CN107675171A - 一种激光修复曲轴连杆轴颈的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光熔覆技术领域，公开了一种激光修复曲轴连杆轴颈的方法，其利用一种激光修复曲轴连杆轴颈的装置，采用激光头绕曲轴的连杆轴颈做跟随运动，激光头通过激光头驱动机构实现在X轴、Y轴和Z轴的三轴联动，曲轴驱动机构使曲轴在YZ平面内转动，激光头与曲轴连杆轴颈表面之间的径向距离保持不变，且激光头相对于所述曲轴的扫描线速度和轴向进给速度保持一定，激光头相对于曲轴连杆轴颈的表面做路径为螺旋线的运动。本发明的一种激光修复曲轴连杆轴颈的方法的主要优点为：只需采用简单的装夹设备即可完成曲轴连杆轴颈的修复加工，节省设备成本，曲轴的连杆轴颈的表面获得成分均匀且没有缺陷的熔覆层，实现曲轴连杆轴颈的激光熔覆与表面强化。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，特别是涉及一种激光修复曲轴连杆轴颈的方法。
背景技术
作为机械传动最重要部件之一的曲轴，由于在工作过程中经常需要承受很大的弯曲与扭转应力，使得其连杆轴颈极易产生磨损和疲劳断裂，且破坏的形式主要起源于表面，因此曲轴的表面强化与修复就显得尤为重要。
对曲轴的表面进行强化和修复的方法主要包括：中高频感应淬火、渗氮处理、氮碳共渗、喷丸强化、热喷涂强化和激光强化与熔覆等，然而前五种方法存在主要的确定：虽然能提高耐磨性，但涂层与曲轴结合强度不好，而且由于局部应力集中容易产生裂纹甚至导致涂层剥落，在一定程度上降低了其应用效果。
目前，对曲轴的表面处理大部分采用激光熔覆工艺，由于能量密度高等特点，可以消除熔覆层内的缺陷，且界面结合强度高，但现有的曲轴激光熔覆与表面强化方法也有其致命的缺陷：需要借用曲轴车床或曲轴磨床装夹曲轴，或者制作专用偏心工装夹具，不仅需要投入较大的设备成本，而且曲轴机床的操作需要专业技工，曲轴的装夹质量直接影响修复的曲轴表面熔覆层不均匀进而影响曲轴的强度和寿命。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，借助结构简单的装夹设备，提供一种激光修复曲轴连杆轴颈的方法，节省设备投入成本，使得曲轴装夹简单、快速，普通工人均可胜任，使用其方法修复的曲轴表面熔覆层均匀一致进而增加曲轴的强度和使用寿命。
为了实现上述目的，本发明提供一种激光修复曲轴连杆轴颈的方法，其利用激光修复曲轴连杆轴颈的装置，所述激光修复曲轴连杆轴颈的装置包括：激光熔覆装置和驱动机构，所述激光熔覆装置包括：激光发生器、与所述激光发生器电性连接的激光头、与所述激光头配合使用的送粉器，所述驱动机构包括：激光头驱动机构和曲轴驱动机构，所述激光驱动机构能够驱动所述激光头和所述送粉器在X轴、Y轴、Z轴上的三轴联动，所述曲轴驱动机构包括相对设置的床头箱和尾座，曲轴的两端分别装夹于所述床头箱和尾座且能够在YZ平面内转动，所述驱动机构还包括数控模块，所述激光头驱动机构和所述曲轴驱动机构均电性连接于数控模块，
此激光修复曲轴连杆轴颈的方法包括以下步骤：
S1：将曲轴的一端装夹于所述卡盘内，另一端设于所述曲轴支架中；
S2：操作数控模块开启所述曲轴驱动机构，带动所述曲轴在YZ平面内转动；
S3：操作数控模块开启所述激光头驱动机构，带动所述激光头运动，所述激光头与所述曲轴的连杆轴颈保持恒定的径向距离；
S4：开启送粉器；
S5：开启所述激光发生器使激光头发出的激光束和所述送粉器的送粉路径相交于曲轴的连杆轴颈表面，所述激光束保持射于曲轴的连杆轴颈的表面上的最顶端位置，且所述激光束射于所述曲轴的连杆轴颈表面的激光光斑相对于所述曲轴的连杆轴颈表面的扫描线速度和轴向进给速度保持恒定。
作为优选方案，所述激光头发出的激光束射于所述曲轴的连杆轴颈的激光光斑相对于所述曲轴的连杆轴颈表面的扫描线速度为200㎜/min-450㎜/min，所述激光头和所述送粉器相对于所述曲轴的轴向进给速度为2㎜/r-10㎜/r。
