CN112643034A

CN112643034A - 大型凸轮轴的复合增材制备方法

Info

Publication number: CN112643034A
Application number: CN202011482515.1A
Authority: CN
Inventors: 覃恩伟; 陆海峰; 尹嵩; 刘成威; 吴树辉
Original assignee: China General Nuclear Power Corp; CGN Power Co Ltd; Suzhou Nuclear Power Research Institute Co Ltd
Current assignee: China General Nuclear Power Corp; CGN Power Co Ltd; Suzhou Nuclear Power Research Institute Co Ltd
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2040-12-16
Also published as: CN112643034B

Abstract

本发明公开了一种大型凸轮轴的复合增材制备方法，包括如下步骤：先进行轴体的锻造，之后采用激光熔覆工艺在所述轴体上制备凸轮和轴颈；所述凸轮和轴颈的制备同步进行；所述凸轮和轴颈的材质包含铁、铬、碳和硼，所述凸轮和轴颈均依次包括内层、过渡层和表层，由所述内层、过渡层至表层的材质中，所述铬、碳和硼的质量分数逐渐增加。本申请的凸轮轴的制备方法，通过激光熔覆在锻造轴体上复合成形凸轮等特征结构；调控碳、硼等微观元素，获得梯度表层，进而获得整体的“外硬内韧”结构；轴向、径向交替沉积保证高结合强度及低热变形控制。

Description

大型凸轮轴的复合增材制备方法

技术领域

本发明专利属于凸轮轴技术领域，具体涉及一种大型凸轮轴的复合增材制备方法。

背景技术

核电应急柴油机是核电厂安全的最后电源保障，其中凸轮轴是核电应急用柴油发电机中的核心部件之一。凸轮轴在柴油发电机内部高速旋转，最高旋转转速为750rpm。在此转速下，凸轮因为受到来自气阀弹簧和燃烧缸内循环作用力的冲击，凸轮轴的凸轮表面容易产生接触疲劳磨损，凸轮轴的轴颈与轴瓦之间容易产生高温，降低凸轮轴的运行寿命，进而影响柴油发电机的整体稳定和可靠性。凸轮轴宏观上呈细长结构(典型尺寸：长2.4m，直径76mm)，轴上分布着不同相位角的桃形凸轮，通过轮廓线设计以获得阀门开闭的控制；微观结构呈“外硬内韧”的梯度结构，凸轮、轴颈等关键位置的表面高硬度，确保高耐磨、高接触疲劳强度，同时高韧性保证整体的疲劳寿命。

凸轮轴传统制造工序为铸坯－锻造－热处理－精加工－渗碳，工序复杂加工周期长，任一工序出现缺陷难以修复校正，报废率高，进而导致成本高。此外，一般加工中心难以满足超长大型凸轮轴(>1.5m)的一次装卡精加工，因而一般分为两段设计，后续再进行热连接装配，进一步加大了同轴度等加工难度。即传统凸轮轴加工方式是，选择低合金钢以保证易切削等机加工性能，通过凸轮轴模型铸造成毛坯，再通过锻造改善组织均匀性，经过精机加工后，最后以渗碳、淬火等热处理工艺保证1mm深度的高硬度表层。由此可见，传统制造工序繁多、影响凸轮轴性能过程因素多、良品率低、繁琐的热处理过程以及由此带来的应力及外形精度控制难度高。

由于机加工车床尺寸的限制，目前单根凸轮轴加工长度一般小于1.5米，超过该尺寸的凸轮轴，一般以组合方式制造，即通过焊接、热套粘结、楔形连接等方法连接，对同轴度等形位公差要求的保证造成较高难度。

所以，凸轮轴特征是具有凸轮等宏观精细结构及其“外硬内韧”的微观梯度结构，该特征导致目前凸轮轴加工存在两方面问题：(1)加工周期长及超长凸轮轴加工困难；(2)渗碳\渗氮及其后续热处理可保证“外硬内韧”特征，但过程中产生的热应力对超长精细结构的加工精度是一个严峻的挑战。

