CN107557564B - 一种提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置与方法，包括激光冲击强化系统与PLC控制系统，涉及激光加工处理领域。所述气缸套固定在旋转工作台上，所述旋转工作台可以通过所述PLC控制系统控制其转动速度；所述喷水装置用于激光冲击强化气缸套时提供流水作为约束层；所述PLC控制系统可以同时控制所述第一步进电机、2进行同时运动，带动激光冲击光斑上下运动，达到冲击强化的目的。本发明协同性高，操作便捷，通过多次激光冲击在涂有硅酸乙酯黑漆作为吸收层的气缸套外壁上，诱导等离子体爆炸产生冲击波作用在所述气缸套外壁，可以产生明显的残余压应力，细化晶粒，能够显著提升所述气缸套的抗穴蚀能力，延长其使用寿命。

Description

一种提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置与方法

技术领域

本发明属于激光加工处理技术领域，特指一种提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置与方法。

背景技术

气缸套镶在缸体的缸筒内,与活塞和缸盖共同组成燃烧室，背面和冷却水接触的气缸套是湿缸套。湿缸套直接接触冷却水,所以有利于发动机的冷却,有利于发动机的小型轻量化。对于湿式缸套,当活塞在气缸孔内作往复运动时,不断冲击气缸壁,导致缸套产生振动和振颤。这种振动和振颤的结果,就会使吸咐在缸套外表面上流动速度相对较慢的这一层冷却液产生高温,且快速形成气泡。气泡在物理学里的两个特点一是绝热二是在前扑后继的爆破中产生强烈的腐蚀作用,这种现象长期存在就产生了穴蚀。也就是说,湿式缸套产生穴蚀现象是结构性的,会降低缸套的使用寿命。

穴蚀是金属腐蚀中常见的一种腐蚀方式,通常发生在零件与液体接触并有相对运动的条件下,一旦接触处的压力低于液体的饱和蒸气压力时就会在接触处产生气泡,溶解在液体中的气体在一定的条件下也可能析出,当气泡处在高压区,其外部压力超过气泡内压力时,气泡就会在破裂的瞬间产生很大的冲击力和高温,如果气泡从形成到破裂反复进行,就会使零件表面的材料疲劳而逐渐脱落形成麻点,随之扩展为泡沫海绵状孔穴群。气缸套为壁厚一的圆筒,顶部有凸缘,外壁直接与冷却水接触,即由气缸套外壁与机体的气缸孔壁共同构成冷却水腔,湿式气缸套因为冷却效果良好而在发动机上被广泛应用上就经常发生穴蚀现象。

为了改善气缸套的穴蚀问题,主要采用以下两种方法：第一种是通过热处理的方式,提高气缸套的表面硬度。这种方法虽然可以在一定程度上提高表面硬度,对于防止穴蚀有一定作用,但是提升效果不高,而且制造费用较高。第二种方法是制造气缸套时所选用的材料内层为耐磨的合金铸铁,而外层采用抗腐蚀性好的合金铸铁。这种方法同样有利于防止穴蚀,但这种方案会使制造工艺复杂化,增加了气缸套的生产成本。而现有技术中湿式气缸套发生穴蚀最严重的部位为其顶部凸缘和外壁之间的圆角过渡段,而该部分的穴蚀对湿式气缸套的影响最大。

因此,采用何种方法能够提高湿式气缸套的抗穴蚀能力,以进一步降低湿式气缸套的穴蚀现象,成为目前本技术领域人员函待解决的问题。

激光冲击强化技术是一种新型的材料表面强化技术,利用激光束与涂覆在工件表面的吸收层相互作用产生高压冲击波作用于工件,使工件表面材料发生塑性变形,从而使表面材料的组织致密化,细化晶粒，甚至形成纳米晶，并形成具有一定深度的残余应力层,残余应力层能有效地消除材料内部应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展,能显著提高金属零件的疲劳寿命和耐腐蚀性能。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，能够达到1mm左右，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强化的方法来提高湿式气缸套的抗穴蚀能力是可行的。

发明内容

本发明目的在于提供一种提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置与方法，用来提高湿式气缸套的使用寿命。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：一种提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置，包括激光发生器，扩束镜位于所述激光发生器的正右方，用来将入射高能激光扩展为激光束；所述导光分光系统将激光束的一部分光束反射到第一集成箱中，所述导光分光系统将激光束的另一部分光束透射到第二全反镜后反射回第二集成箱中，所述第一集成箱内设置有第一全反镜与第一聚焦透镜，所述第二集成箱内设置有第三全反镜与第二聚焦透镜，气缸套位于所述第一集成箱和所述第二集成箱之间，所述气缸套固定安装在旋转工作台上，所述第一集成箱通过第一滚珠丝杠机构与第一步进电机连接，所述第二集成箱通过第二滚珠丝杠机构与第二步进电机连接。

