CN112222423A - 一种凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法 - Google Patents

一种凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，包括如下步骤：S1：准备已加工完毕的凸轮轴和过程相应用具；S2：打印过程中使用经检验合格的原丝和保护气体，选定相匹配的成形参数准备打印；S3：凸轮轴的凸轮耐磨层打印采用卧式打印，打印前先将凸轮轴圆形台阶部分装夹在增材设备工作台的卡盘上，并进行校圆找正后进行打印；S4：打印成形后进行整体去应力处理。本发明通过增材制造的方式，在凸轮轴工作表面打印一圈耐磨层，利用增材制造的方式可对耐磨层厚度进行任意调整，能有效地解决传统工艺渗碳层深度不均匀和渗碳层较薄的问题。利用增材制造的方式既能保证凸轮轴表面高耐磨性，又保留了凸轮轴芯部的高强度和韧性。

Description

一种凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，属于凸轮轴制造领域。
背景技术
目前在机械制造行业中，对于柴油机凸轮轴而言，要求其表面具有较好的耐磨性，抗疲劳强度高，而芯部又要求有较高强度和韧性，目的是在300℃大扭矩载荷的工况下充分保障凸轮轴的使用寿命。
凸轮轴增加耐磨性，传统的处理方法是对凸轮轴进行渗碳，然后进行淬火和低温回火。但采用此工艺也存在一定的弊端，例如渗碳层深度不均匀，并且用渗碳工艺处理的渗碳层深度比较浅，一般为1～2mm，随着使用时间的推移，耐磨层很快就会被磨损掉，继而缩短凸轮轴使用寿命；另外渗透处理时长时间高温可能对芯部材料造成性能不均匀(厚度效应)，难确保大扭矩(中低速)柴油机凸轮轴芯部的使用性能。
发明内容
有鉴于此，针对现有技术中处理的凸轮轴因渗碳层深度不均匀且深度浅导致的寿命短的问题和大扭矩柴油机凸轮轴芯部的使用性能得不到保证的问题，本发明提出一种凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，通过增材制造的方式，在凸轮轴工作表面打印一圈耐磨层，利用增材制造的方式可对耐磨层厚度进行任意调整，能有效地解决传统工艺渗碳层深度不均匀和渗碳层较薄的问题。利用增材制造的方式既能保证凸轮轴表面高耐磨性，又保留了凸轮轴芯部的高强度和韧性。
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，包括如下步骤：
S1、准备已加工完毕的凸轮轴和过程相应用具；
S2、打印过程中使用经检验合格的耐磨层打印用的Cr-Si型耐磨合金原丝和保护气体(80％Ar+20％CO2)，选定相匹配的成形参数：
Figure BDA0002712486800000021
S3、在增材设备上根据进气凸轮和排气凸轮的成形路径设定成形轨迹参数；
凸轮轴凸轮耐磨层打印采用卧式打印，打印前先将凸轮轴圆形台阶部分装夹在增材设备工作台的卡盘上，并进行校圆找正方可进行打印，校圆找正步骤如下：
将百分表安装在增材设备Z轴上，然后将百分表触头靠近凸轮轴两凸轮之间的轴颈(或排气凸轮与圆形台阶之间的轴颈)表面，再将触头垂直接触轴颈表面，并观察百分表指针读数，一般读数大于0.2mm即可(没有强制要求)。这样主要是为了让百分表触头始终能接触轴颈表面。
然后手动转动卡盘一圈，观察表盘数值找出最小值和最大值，然后计算出平均值，将此平均值作为判定校圆找正成功的标准值。然后持续转动卡盘，当指针值大于标准值时，则用塑胶锤(不限于塑胶锤，软性物件即可)敲击百分表触头垂直指向的轴颈面；当指针值小于标准值时，则敲击其反面。重复此操作，直至表盘数值保持为标准值，则校圆找正完毕。
打印分为2个阶段，进气凸轮和排气凸轮打印。
按照正常的打印顺序，一般采用逐渐远离卡盘的打印顺序。且如果先打印进气凸轮，由于进气凸轮刚打印完，其表面温度较高，这个时候进行排气凸轮找起始点或者是做一些检测都会因为空间距离的原因，容易蹭到进气凸轮，造成人身伤害。为避免后期出现百分表找点或检查困难问题，打印顺序优先打印排气凸轮，最后打印进气凸轮，打印后直径方向尺寸应比图纸尺寸大0.5-1mm，作为加工余量。
