。
如图2和图3所示，一个或更多个待硬化的表面34可以包括主轴颈20的表面、销轴颈40的表面、油封48的表面、凸角30的表面或工作面(running surface)。主轴颈20、销轴颈40、油封48、凸角30及其相应的待硬化表面的数量可以不同并且取决于正在制造的轴32的期望参数。工作面可以是任何圆柱形或带肩表面或者与轴颈接触的任何表面(诸如衬套表面或带肩壁表面)。
该方法可以包括从待激光硬化的轴32的3D模型产生表面硬化图案的步骤。该方法可以包括配置微处理器单元(MPU)以产生表面硬化图案的步骤。在一个或更多个实施例中，产生的表面硬化图案可以包括轴10、12的一系列预选点、一部分或整个表面几何形状。表面硬化图案可以包括一个或更多个主轴颈20、销轴颈40、凸角30、油封48上的一个或更多个表面34或者工作面。
该方法可以包括确定待硬化的表面区域的尺寸。该方法可以包括根据待硬化的表面区域的尺寸(特别是待硬化的表面区域34的深度和宽度)来调整激光束的光斑尺寸的步骤。该方法可以包括根据表面硬化图案将激光束从激光功率单元引导到轴10、12的待激光硬化的表面34的步骤。该方法可以包括在激光硬化操作之前和/或期间调整表面硬化图案的一个或更多个参数。
在一个或更多个实施例中，可以通过至少一个激光功率单元来促进激光硬化。可以使用多个激光功率单元。例如，可以使用一个激光功率单元来使待硬化的表面34回火。这种激光器可以是较低功率的激光器，诸如1.0kW的激光器。另一激光功率单元可以是有助于硬化的高功率激光单元。高功率单元可以是例如6.0kW的激光器。可以使用功率不同的激光功率单元，例如具有500W至50kW功率范围的任何激光器可以是合适的。或者，可以通过一个激光功率单元来促进回火和硬化两者。或者，由于激光微结构小于100％马氏体，因此可以省略回火。在硬化过程中要达到的温度不应超过约1260℃以防止轴材料过热。
该方法考虑使用不同类型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活性增益介质的激光器。增益介质可以包括液体，诸如染料激光器，其中染料的化学构成决定工作波长。液体可以是含有染料(诸如香豆素、若丹明和荧光素)的有机化学溶剂(诸如甲醇、乙醇和乙二醇)。增益介质可以包括诸如CO2、Ar、Kr的气体和/或诸如He-Ne的气体混合物。增益介质可以是诸如Cu、HeCd、HeHg、HeSe、HeAg或Au的金属蒸气。增益介质可以包括通常掺杂有诸如Cr、Nd、Er或Ti离子的杂质的固体(诸如晶体和玻璃)。固体晶体可以包括YAG(钇铝石榴石)、YLF(钇锂氟化物)、LiSAF(锂锶铝氟化物)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、掺铬锂锶铝氟化物(Cr:LiSAF)、掺铒钇锂氟化物(Er:YLF)、掺钕玻璃或掺铒玻璃。增益介质可以包括具有均匀的掺杂剂分布的半导体或掺杂度不同的材料，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以包括InGaAs、GaN、InGaN和InGaAsP。激光器可以是由掺杂有稀土离子的有源光纤和作为用于泵送有源光纤的光源的半导体二极管构成的高功率光纤激光器。
所述至少一个激光功率单元可以连接到MPU(也称为中央处理器)，其能够接收数字数据作为输入、根据存储在其存储器中的指令来处理数据并提供输出。MPU可以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以包括：关于具有待硬化的表面34的轴32的3D模型的信息；关于新几何形状的参数，诸如硬化宽度、能量平衡等；与油孔相关的参数，诸如油孔半径、相对于轴颈中心的偏移等。
该方法将激光硬化实现为小于1.2mm、1.0mm、0.8mm或0.5mm的深度。在这些深度以及更深的硬化层深度的情况下，与感应硬化相比，仅主轴颈20的变形为最小。由激光硬化引起的主轴颈20的变形可以为约5μm至10μm。相比之下，感应硬化后的轴可能在主轴颈上具有约50μm至70μm的变形或更多。因此，即使是在较深的深度，激光硬化工艺变形水平也使得热相关变形易于管理。激光硬化的硬化层深度可以减小到小于约1mm，这是因为不再需要考虑磨削余量来补偿感应硬化变形。这进而能够大幅缩短循环时间。在相同或更低功率水平下增加扫描速度可以在较短的时间内实现较浅的硬化层深度。