作为优选方案，所述激光头发出的激光束射于所述曲轴的连杆轴颈的激光光斑相对于所述曲轴的连杆轴颈表面的扫描线速度为350㎜/min，所述激光头和所述送粉器相对于所述曲轴的轴向进给速度为5㎜/r。
作为优选方案，所述激光发生器的激光功率：0.8KW-5KW，离焦量：30㎜-80㎜。
作为优选方案，所述激光发生器的激光功率：2KW，离焦量：50㎜。
作为优选方案，所述送粉器采用送粉路径与所述激光束同轴的送粉方式。
作为优选方案，所述送粉器的送粉率为5g/min-10g/min。
作为优选方案，所述送粉器的送粉率为6.5g/min。
本发明提供一种激光修复曲轴连杆轴颈的方法，其利用一种激光修复曲轴连杆轴颈的装置，曲轴在曲轴驱动机构的驱动下转动，激光头绕曲轴的连杆轴颈做跟随运动，激光头与曲轴连杆轴颈的表面之间的径向距离保持不变，且激光头相对于所述曲轴的扫描线速度和轴向进给速度保持一定，经此方法修复的曲轴表面熔覆层保持均匀一致进而提高曲轴的强度和使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例中一种激光修复曲轴连杆轴颈的装置的结构示意图；
图2是激光修复曲轴连杆轴颈的过程中各部件的运行轨迹示意图；
图中，10、激光熔覆装置；11、激光发生器；12、激光头；13、送粉器；20、驱动机构；21、激光头驱动机构；211、工作台；212、立柱；213、悬臂；214、激光头装夹部；22、曲轴驱动机构；221、床头箱；222、尾座；223、电机；224、卡盘；225、曲轴支架；23、数控模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明优选实施例的一种激光修复曲轴连杆轴颈的方法，其利用一种激光修复曲轴连杆轴颈的装置，所述激光修复曲轴连杆轴颈的装置参照图1所示，其包括：激光熔覆装置10和驱动机构20，所述激光熔覆装置10包括：激光发生器11、与所述激光发生器11电性连接的激光头12、与所述激光12头配合使用的送粉器13，所述驱动机构20包括：激光头驱动机构21和曲轴驱动机构22，所述激光驱动机构21能够驱动所述激光头12和所述送粉器13在X轴、Y轴、Z轴上的三轴联动，所述曲轴驱动机构22包括相对设置的床头箱221和尾座222，曲轴的两端分别装夹于所述床头箱221和尾座222且能够在YZ平面内转动，所述驱动机构20还包括数控模块23，所述激光头驱动机构21和所述曲轴驱动机构22均电性连接于数控模块23；
所述激光修复曲轴连杆轴颈的方法包括一下步骤：
S1：将曲轴的一端装夹于所述卡盘224内，另一端设于所述曲轴支架225中；
S2：操作数控模块23开启所述曲轴驱动机构22，带动所述曲轴在YZ平面内转动；
S3：操作数控模块23开启所述激光头驱动机构21，带动所述激光头12运动，所述激光头12与所述曲轴的连杆轴颈保持恒定的径向距离；
S4：开启送粉器13；
S5：开启所述激光发生器11使激光头12发出的激光束和所述送粉器13的送粉路径相交于曲轴的连杆轴颈表面，所述激光束保持射于曲轴的连杆轴颈的表面上的最顶端位置，且所述激光束射于所述曲轴的连杆轴颈表面的激光光斑相对于所述曲轴的连杆轴颈表面的扫描线速度和轴向进给速度保持恒定。
修复前，先将曲轴装夹于所述床头箱221和所述尾座222之间，校准好装夹位置，其调整简单、快速，利用此方法修复曲轴的连杆轴颈过程中，激光头12绕曲轴的连杆轴颈做跟随运动，激光头12与曲轴连杆轴颈的表面之间的径向距离保持不变，且激光头12相对于所述曲轴连杆轴颈的表面的扫描线速度和轴向进给速度保持一定，激光头12相对于曲轴的连杆轴颈的表面做路径为螺旋线的运动，通过设定合适的参数能使粉末熔化均匀且充分熔化，进而使曲轴连杆轴颈的表面熔覆层均匀一致。示例性地，所述激光头驱动机构21采用普通的机床，所述曲轴驱动机构22采用通用的床头箱221和尾座222，设备成本低。