打印排气凸轮耐磨层时，先将百分表安装在增材设备Z轴上。然后转动卡盘，利用百分表找出排气凸轮的最高点。并在增材设备控制面板上将当前卡盘所对应的C轴角度设置为0°，接着按实际凸轮角度再将卡盘顺(逆)时针旋转对应角度，得出排气凸轮型线起始点，并再次在增材设备控制面板上将当前卡盘所对应的C轴角度设置为0°。并将当前点设置为打印起始点开始打印。
(1)开始打印第1道时，先将打印枪头移动至打印起始点(排气凸轮的最右端，如图1方向)，卡盘进行顺(逆)时针转动1圈，第1道打印完成。
(2)打印第N道时，打印枪头在第N-1道的打印起始位置往左偏移2-4mm，并开始第N道的打印。直至整个排气凸轮轮廓表面打印完成。
若打印一层未达到要求值，可重复(1)～(2)步骤打印多层，直至达到尺寸需求。
打印进气凸轮耐磨层时，同样是先将百分表安装在增材设备Z轴上。然后转动卡盘，利用百分表找出排气凸轮的最高点。并在增材设备控制面板上将当前卡盘所对应的C轴角度设置为0°，接着按实际凸轮角度再将卡盘顺(逆)时针旋转对应角度，得出进气凸轮型线起始点，并再次在增材设备控制面板上将当前卡盘所对应的C轴角度设置为0°。并将当前点设置为打印起始点。
进气凸轮耐磨层的打印原理与排气凸轮耐磨层打印原理和步骤相同，按照同样的打印步骤操作即可。
S4、成形后进行整体去应力处理，处理参数为(350-500℃)×1.5h。
S5、根据图纸要求，对凸轮轴的两个凸轮进行磨削加工，为避免磨削产生裂纹，在磨削前及过程中应开启冷却液进行冷却。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明通过增材制造的方式，在凸轮轴工作表面打印一圈耐磨层，利用增材制造的方式可对耐磨层厚度进行任意调整，能有效地解决传统工艺渗碳层深度不均匀和渗碳层较薄的问题。利用增材制造的方式既能保证凸轮轴表面高耐磨性，又保留了凸轮轴芯部的高强度和韧性。
此外，相对于传统的渗碳工艺，利用增材制造打印耐磨层的方式，只需对进气凸轮和排气凸轮进行表面耐磨层打印，其工序更加简单快捷。相对于传统的渗碳工艺，利用增材制造打印耐磨层的方式，其产品质量更有保证。
附图说明
图1为凸轮轴的结构示意图；
图2为排气凸轮的型线起始点与排气凸轮最高点之间的夹角示意图；
图3为进气凸轮的型线起始点与排气凸轮最高点之间的夹角示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有技术中处理的凸轮轴因渗碳层深度不均匀且深度浅导致的寿命短的问题和大扭矩柴油机凸轮轴芯部的使用性能得不到保证的问题，提出一种凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，包括如下步骤：
S1、准备已加工完毕的凸轮轴和过程相应用具；
凸轮轴的结构如图1所示，包括进气凸轮1、排气凸轮2和圆形台阶3。由于考虑到凸轮轴在使用过程中，只有进气凸轮1和排气凸轮2经常进行摩擦工作，属于易损耗部位。因此凸轮轴在制造过程中，进气凸轮1和排气凸轮2的直径方向尺寸要比图纸尺寸小4-5mm，预留包覆耐磨层。
S2、打印过程中使用经检验合格的Cr-Si型耐磨合金原丝(原丝来自市购，直径φ0.8-1.6mm)和保护气体(80％Ar+20％CO2)，选定相匹配的成形参数：
Figure BDA0002712486800000041
S3、在增材设备上根据进气凸轮和排气凸轮的成形路径设定成形轨迹参数；
凸轮轴凸轮耐磨层打印采用卧式打印，打印前先将凸轮轴圆形台阶3这一部分装夹在增材设备工作台的卡盘上，并进行校圆找正方可进行打印，校圆找正步骤如下：
将百分表安装在增材设备Z轴上，然后将百分表触头靠近凸轮轴两凸轮之间的轴颈(或排气凸轮与圆形台阶之间的轴颈)表面，再将触头垂直接触轴颈表面，并观察百分表指针读数，一般读数大于0.2mm即可(没有强制要求)。这样主要是为了让百分表触头始终能接触轴颈表面。
然后手动转动卡盘一圈，观察表盘数值找出最小值和最大值，然后计算出平均值，将此平均值作为判定校圆找正成功的标准值。然后持续转动卡盘，当指针值大于标准值时，则用塑胶锤(不限于塑胶锤，软性物件即可)敲击百分表触头垂直指向的轴颈面；当指针值小于标准值时，则敲击其反面。重复此操作，直至表盘数值保持为标准值，则校圆找正完毕。