近年来，随着激光技术迅猛发展，使得采用激光技术化作为增材制造手段成为可能。如专利申请号CN201910984556.1，名称为：一种柴油机凸轮轴的增材成形方法的中国发明专利申请中公开了采用激光技术进行增材制造，但是其需打印支撑工装，受限于真空腔体尺寸，难以制造大型凸轮轴；需同步打印轴体及凸轮，没有公开凸轮轴材料设计及微结构梯度设计的内容。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和达到上述目的，本发明的目的是提供一种凸轮轴的制备方法，其通过激光熔覆以增材制造的方式制备凸轮轴。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种大型凸轮轴的复合增材制备方法，所述凸轮轴包括轴体以及位于所述轴体上的凸轮和轴颈，所述制备方法包括如下步骤：先进行轴体的锻造，之后采用激光熔覆工艺在所述轴体上制备凸轮和轴颈；所述凸轮和轴颈的制备同步进行；所述凸轮和轴颈的材质包含铁、铬、碳和硼，所述凸轮和轴颈均依次包括内层、过渡层和表层，由所述内层、过渡层至表层的材质中，所述铬、碳和硼的质量分数逐渐增加。

本发明的凸轮轴的制备方法基于传统锻造和激光增材制造的复合成型方法，从而可同时获得宏观上凸轮的精细结构及外硬内韧的微观梯度结构，加工周期短，成本低。采用激光熔覆工艺，沉积效率高、速度快，可制造大型凸轮轴；直接在轴体上增材制造凸轮，工作量小，制造周期短、良品率高；从凸轮、轴颈等特征位置的服役性能需求出发，合理设计粉体材料成分，直接增材制造获得梯度微观结构，从而满足凸轮服役需求。

根据本发明的一些优选实施方面，所述激光熔覆时，对应设计的凸轮和轴颈的位置，沿所述轴体的轴向进行多道沉积，再沿所述轴体的径向进行多层沉积，依次形成所述的内层、过渡层和表层。

根据本发明的一些优选实施方面，所述多道沉积时熔覆层之间的搭接率为40％-50％，所述多层沉积时熔覆层之间的搭接率为30％-40％，以保证各层之间以及内层与轴体之间的连接强度。

根据本发明的一些优选实施方面，所述内层的厚度为所述凸轮或轴颈的设计总厚度减去1.5-1.9mm；所述过渡层的厚度为1.0±0.1mm，所述表层的厚度为0.7±0.1mm。

根据本发明的一些优选实施方面，所述过渡层的维氏硬度值HV_0.3为550-720；所述表层的维氏硬度值HV_0.3为720-800。

根据本发明的一些优选实施方面，所述凸轮和轴颈的材质包含18-25％的铬、0.2-2.2％的碳、1.5-5.5％的硼以及余量的铁。

根据本发明的一些优选实施方面，所述内层材质中铬、碳和硼的质量分数范围的上限值与所述过渡层材质中铬、碳和硼的质量分数范围的下限值相同，所述过渡层材质中铬、碳和硼的质量分数范围的上限值与所述表层材质中铬、碳和硼的质量分数范围的下限值相同。

根据本发明的一些优选实施方面，所述内层的材质为18-20％铬、0.2-0.8％碳、1.5-2.2％硼和余量铁；所述过渡层的材质为20-22％铬、0.8-1.5％碳、2.2-3.2％硼和余量铁；所述过渡层的材质为22-25％铬、1.5-2.2％碳、3.2-4.5％硼和余量铁。

根据本发明的一些优选实施方面，所述激光熔覆工艺的参数为：送粉速率为16～18g/min；激光器功率为1-3kW，激光光斑尺寸为4×6mm，喷枪移动速率为400-800mm/min。

根据本发明的一些优选实施方面，制备所述内层时的激光参数为功率2.2-2.7kW、喷枪移动速率350-450mm/min；制备所述过渡层时的激光参数为功率1.8-2.2kW、喷枪移动速率500-650mm/min；制备所述表层时的激光参数为功率1.4-1.8kW、喷枪移动速率600-800mm/min。即内层、过渡层至表层的制备时，激光器功率逐渐减小，喷枪移动速率逐渐加大。

