CN115945860A - 一种车辆扭力轴表面再制造技术工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车辆扭力轴表面再制造技术工艺，扭力轴是车辆重要的弹性元件，其工作环境恶劣，需要承载大量的扰动载荷，使用一段时间后容易发生表面损伤，易发生故障，需定期进行维护或替换。本着以资源环境可持续发展考虑，设计一种车辆扭力轴表面再制造技术工艺。该工艺包含：表面清洁、损伤检测、剩余价值评估、损伤切除、激光熔覆再制造、再制造后处理、表面强力滚压、强扭预应力处理、修复质量检测八个步骤。以达到将回收的车辆扭力轴修复到接近原有成品的性能，从而能够再次使用。在修复质量检测中，通过检测扭力轴尺寸精度及力学性能，再结合强扭预应力处理后，损伤检测的结果，以评定扭力轴是否完成再制造修复。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆和轴表面强力滚压和强扭预应力协同强化处理的车辆扭力轴表面再制造技术工艺，具体为金属构件表面再制造修复与表面处理的技术领域。
背景技术
扭力轴是车辆重要的弹性元件，一般是安装在车体与负重轮之间，用于抵抗车体的侧滚振动，但由于其工作环境恶劣，需要承载大量的扰动载荷，使用一段时间后容易发生表面损伤，易发生故障，需定期进行维护或替换。
从资源环境可持续发展考虑，通过再制造将这些废旧物品重新修复后再使用，这将减少全球环境污染、极大降低了资源浪费。
对受损扭力轴进行再制造时，再制造工艺的选择与实施效果直接决定了再制造扭力轴的修复质量与性能，是影响扭力轴能否达到质量要求，能够重新投入使用的关键所在。
应用激光再制造技术对失效扭力轴进行再制造，可在其表面形成高强度金属涂层，从而达到修复扭力轴表面损伤，延长扭力轴使用寿命的目的；但激光再制造工艺过程复杂，且根据不同工艺实施水平，涂层成形质量差异较大，因此，为确实提高扭力轴的寿命，迫切需要提出一种车辆扭力轴表面再制造技术工艺，提升扭力轴再制造质量。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供一种车辆扭力轴表面再制造技术工艺，该工艺方法对受损扭力轴进行激光再制造和轴表面强力滚压和强扭预应力协同强化处理，明晰了再制造工艺步骤，规范了再制造工艺流程，最终有利于提升扭力轴再制造质量。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
1. 一种车辆扭力轴表面再制造技术工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：使用清水、酒精、丙酮清洗剂以及砂纸清洁待修复扭力轴表面，去除表面的油污、灰尘和锈迹杂质，使其损伤部位显露出来；
步骤2：分析扭力轴表面损伤特征，结合损伤检测技术，对回收的扭力轴进行损伤检测，检测内容主要包括局部变形、磨损和裂纹缺陷；
步骤3：根据扭力轴的损伤检测结果进行量化评估，分析其综合剩余价值，判断是否对该扭力轴进行再制造修复；对严重损伤和不具有再制造价值的直接报废；
步骤4：对具有再制造价值的，对扭力轴的损伤表层进行机械加工去除，使扭力轴损伤去除部位达到激光熔覆技术所需的要求，并使用清洗剂清洗干净；
步骤5：选择工艺及材料对扭力轴进行激光再制造加工，在扭力轴表面形成冶金结合的激光熔覆层；
步骤6：对修复后的扭力轴表面进行激光熔覆后的热处理，以消除因激光熔覆而产生熔覆层和轴基体结合界面的内应力；
步骤7：再对扭力轴表面进行切削，将符合标准的扭力轴再制造表面进行强力滚压强化工艺，改善扭力轴表层组织结构特征以及表面残余应力状态，使扭力轴表面性能达到实际应用标准，使扭力轴的尺寸和精度到达标准值；
步骤8：选择预扭工艺对扭力轴进行强扭预应力处理，以提高扭力轴的承载能力和疲劳寿命；