打印分为2个阶段，排气凸轮打印和进气凸轮打印。
按照正常的打印顺序，一般采用逐渐远离卡盘的打印顺序。且如果先打印进气凸轮，由于进气凸轮刚打印完，其表面温度较高，这个时候进行排气凸轮找起始点或者是做一些检测都会因为空间距离的原因，容易蹭到进气凸轮，造成人身伤害。为避免后期出现百分表找点或检查困难问题，打印顺序优先打印排气凸轮，最后打印进气凸轮，打印后直径方向尺寸应比图纸尺寸大0.5-1mm，作为加工余量。
打印排气凸轮耐磨层时，先将百分表安装在增材设备Z轴上。然后转动卡盘，利用百分表找出排气凸轮的最高点。并在增材设备控制面板上将当前卡盘所对应的C轴角度设置为0°，接着再将卡盘顺(逆)时针旋转82.5°(如图2所示，按实际凸轮角度可以为其他值)，得出排气凸轮型线起始点，并再次在增材设备控制面板上将当前卡盘所对应的C轴角度设置为0°。并将当前点设置为打印起始点开始打印。
(1)开始打印第1道时，先将打印枪头移动至打印起始点(排气凸轮的最右端，如图1方向)，卡盘进行顺(逆)时针转动1圈，第1道打印完成。
(2)并开始第N道的打印。直至整个排气凸轮轮廓表面打印完成。
若打印一层未达到要求值，可重复(1)～(2)步骤打印多层，直至达到尺寸需求。
打印进气凸轮耐磨层时，同样是先将百分表安装在增材设备Z轴上。然后转动卡盘，利用百分表找出排气凸轮的最高点。并在增材设备控制面板上将当前卡盘所对应的C轴角度设置为0°，接着再将卡盘顺(逆)时针旋转71°(如图3所示，按实际凸轮角度可以为其他值)，得出进气凸轮型线起始点，并再次在增材设备控制面板上将当前卡盘所对应的C轴角度设置为0°。并将当前点设置为打印起始点。
进气凸轮耐磨层的打印原理与排气凸轮耐磨层打印原理和步骤相同，按照同样的打印步骤操作即可。
S4、成形后进行整体去应力处理，处理参数为(350-500℃)×1.5h。
S5、根据图纸要求，对凸轮轴的两个凸轮进行磨削加工，为避免磨削产生裂纹，在磨削前及过程中应开启冷却液进行冷却。
本发明通过增材制造的方式，在凸轮轴工作表面打印一圈耐磨层，利用增材制造的方式可对耐磨层厚度进行任意调整，增材制造能有效地解决传统工艺渗碳层深度不均匀和渗碳层较薄的问题。同时，利用增材制造的方式既能保证凸轮轴表面高耐磨性，又保留了凸轮轴芯部的高强度和韧性。
耐磨层检测：
将Cr-Si型耐磨合金3D打印到金属块上形成耐磨层检测样品，委托华测检测认证集团股份有限公司对耐磨层进行洛氏硬度和元素分析方面的检测，检测报告编号：A220009542910101C。
检测结果：
一、洛氏硬度
1、测试设备
洛氏硬度计，型号R574/T；
2、测试环境
温度：20.5℃，湿度：57％RH；
3、测试标准
GB/T 230.1-2018；
4、测试条件
负载：150kgf，选用C标尺；
5、测试结果：
Figure BDA0002712486800000071
凸轮轴的工作表面硬度要求达到HRC(50-65)，而从测试结果上可以了解到，采用3D打印的方法打印的耐磨层，其HRC满足凸轮轴工作表面的硬度要求。
二、元素分析
1、测试设备
碳硫分析仪：型号CS-206；
火花直读光谱仪(Spark-OES)：型号SPECTROMAXx；
2、测试标准
GB/T 20123-2006,GB/T 4336-2016+A1:2017；
3、测试结果
检测项目 含量(％)
碳(C) 0.566
硫(S) 0.0087
硅(Si) 2.83
锰(Mn) 0.570
磷(P) 0.0090
铬(Cr) 8.73
镍(Ni) 0.0755
铜(Cu) 0.0985
钼(Mo) 0.0160
表明本样品的耐磨层主要为Cr-Si合金层。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：准备已加工完毕的凸轮轴和过程相应用具；
S2：使用经检验合格的耐磨层打印用原丝和保护气体，选定相匹配的成形参数准备打印；
S3：在增材设备上根据进气凸轮和排气凸轮的成形路径设定成形轨迹参数；打印分为2个阶段：排气凸轮耐磨层打印和进气凸轮耐磨层打印；