示例性地，所述激光头驱动机构21包括工作台211，所述工作台211上开设有X轴方向的第一导轨，所述第一导轨上设有可沿其滑动的立柱212沿其滑动的悬臂213，所述悬臂213上开设有Z轴方向的第三导轨，所述第三导轨上设有可沿其滑动的激光头装夹部214，所述激光头12和所述送粉器13均固定于所述激光头装夹部214；所述床头箱221内设有电机223，电机223的输出轴上固定有卡盘224，所述尾座222上设有曲轴支架225，曲轴的两端分别装夹于所述卡盘224和所述曲轴支架225中能够在YZ平面内转动。
本实施例中，激光修复曲轴连杆轴颈的方法原理参照图2所示，其中：t1为曲轴的运动轨迹，t2为曲轴的连杆轴颈的中心轴的运动轨迹，t3为激光束射于曲轴的连杆轴颈的表面的激光光斑的运动轨迹，1、2和3为曲轴的连杆轴颈运动过程中的三个位置。所述激光束射于激光光斑的运动轨迹的圆心点为Oj，曲轴的连杆轴颈运动轨迹的圆心为O点，当曲轴的连杆轴颈运行到位置3时，此刻曲轴的连杆轴颈的截面圆心为O3，其中J1、J2、J3为激光束运动到不同位置时激光光斑的位置，其始终保持射于曲轴的连杆轴颈的表面的最顶端位置。在激光溶覆的过程中，设曲轴的连杆轴颈的半径为r1＝O1A，激光束射于所述曲轴的连杆轴颈的表面的激光光斑的移动轨迹的半径为r2＝OjA，曲轴的连杆轴颈的运动轨迹的半径为r3＝OA，曲轴的连杆轴颈的中心轴的运动轨迹的半径为r4＝OO1，曲轴的转动角速度为ω；当曲轴的连杆轴颈从A点转动到B点时，激光束从J1点转动到J3点，激光束在连杆轴颈上的加工轨迹为弧BJ3，设弧BJ3＝s；激光束射于曲轴的连杆轴颈的表面的激光光斑的移动轨迹的半径OjA与曲轴的连杆轴颈中心轴的运动轨迹的半径OO1相等，即r2＝r4，且曲轴的连杆轴颈的半径O1A等于曲轴的连杆轴颈的运动轨迹的半径OA与曲轴的连杆轴颈中心轴的运动轨迹的半径OO1之差，即r1＝r3-r4＝r3-r2。由于在相同的时间内，曲轴的主轴颈、曲轴的连杆轴颈和激光束转过的角度是相同的均为ω，即：∠O1OA＝∠O1OjJ3＝∠AO3J3＝∠α，则激光束从J1点转动到J3点时激光束在连杆轴颈上的加工轨迹为：s＝r1×α＝r1×ω×t，设v为激光束射于曲轴的连杆轴颈表面的激光光斑相对于曲轴的连杆轴颈的表面的扫描线速度，则：由此可知：在待修复的曲轴尺寸一定的前提下，激光束相对于曲轴的连杆轴颈的表面的扫描线速度v只与曲轴的主轴颈转速有关，且曲轴主的转动角速度和激光束的转动角速度相等，因此，保证主轴的转动速度和激光束在YZ平面内的转动角速度速度恒定，就能实现所述激光束射于所述曲轴的连杆轴颈表面的激光光斑相对于所述曲轴的连杆轴颈表面的扫描线速度保持恒定，进而在曲轴的连杆轴颈的表面获得成分均匀且没有缺陷的熔覆层，实现曲轴连杆轴颈的激光熔覆与表面强化。
优选地，所述激光头12发出的激光束射于所述曲轴的连杆轴颈的激光光斑相对于所述曲轴的连杆轴颈表面的扫描线速度为200㎜/min-450㎜/min，所述激光头12和所述送粉器13相对于所述曲轴的轴向进给速度为2㎜/r-10㎜/r，在此扫描速度和轴向进给速度下能充分保证粉末的熔化且加工效率最高。
同样地，当所述激光头12发出的激光束射于所述曲轴的连杆轴颈的激光光斑相对于所述曲轴的连杆轴颈表面的扫描线速度为350㎜/min，所述激光头12和所述送粉器13相对于所述曲轴的轴向进给速度为5㎜/r时，熔覆层质量更佳。
具体地，为了产生合适的激光束用来熔化粉末，所述激光发生器11的工艺参数优选为：激光功率为0.8KW-5KW，离焦量为30㎜-80㎜。
进一步地，为了获得更好的曲轴表面熔覆层，将激光发生器11的工艺参数设定为：激光功率为2KW，离焦量为50㎜。
本实施例中，为了充分熔化粉末，所述送粉器13采用送粉路径与所述激光束同轴的送粉方式。
优选地，为了使粉末充分熔化且使修复的效率最大化，所述送粉器13的送粉率为5g/min-10g/min。
进一步地，所述送粉器13的送粉率优选为6.5g/min。