该方法可以包括将一个或更多个表面34硬化至约0.05mm至1.1mm、0.15mm至0.8mm或0.2mm至0.5mm的硬化层深度。例如，如果最终产品的要求为0.2mm，则可以硬化至0.6mm至0.7mm的深度。激光硬化可以节省多达50％的循环时间，所述循环时间与需要大于约1.2mm的硬化深度的轴32的硬化相关。硬化浅于约0.5mm有助于甚至更短的循环时间，这是因为对表面34进行扫描和施加热需要更少的时间。与现有技术的轴不同，本公开的激光硬化后的轴32可以被再磨削和/或再制造，即使硬化层深度仅为约0.2mm也不需要重复硬化操作。
小于约1mm的浅硬化层深度使得激光硬化图案能够比实现大于约1.2mm深的硬化层深度时可实现的图案更宽。所述图案可以扩展到更靠近表面34的边缘或到达表面34的最边缘。更宽的图案可以包括一个或更多个待激光硬化的表面34的高达100％的表面区域，使得带35不包含任何未硬化部分58。更宽的图案包括大于一个或更多个待激光硬化的表面34和/或带35的80％、85％、90％、95％或99％。图4A示出了示例性轴颈接触表面的轮廓，即激光硬化区域34，其具有小于约1mm的浅硬化层深度，如在图4A中可以看到，激光硬化区域从由两个底切区域50限定的峰部68延伸到峰部68'。
相比之下，如图4B所示，具有约1.2mm深度的轴颈表面区域134只有高达80％可被激光硬化。将更宽的图案激光硬化至约为1.2mm的深度可能会损害轴颈的强度，因为它可能会导致对随后的圆角滚压操作产生风险和/或由于过热而对底切区域150产生负面影响的状况。图4B所示的激光硬化层152没有到达峰部168和168'。如图4C所示，具有约2.5mm的硬化层深度并且通过感应硬化工艺被硬化的轴颈表面区域234只有高达85％可以被硬化。正如图4B中的层152一样，图4C所示的激光硬化层252不够宽而不能延伸跨过由底切区域250限定的峰部268和268'之间的整个距离。具体来说，蛤壳式感应硬化(clamshell inductionhardening)可以实现仅高达75％的表面区域的硬化，轨道式感应硬化(orbital inductionhardening)可以实现高达85％的表面区域的硬化。因此，提供浅硬化层深度的激光硬化能够实现明显更宽的表面硬化图案。图4B中的158和图4C中的258分别示出未硬化区域。
图5中示出了对近100％的轴颈表面区域进行激光硬化的轴颈20的透视图。如图5所示，轴32的激光硬化轴颈20可以包括硬化表面区域52，硬化表面区域52直接邻近油孔46的边缘54并在限定底切区域50的边缘56的峰部68和68'之间延伸。油孔46和底切区域50无冶金转变。因此，油孔46和底切区域50的表面区域保持完全不硬化。
相比之下，图6中示出了蛤壳式感应硬化轴颈220。轴颈220上的硬化表面区域252不包括邻近油孔246的区域和邻近底切区域250的区域。因此，图6的轴颈220包括保持软状态的非硬化区域258。油孔246周围的软区域258的尺寸在油孔246周围沿径向可以多达2mm至3mm。软区域258导致不期望的疲劳应力和较低的轴承抗咬合性。此外，油孔246的敏感侧的感应硬化也存在其它挑战，诸如难以防止油孔246的截面区域过热。这种过热引起损伤，进而影响疲劳强度。调整感应硬化工艺以减轻过热将进而导致折衷的硬度水平或软点258。此外，传统的感应硬化可能影响油孔246的表面区域和/或底切区域250的区域，使得区域246和/或250受热影响并经历不期望的冶金变化。
如图6中可以进一步看到的，当电流在油孔246和/或底切区域250周围流动时，感应硬化导致感应图案变窄或颈缩。在油孔246和底切区域250周围没有铁含量导致更高的电流流动，导致油孔246处和底切区域250周围的图案膨胀。为了避免颈缩，必须调整感应线圈设计和/或电流量，这是因为颈缩呈现出疲劳应力问题。然而，当线圈设计和/或电流减小时，油孔246和底切区域250附近的区域导致较窄的颈缩图案。相比之下，如图5所示，归因于激光硬化的性质、灵活性和精度，激光硬化的轴颈20没有颈缩。