上述方案中，所述激光发生器、所述旋转工作台、所述第一步进电机和所述第二步进电机均与PLC控制系统连接。

上述方案中，所述第一滚珠丝杠机构与所述第一步进电机之间通过第一联轴器连接，所述第二滚珠丝杠机构与所述第二步进电机之间通过第二联轴器连接。

上述方案中，所述气缸套的上方设有喷水装置。

本发明还提供了一种提高湿式气缸套抗穴蚀能力的方法，包含以下步骤：A.对气缸套外壁进行清洁处理，去除表面污垢与毛刺；B.涂抹激光能量吸收层，调节好激光器各项参数；C.待激光能量吸收层固化之后，打开喷水装置，以流水作为激光冲击强化的约束层；D.通过PLC控制系统控制第一步进电机和第二步进电机同时运动，带动第一集成箱和第二集成箱运动到最上方，当激光光斑刚好对准气缸套外壁最上方时，开始冲击强化；E.通过PLC控制系统控制第一步进电机和第二步进电机同时运动，使激光从气缸套外壁最上方沿竖直方向往下冲击，运动速度为1mm/s，通过程序控制保持光斑搭接率为50％，当光斑冲击到气缸套外壁最下方时，通过PLC控制系统控制旋转工作台顺时针旋转2°，从下往上进行冲击，依次往复，直到旋转工作台顺时针旋转180°之后，一次冲击强化过程结束。F.关闭激光发生系统，关闭喷水装置，清除气缸套外壁上的激光能量吸收层，重新涂敷。重复以上步骤，进行第二次冲击强化；G.重复上述步骤，进行第三次激光冲击强化；H.冲击完成之后，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。I.完成上述步骤后，对气缸套进行清洁处理，涂抹防护油，整个过程结束。

上述方案中，所述激光能量吸收层为硅酸乙酯黑漆。

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5J，搭接率为50％，光斑直径为2mm，重复频率为1Hz。

本发明的有益效果：本发明协同性高，操作便捷，通过多次激光冲击在涂有激光吸收层的气缸套外壁上，诱导等离子体爆炸产生冲击波作用在所述气缸套外壁，可以产生明显的残余压应力，细化晶粒，能够显著提升所述气缸套的抗穴蚀能力，延长其使用寿命。

附图说明

图1是本发明装置的结构原理图。

图2为气缸套放大图。

图3为冲击路径示意图。

图中：1.数据连接线；2.PLC控制系统；3.激光发生系统；4.扩束镜；5.导光分光系统；6.第一集成箱；7.第一全反镜；8.第一聚焦透镜；9.第一滚珠丝杠机构；10.第一联轴器；11.第一步进电机；12.第二全反镜；13.激光束；14.喷水装置；15.气缸套；16.第二集成箱；17.第三全反镜；18.第二聚焦透镜；19.第二滚珠丝杠机构；20.第二联轴器；21.第二步进电机；22.旋转工作台。

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。

一种提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置，如图1和图2所示，包括：数据连接线1；PLC控制系统2；激光发生系统3；扩束镜4；导光分光系统5；第一集成箱6；第一全反镜7；第一聚焦透镜8；第一滚珠丝杠机构9；第一联轴器10；第一步进电机11；第二全反镜12；激光束13；喷水装置14；气缸套15；第二集成箱16；第三全反镜17；第二聚焦透镜18；第二滚珠丝杠机构19；第二联轴器20；第二步进电机21；旋转工作台22。所述扩束镜4位于所述激光发生器3的正右方，用来将入射高能激光扩展为激光束13；所述导光分光系统5将激光束13的一部分光束反射到第一集成箱6中，所述导光分光系统5将激光束13的另一部分光束透射到第二全反镜12后反射回第二集成箱16中，所述第一集成箱6内设置有第一全反镜7与第一聚焦透镜8，所述第二集成箱16内设置有第三全反镜17与第二聚焦透镜18，气缸套15位于所述第一集成箱6和所述第二集成箱16之间，所述气缸套15固定安装在旋转工作台22上，所述第一集成箱6通过第一滚珠丝杠机构9与第一步进电机11连接，所述第二集成箱16通过第二滚珠丝杠机构19与第二步进电机21连接。所述激光发生器3、所述旋转工作台22、所述第一步进电机11和所述第二步进电机21均与PLC控制系统2连接。优选的，所述第一滚珠丝杠机构9与所述第一步进电机11之间通过第一联轴器10连接，所述第二滚珠丝杠机构19与所述第二步进电机21之间通过第二联轴器20连接。所述气缸套15的上方设有喷水装置14。