综上，本发明实施例提供一种激光修复曲轴连杆轴颈的方法，其利用一种激光修复曲轴连杆轴颈的装置，采用激光头12绕曲轴做跟随运动，激光头12通过激光头驱动机构21实现在X轴、Y轴和Z轴的三轴联动，曲轴驱动机构22使曲轴在YZ平面内转动，激光头12与曲轴表面之间的径向距离保持不变，且激光头12相对于所述曲轴的扫描线速度和轴向进给速度保持一定，激光头12相对于曲轴的连杆轴颈的表面做路径为螺旋线的运动。本发明的一种激光修复曲轴连杆轴颈的方法的主要优点为：曲轴的连杆轴颈的表面获得成分均匀且没有缺陷的熔覆层，实现曲轴连杆轴颈的激光熔覆与表面强化，且设备成本低、操作简单。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种激光修复曲轴连杆轴颈的方法，其利用激光修复曲轴连杆轴颈的装置，所述激光修复曲轴连杆轴颈的装置包括：激光熔覆装置(10)和驱动机构(20)，所述激光熔覆装置(10)包括：激光发生器(11)、与所述激光发生器(11)电性连接的激光头(12)、与所述激光头(12)配合使用的送粉器(13)，所述驱动机构(20)包括：激光头驱动机构(21)和曲轴驱动机构(22)，所述激光驱动机构(21)能够驱动所述激光头(12)和所述送粉器(13)在X轴、Y轴、Z轴上三轴联动，所述曲轴驱动机构(22)包括相对设置的床头箱(221)和尾座(222)，曲轴的两端分别装夹于所述床头箱(221)和尾座(222)且能够在YZ平面内转动，所述驱动机构还包括数控模块(23)，所述激光头驱动机构(21)和所述曲轴驱动机构(22)均电性连接于所述数控模块(23)，
其特征在于，包括以下步骤：
S1：将曲轴的一端装夹于所述卡盘(224)内，另一端设于所述曲轴支架(225)中；
S2：操作数控模块(23)开启所述曲轴驱动机构(22)，带动所述曲轴在YZ平面内转动；
S3：操作数控模块(23)开启所述激光头驱动机构(21)，带动所述激光头(12)运动，所述激光头(12)与所述曲轴的连杆轴颈保持恒定的径向距离；
S4：开启送粉器(13)；
S5：开启所述激光发生器(11)使激光头(12)发出的激光束和所述送粉器(13)的送粉路径相交于曲轴的连杆轴颈表面，所述激光束保持射于曲轴的连杆轴颈的表面上的最顶端位置，且所述激光束射于所述曲轴的连杆轴颈表面的激光光斑相对于所述曲轴的连杆轴颈表面的扫描线速度和轴向进给速度保持恒定。
2.如权利要求1所述的激光修复曲轴连杆轴颈的方法，其特征在于，所述激光头(12)发出的激光束射于所述曲轴的连杆轴颈的激光光斑相对于所述曲轴的连杆轴颈表面的扫描线速度为200㎜/min-450㎜/min，所述激光头(12)和所述送粉器(13)相对于所述曲轴的轴向进给速度为2㎜/r-10㎜/r。
3.如权利要求2所述的激光修复曲轴连杆轴颈的方法，其特征在于，所述激光头(12)发出的激光束射于所述曲轴的连杆轴颈的激光光斑相对于所述曲轴的连杆轴颈表面的扫描线速度为350㎜/min，所述激光头(12)和所述送粉器(13)相对于所述曲轴的轴向进给速度为5㎜/r。
4.如权利要求2所述的激光修复曲轴连杆轴颈的方法，其特征在于，所述激光发生器(11)的激光功率：0.8KW-5KW，离焦量：30㎜-80㎜。
5.如权利要求4所述的激光修复曲轴连杆轴颈的方法，其特征在于，所述激光发生器(11)的激光功率：2KW，离焦量：50㎜。
6.如权利要求4所述的激光修复曲轴连杆轴颈的方法，其特征在于，所述送粉器(13)采用送粉路径与所述激光束同轴的送粉方式。
7.如权利要求6所述的激光修复曲轴连杆轴颈的方法，其特征在于，所述送粉器(13)的送粉率为5g/min-10g/min。
8.如权利要求7所述的激光修复曲轴连杆轴颈的方法，其特征在于，所述送粉器(13)的送粉率为6.5g/min。
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