返回参照图4A至图4C，可以看出，图4A中的激光硬化层52具有与图4B和图4C中分别示出的硬化层152和252不同的轮廓形状和尺寸。图4A中的激光硬化层52包括中心区域70和端部区域72。层52具有长度l1，峰部68和68'之间的距离被指定为长度l2。在层52的至少一部分(诸如在轴颈表面34的最顶部)处，l1可等于l2。其结果是，峰部到峰部的接触表面区域不包含任何未硬化部分。或者，在层52的整个深度上，或者在层52的至少50％、60％、70％、80％、90％或更多的深度上，l1可以等于l2。
如上所述，层52可以具有约1mm或更小的深度。中心区域70可以具有深度dc，其可以在整个中心区域70中基本相同或恒定。层52的端部区域72可以具有与中心区域70的深度dc相同或不同的深度de。深度dc可以等于或大于de。端部区域72的深度de取决于端部区域72的形状。端部区域72可以具有大致方形的图案或圆弧形状。可以考虑其他形状。例如，如果端部区域72的形状大致是方形，则深度de可以与深度dc相同或基本相似。因此，在层52的约70％、72％、74％、76％、78％、80％、84％、86％、88％、90％、92％、94％、96％或更大的区域中，层52的深度可以恒定或大致相同。
与层52不同，如上所述，图4B所示的激光硬化层152具有大于1mm的深度(具体地约为1.2mm)。端部区域172不具有大致呈方形的轮廓而是具有三角形形状或圆弧形状。因此，深度de在整个端部区域172中变化，并且与中心区域170的深度dc基本上不相同。中心区域的深度dc大于端部区域的深度de。由于端部区域172的深度变化，所以层152的深度可以在层152的多达约65％的区域中相同。硬化层152的长度l1小于峰部168和168'之间被指定为长度l2的距离，使得软部分或未硬化部分158保留在层152和底切区域150之间。
类似地，感应硬化表面252的轮廓与层52的轮廓不同，这是因为层252通常显示为凹凸不平，诸如突起或峰和中心凹区270。因此，在整个层252中，层252的深度不同。具体地说，归因于感应工艺固有的凹性，中心区域270内侧的深度dc小于中心区域外侧的深度d。另外，端部区域272是圆弧，可以具有三角形形状或同时具有三角形形状和圆弧形状，并且不具有方形图案。在整个端部区域272中，端部区域272的深度de不同。深度de小于深度d，并且可以小于或大于dc。如上所述，在磨削之前，层252的深度可以为约2.5mm至3mm或更大。归因于端部区域272、中心区域270的深度变化以及中心区域270外侧的区域中的不规则性，层252的深度可以仅在层252的多达约55％的区域中基本上相同。层252的长度l1小于峰部268和268'之间被指定为长度l2的距离，使得未硬化部分258保留在层252和底切区域250之间。
轴颈轮廓可以是直的或呈冠状或桶形，因此是非直的。直线度与水平高度均匀/平直的轮廓(未限定桶形)相关。冠状轮廓可以具有相对较大的半径或在径向上限定约1.5μm至3μm的规定桶形水平。桶形与凸形有关。沙漏或凹形是不希望的，因为它可能导致轴颈的孤立的峰值负载。可以添加桶形以容许例如点火负载引起的曲轴偏转或汽缸体隔板偏转，点火负载可以有效地闭合曲柄销，导致主轴颈20的不希望的销负载。无论轮廓形状是直的还是桶形的，均需要轮廓一致。虽然感应硬化工艺必须使用较窄的图案或放弃圆角滚压和矫直方法，但是激光方法可以对较靠近底切50的带35进行硬化，使未硬化区域58减小，并且与感应硬化轮廓相比，后续的轮廓更加均匀。激光方法还允许利用圆角滚压，结果更容易矫直轴并降低磨削余量水平，同时还提供接近100％的硬化后的轴颈区域52，同时增加有效轴承宽度。
图4A至图4C所示的轮廓之间的差异也可以表示为轮廓的变化率。变化率可以定义为μm级的变化与长度之比。由于轮廓的不规则性(诸如中心区域270中的上述峰和凹陷)可能导致轴颈故障，因此消除不规则性和凹陷是目标。更直的轮廓或轮廓变化率较低的轮廓提供更多的接触表面区域，以提供轴承支撑，从而转化成延长的轴颈寿命。感应硬化层252通常具有约(1μm/2-3mm)的变化率。利用本文公开的方法，可以实现(1μm/2mm)或更小的变化率。因此，与感应硬化相比，激光硬化能够更高程度地控制轮廓的直线度和/或轮廓均匀性。