在本发明的一些实施例中，制备所述内层时的激光参数为功率2.5kW、喷枪移动速率400mm/min；制备所述过渡层时的激光参数为功率2.0kW、喷枪移动速率600mm/min；制备所述表层时的激光参数为功率1.6kW、喷枪移动速率800mm/min。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本申请的凸轮轴的制备方法，通过激光熔覆在锻造轴体上复合成形凸轮等特征结构；调控碳、硼等微观元素，获得梯度表层，进而获得整体的“外硬内韧”结构；轴向、径向交替沉积保证高结合强度及低热变形控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例中制备得到的凸轮轴的示意图；

图中，轴体-1，凸轮-2，轴颈-3，内层-41，过渡层-42，表层-43。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例中的凸轮轴的制备方法，主要包括如下步骤：

(1)凸轮轴轴体的锻造及精加工

采用传统锻造工艺，对毛坯钢锭进行热机械加工，形成对称旋转凸轮轴的轴体，满足设计对轴芯的强度、塑性等力学性能要求。

对锻造成型的凸轮轴的轴体进行粗车、精车加工，保证表面光滑干净，符合设计的直径、长度等三维尺寸要求。

(2)凸轮及轴颈成型

采用激光熔覆以增材制造的方式在轴体上制备凸轮和轴颈。凸轮及轴颈为三维块体，因此需要多道、多层激光沉积。从散热及热变形均匀性考虑，凸轮和轴颈同步沉积制备，在对应设计的凸轮和轴颈的位置，沿轴体的轴向进行多道沉积，再沿轴体的径向进行多层沉积，即每层间以轴向、径向交替进行。多道沉积时熔覆层之间的搭接率为45％，多层沉积时熔覆层之间的搭接率为35％。

为了保证轴体与凸轮和轴颈之间的连接强度以及表面的硬度，激光熔覆时，依次形成内层、过渡层和表层。内层的厚度为设计总厚度减去1.5-1.9mm；过渡层的厚度为1.0±0.1mm，表层的厚度为0.7±0.1mm。本实施例中制备得到的过渡层的厚度为1.0mm，表层的厚度为0.7mm。

凸轮和轴颈的材质为铁、铬、碳和硼，凸轮和轴颈均依次包括内层、过渡层和表层，由内层、过渡层至表层的材质中，铬、碳和硼的质量分数逐渐增加。材质中Cr的质量分数在18-25％间以保证各层具有优异的抗蚀性，调控碳0.2-2.2％、硼1.5-5.5％等微观元素的含量，保证涂层的高硬度。激光熔覆采用的原料粉末粒径为50-150μm。

激光熔覆时，激光喷枪固定于机械手，凸轮轴的轴体固定于外部轴，外部轴与机械手联动配合保证凸轮成型。采用轴向送粉，保护气氛为氩气，送粉速率为16～18g/min；激光器功率为1-3kW可调，光斑尺寸为4×6mm，喷枪移动速率400-800mm/min。

本实施例中制备内侧、过渡层和表层的相关参数如下：

2.1)内层

内层的材质为19％铬、0.6％碳、1.8％硼和余量铁。制备内层时的激光参数为功率2.5kW、喷枪移动速率400mm/min。

2.2)过渡层

过渡层的材质为21％铬、1.2％碳、2.8％硼和余量铁。制备过渡层时的激光参数为功率2.0kW、喷枪移动速率600mm/min。

2.3)表层

过渡层的材质为24％铬、1.8％碳、4.0％硼和余量铁。制备表层时的激光参数为功率1.6kW、喷枪移动速率800mm/min。

通过上述材料的选择以及激光参数的匹配，制备得到的过渡层的维氏硬度值HV_0.3为650；表层的维氏硬度值HV_0.3为780；并使得凸轮轴具有整体的“外硬内韧”结构；保证整体的高结合强度及低热变形控制。

(3)凸轮及轴颈精加工及研磨

精加工消除激光熔覆时多道叠加的痕迹，约0.2mm厚度，并研磨表面成镜面状态，约0.05mm厚度。

激光熔覆是一种采用激光束作为热源，将粉体材料熔覆于金属基体之上，并产生冶金结合的增材制造工艺。本发明采用激光熔覆工艺，根据所需表层性能需求，选择合适的合金材料，并形成梯度结构和性能。同时，激光束能量集中，对基体热影响小，热变形小。通过程序控制行走轨迹，易于实现自动化从而形成复杂结构特征工件。