利用该新型提高湿式气缸套抗穴蚀能力装置进行激光冲击强化处理的方法如下：A.对气缸套15外壁进行清洁处理，去除表面污垢与毛刺。B.涂抹激光能量吸收层，吸收层采用硅酸乙酯黑漆。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5J，搭接率为50％，光斑直径为2mm，重复频率为1Hz。C.待硅酸乙酯黑漆干了之后，打开喷水装置14，以流水作为激光冲击强化的约束层。D.通过PLC控制系统2控制第一步进电机11和第二步进电机21同时运动，带动第一集成箱6和第二集成箱16运动到最上方，当激光光斑刚好对准气缸套15外壁最上方时，开始冲击强化。

E.通过PLC控制系统2控制第一步进电机11和第二步进电机21同时运动同时运动(如图2所示)，使激光从气缸套15外壁最上方沿竖直方向往下冲击，运动速速为1mm/s，通过程序控制保持光斑搭接率为50％，当光斑冲击到气缸套15外壁最下方时，通过PLC控制系统2控制旋转工作台22顺时针旋转2°，从下往上进行冲击，依次往复，直到旋转工作台22顺时针旋转180°之后，一次冲击强化过程结束。

F.关闭激光发生系统3，关闭喷水装置14，清除气缸套15外壁上的硅酸乙酯黑漆，重新涂敷。重复以上步骤，进行第二次冲击强化。

G.重复上述步骤，进行第三次激光冲击强化。

H.冲击完成之后，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。

I.完成上述步骤后，对气缸套15进行清洁处理，涂抹防护油，整个过程结束。

Claims (7)

1.一种提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置，其特征在于：包括激光发生器（3），扩束镜（4）位于所述激光发生器（3）的正右方，用来将入射高能激光扩展为激光束（13）；导光分光系统（5）将激光束（13）的一部分光束反射到第一集成箱（6）中，所述导光分光系统（5）将激光束（13）的另一部分光束透射到第二全反镜（12）后反射回第二集成箱（16）中，所述第一集成箱（6）内设置有第一全反镜（7）与第一聚焦透镜（8），所述第二集成箱（16）内设置有第三全反镜（17）与第二聚焦透镜（18），气缸套（15）位于所述第一集成箱（6）和所述第二集成箱（16）之间，所述气缸套（15）固定安装在旋转工作台（22）上，所述第一集成箱（6）通过第一滚珠丝杠机构（9）与第一步进电机（11）连接，所述第二集成箱（16）通过第二滚珠丝杠机构（19）与第二步进电机（21）连接。

2.根据权利要求1所述的一种提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置，其特征在于：所述激光发生器（3）、所述旋转工作台（22）、所述第一步进电机（11）和所述第二步进电机（21）均与PLC控制系统（2）连接。

3.根据权利要求2所述的一种提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置，其特征在于：所述第一滚珠丝杠机构（9）与所述第一步进电机（11）之间通过第一联轴器（10）连接，所述第二滚珠丝杠机构（19）与所述第二步进电机（21）之间通过第二联轴器（20）连接。

4.根据权利要求3所述的一种提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置，其特征在于：所述气缸套（15）的上方设有喷水装置（14）。

5.一种利用权利要求1所述的提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置进行提高湿式气缸套抗穴蚀能力的方法，包含以下步骤：

A.对气缸套（15）外壁进行清洁处理，去除表面污垢与毛刺；

B.涂抹激光能量吸收层，调节好激光器各项参数；

C.待激光能量吸收层固化之后，打开喷水装置（14），以流水作为激光冲击强化的约束层；

D.通过PLC控制系统（2）控制第一步进电机（11）和第二步进电机（21）同时运动，带动第一集成箱（6）和第二集成箱（16）运动到最上方，当激光光斑刚好对准气缸套（15）外壁最上方时，开始冲击强化；

E.通过PLC控制系统（2）控制第一步进电机（11）和第二步进电机（21）同时运动，使激光从气缸套（15）外壁最上方沿竖直方向往下冲击，运动速度为1mm/s，通过程序控制保持光斑搭接率为50%，当光斑冲击到气缸套（15）外壁最下方时，通过PLC控制系统（2）控制旋转工作台（22）顺时针旋转2°，从下往上进行冲击，依次往复，直到旋转工作台（22）顺时针旋转180°之后，一次冲击强化过程结束；

F.关闭激光发生系统（3），关闭喷水装置（14），清除气缸套（15）外壁上的激光能量吸收层，重新涂敷；

重复以上步骤，进行第二次冲击强化；

G.重复上述步骤，进行第三次激光冲击强化；

H.冲击完成之后，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；

I.完成上述步骤后，对气缸套（15）进行清洁处理，涂抹防护油，整个过程结束。

6.根据权利要求5所述的一种利用权利要求1所述的提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置进行提高湿式气缸套抗穴蚀能力的方法，其特征在于，所述激光能量吸收层为硅酸乙酯黑漆。

7.根据根据权利要求5所述的一种利用权利要求1所述的提高湿式气缸套抗穴蚀能力的装置进行提高湿式气缸套抗穴蚀能力的方法，其特征在于，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5J，搭接率为50%，光斑直径为2mm，重复频率为1Hz。