通过Adcole公司制造的Adcole高速曲轴仪测量机器测量曲轴的主轴颈20上的激光热处理表面的变化率和直线度。该机器提供具有亚微米精度的机器人进给的100％曲轴检查并在凸轮轴和曲轴测量中提供公认的标准。结果列于下面的表1中。使用相同的机器获得感应硬化后的曲轴的主轴颈220上的感应硬化表面，其结果参照下面的表2。两个表中的数据的比较表明，通过激光热处理可实现的平均直线度比通过感应工艺可达到的直线度好近50％。
表1：激光硬化后的曲轴的主轴颈激光硬化表面的直线度
表2：感应硬化后的曲轴的主轴颈感应硬化表面的直线度
归因于上述优点，当希望对底切区域50、油孔46或其组合除外的所有轴颈表面进行硬化时，可以使用激光硬化。因此，也可以通过激光硬化来处理需要密封表面硬化的曲轴10。该方法可以同样地应用于凸轮轴12。激光硬化凸轮轴12的表面(诸如主/凸轮轴颈20或凸角30)的优点之一是限制通常可能由于缺乏散热器而具有过热趋势的这些表面的过热。因此，凸轮轴颈20和凸角30的典型的窄硬化图案可以被加宽到凸轮轴颈表面或凸角表面的约80％、90％或100％，同时防止所述表面的冶金损伤。
在一个或更多个实施例中，该方法可以包括在轴32被激光硬化之后的额外制造步骤。在至少一个实施例中，该方法可以包括抛光。抛光可以包括对激光硬化轴32的金属表面进行抛光的任何常规方式。该方法可以包括去除一定量的材料余量。
另外，上述方法提供了一致的接近100％的硬化轴颈表面区域，同时确保不侵入底切疲劳区域50，否则会造成可靠性风险。该方法还提供了优于感应硬化的切线圆角设计的额外优点。上述的激光工艺使用圆角滚压，其能够在磨削之前使轴32矫直，从而可减少磨削余量。因此，利用激光技术和圆角滚压提供近100％的被硬化的轴颈表面和轧辊矫直。另一方面，为了通过感应硬化实现最大可实现的硬化图案，归因于更大的变形，必须增加额外的磨削余量。另外，具有底切的感应硬化轴颈与圆角滚压结合可能导致曲轴失效(例如有裂纹的曲轴)和降低圆角滚压工具寿命。
虽然以上描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了本公开的所有可能的形式。更确切地，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且可以理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。此外，各个实施的实施例的特征可以组合以形成本公开进一步的实施例。

Claims (11)

1.一种车辆轴，包括：
轴颈，具有由车辆轴的底切区域限定并位于所述底切区域之间的峰部到峰部的接触表面区域，所述峰部到峰部的接触表面区域的整体被激光硬化至不大于1mm的深度，以形成不包含未硬化部分的层。
2.根据权利要求1所述的车辆轴，其中，所述车辆轴是曲轴或凸轮轴。
3.根据权利要求1所述的车辆轴，其中，所述轴颈是主轴颈。
4.根据权利要求1所述的车辆轴，其中，所述峰部到峰部的接触表面区域的整体被激光硬化至不大于约0.5mm的深度。
5.根据权利要求1所述的车辆轴，其中，所述层的70％以上具有恒定的深度。
6.根据权利要求1所述的车辆轴，其中，所述峰部到峰部的接触表面区域的一部分围绕油孔。
7.一种曲轴，包括：
主轴颈和销轴颈，经由底切区域连接到配重，其中，所述主轴颈和销轴颈中的一个具有表面区域，所述表面区域在由底切区域中的两个形成的峰部之间延伸并终止于所述峰部以限定周向带，其中，所述带的整个区域被激光硬化以形成达到不大于约1mm的深度并且不包含未硬化部分的层。
8.根据权利要求7所述的曲轴，其中，所述带的一部分围绕具有未硬化表面区域的油孔。
9.根据权利要求7所述的曲轴，其中，所述主轴颈和销轴颈中的一个是主轴颈。
10.根据权利要求7所述的曲轴，其中，所述层达到不大于约0.5mm的深度。
11.一种车辆系统，包括：
曲轴，包括经由底切区域连接到配重的多个轴颈，其中，所述多个轴颈中的至少一个具有被激光硬化的峰部到峰部的接触表面区域，所述峰部到峰部的接触表面区域由底切区域限定并延伸到一定深度以形成具有一定轮廓的层，所述轮廓具有约(1μm/2mm)的变化率。
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