相较于现有技术，本发明具有如下优点：

1、快速成型，工序简单，传统锻造加工的轴体上复合激光熔覆增材制造凸轮及轴颈部位，易于成型大尺寸凸轮轴。前期的锻造过程中，只需获得简单的旋转轴体，其余部位形状尺寸通过后期增材方法实现，因而大大降低锻造难度系数和减少毛坯材料浪费。后续每个凸轮与轴颈部位由一次装卡后的激光熔覆实现，避免传统方式的二次装卡过程中的加工基准定位问题，有利于保证整个大尺寸凸轮轴的同轴度，进而提高运转性能。

2、凸轮轴关键部位实现精准微观组织结构和性能调控。在锻造轴体的整体强度和刚度得以保证的前提下，对凸轮轴的凸轮和轴颈部位通过调控熔覆层微观元素分布及对应的微观结构，从而实现上述部位的耐磨性能要求，而且避免了传统方法的整体热处理工序。针对不同位置深度的熔覆层，调控铁基粉末中碳、硼等微观元素含量，获得梯度表层结构。调节激光参数，制备得到层厚0.5-1.2mm，按照内层－次表层－表层设计，加工余量0.5mm，保证获得硬化层深度1.2mm。

3、借助熔覆过程中的轴向、径向路径优化，轴向、径向交替熔覆沉积，保证熔覆层与轴体、以及熔覆层之间的熔池搭接质量，提升轴体与熔覆层、熔覆层内部的结合强度，实现优异整体强度，保证关键部位优异性能发挥。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种大型凸轮轴的复合增材制备方法，其特征在于，所述凸轮轴包括轴体以及位于所述轴体上的凸轮和轴颈，所述制备方法包括如下步骤：先进行轴体的锻造，之后采用激光熔覆工艺在所述轴体上制备凸轮和轴颈；所述凸轮和轴颈的制备同步进行；所述凸轮和轴颈的材质包含铁、铬、碳和硼，所述凸轮和轴颈均依次包括内层、过渡层和表层，由所述内层、过渡层至表层的材质中，所述铬、碳和硼的质量分数逐渐增加。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆时，对应设计的凸轮和轴颈的位置，沿所述轴体的轴向进行多道沉积，再沿所述轴体的径向进行多层沉积，依次形成所述的内层、过渡层和表层。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多道沉积时熔覆层之间的搭接率为40％-50％，所述多层沉积时熔覆层之间的搭接率为30％-40％。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述内层的厚度为所述凸轮或轴颈的设计总厚度减去1.5-1.9mm；所述过渡层的厚度为1.0±0.1mm，所述表层的厚度为0.7±0.1mm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述过渡层的维氏硬度值HV_0.3为550-720；所述表层的维氏硬度值HV_0.3为720-800。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述凸轮和轴颈的材质包含18-25％的铬、0.2-2.2％的碳、1.5-5.5％的硼以及余量的铁。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述内层材质中铬、碳和硼的质量分数范围的上限值与所述过渡层材质中铬、碳和硼的质量分数范围的下限值相同，所述过渡层材质中铬、碳和硼的质量分数范围的上限值与所述表层材质中铬、碳和硼的质量分数范围的下限值相同。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述内层的材质为18-20％铬、0.2-0.8％碳、1.5-2.2％硼和余量铁；所述过渡层的材质为20-22％铬、0.8-1.5％碳、2.2-3.2％硼和余量铁；所述过渡层的材质为22-25％铬、1.5-2.2％碳、3.2-4.5％硼和余量铁。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆工艺的参数为：送粉速率为16～18g/min；激光器功率为1-3kW，激光光斑尺寸为4×6mm，喷枪移动速率为400-800mm/min。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，制备所述内层时的激光参数为功率2.2-2.7kW、喷枪移动速率350-450mm/min；制备所述过渡层时的激光参数为功率1.8-2.2kW、喷枪移动速率500-650mm/min；制备所述表层时的激光参数为功率1.4-1.8kW、喷枪移动速率600-800mm/min。