凸轮轴的凸轮耐磨层打印采用卧式打印，打印前先将凸轮轴圆形台阶部分装夹在增材设备工作台的卡盘上，并进行校圆找正后进行打印；
S4：打印成形后进行整体去应力处理；
S5：根据图纸要求，对凸轮轴的两个凸轮进行磨削加工。
2.根据权利要求1的凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，其特征在于，
所述S1中，加工完毕的凸轮轴的进气凸轮和排气凸轮的直径方向尺寸要比图纸要求的尺寸小4-5mm，预留包覆耐磨层。
3.根据权利要求1的凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，其特征在于，
所述S2中，成形参数为：
Figure FDA0002712486790000011
4.根据权利要求1的凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，其特征在于，
所述S2中，耐磨层打印用原丝为Cr-Si型耐磨合金原丝，直径φ0.8-1.6mm；保护气体的组成为80％Ar+20％CO2。
5.根据权利要求1的凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，其特征在于，
所述S3中，校圆找正步骤如下：
将百分表安装在增材设备Z轴上，然后将百分表触头靠近凸轮轴两凸轮之间的轴颈或排气凸轮与圆形台阶之间的轴颈表面，再将触头垂直接触轴颈表面，并观察百分表指针读数，让百分表触头始终能接触轴颈表面；
然后手动转动卡盘一圈，观察表盘数值找出最小值和最大值，然后计算出平均值，将此平均值作为判定校圆找正成功的标准值；然后持续转动卡盘，当指针值大于标准值时，则用塑胶锤类软性物件敲击百分表触头垂直指向的轴颈面；当指针值小于标准值时，则敲击其反面；重复此操作，直至表盘数值保持为标准值，则校圆找正完毕。
6.根据权利要求1的凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，其特征在于，
所述S3中，打印顺序为优先打印排气凸轮耐磨层，最后打印进气凸轮耐磨层，打印后直径方向尺寸应比图纸尺寸大0.5-1mm，作为加工余量。
7.根据权利要求6的凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，其特征在于，
打印排气凸轮耐磨层时，先将百分表安装在增材设备Z轴上，然后转动卡盘，利用百分表找出排气凸轮的最高点，并在增材设备控制面板上将当前卡盘所对应的C轴角度设置为0°，接着按实际凸轮角度再将卡盘旋转对应角度，得出排气凸轮型线起始点，并再次在增材设备控制面板上将当前卡盘所对应的C轴角度设置为0°，并将当前点设置为打印起始点。
8.根据权利要求6的凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，其特征在于，
打印进气凸轮耐磨层时，先将百分表安装在增材设备Z轴上，然后转动卡盘，利用百分表找出排气凸轮的最高点，并在增材设备控制面板上将当前卡盘所对应的C轴角度设置为0°，接着按实际凸轮角度再将卡盘旋转对应角度，得出进气凸轮型线起始点，并再次在增材设备控制面板上将当前卡盘所对应的C轴角度设置为0°，并将当前点设置为打印起始点。
9.根据权利要求7或8所述的凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，其特征在于，凸轮耐磨层的打印过程如下：
开始打印第1道，先将打印枪头移动至打印起始点，卡盘转动1圈，第1道打印完成；
打印第N道，打印枪头在第N-1道的打印起始位置往左偏移2-4mm，并开始第N道的打印，直至整个排气凸轮轮廓表面打印完成。
10.根据权利要求9所述的凸轮轴表面耐磨层的增材制造方法，其特征在于，
若排气凸轮耐磨层和进气凸轮耐磨层打印一层未达到要求值，可重复上述打印操作打印多层，直至达到尺寸需求。
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