步骤9：对修复后的扭力轴进行尺寸精度、扭转刚度及材料组织和力学性能检测，并运用损伤检测技术，检查扭力轴是否有损伤，若修复质量不合格，则返回步骤4重新进行再制造；若合格则扭力轴表面再制造完成。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤4中损伤表层进行机械加工去除，以及步骤7中对扭力轴表面进行切削包括车削或磨削。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤2和步骤9中的损伤检测技术包括外观检测方法和磁力探伤检验，外观检测方法用于快速识别扭力轴表面明显的缺陷；磁力探伤能够检测扭力轴表面或近表面细微缺陷，运用两种检测方法以保证产出合格的修复扭力轴。磁力探伤检验后，需要退磁处理，所述步骤9中的材料组织和力学性能检测包括表面金相组织的尺寸、显微硬度和残余应力。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤5中的激光加工方式为光内同轴送粉激光熔覆，送粉方式为四路送粉，保护气为氩气，激光光斑直径为2mm(毫米)；所述步骤5激光再制造加工具体包括激光熔覆路径规划：激光加工时固定激光头位置，通过扭力轴绕轴线旋转的方式使激光加工沿着扭力轴的回转路径进行，以扭力轴旋转一周生成的轨迹为一条熔覆道，再平移扭力轴进行各道熔覆道之间的搭接，设定搭接率为40％；步骤5中，设定激光熔覆工艺参数如下所示：激光功率：800W；激光频率：16Hz；激光扫描速度：300mm/min；送粉速度：14g/min；分层厚度：0.5mm；搭接宽度：0.92mm；步骤6中的激光熔覆后的热处理为将扭力轴放入240℃的电阻炉中进行回火处理，保温时间5小时，然后取出空冷。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤7中的滚压强化工艺是采用三个滚轮圆周错位120°滚压，滚轮直径15mm，滚轮圆角半径3mm；步骤7中，设定强力滚压工艺参数如下所示： 滚压力：4000N； 压入量：0.1mm；扭力轴转速：60r/min；进给速度：0.5mm/r；滚压次数：1次。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤8中对扭力轴进行强扭预应力处理为动态的方法强扭，将扭力轴连续加载、卸载3次，每次预扭强化扭转到第一次强扭角的最终位置，短暂保持后，再卸载，让扭力轴自由回弹，加载过程不能太快，一次加载往复适宜时间为1.5~2分钟；
作为本发明的一种优选方案，所述步骤7和步骤8的协同作用，强力滚压改善扭力轴表面，使金属材料的硬度和强度得到提高，改善零件的耐腐蚀性、耐磨性和抗疲劳性能。强扭改善扭力轴内部材料性能，加载后所产生的应力和残余应力相加，靠近中心的弹性区，对原存留的残余应力基础上，又承担了施加的剪切应力；而靠近表层的附近，其原预扭存留的残余应力对施加的剪切应力将抵消一部分，从而使截面上应力分布趋于均匀，充分发挥了扭杆内部材料的性能，提高了扭力杆的承载能力。强力滚压与强扭预应力的协同，有助于更好的提高扭力轴的疲劳强度和延长扭力轴的服役寿命。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤9的力学性能检测的扭转刚度和残余应力检测分别使用现有的扭转试验机和X射线衍射分析仪对扭力轴进行非破坏性检测。在扭转刚度测试时，按照强扭预处理方向，在扭力轴强扭预处理时第一次强扭角的2/3处检测扭转刚度。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供了一种车辆扭力轴表面再制造技术工艺，能够对从扭力轴回收到完成再制造的全再制造周期进行细致而综合的分析，全面考虑可能对修复质量产生影响的因素，继而可对扭力轴激光在制造工艺过程提供指导，最后得到修复质量较高的再制造扭力轴。
附图说明
图 1 为车辆扭力轴表面再制造技术工艺流程图；
图 2-4 为扭力轴不同损伤程度的分类图；
图 5为现有的轴类激光熔覆设备的主视构造示意图；
图 6为强力滚压加工的主视构造示意图；
图 7、8为强力滚压的原理示意图；
图 9为强扭预应力加载、卸载过程示意图。
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。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图5中的序号说明：1-整机运动控制系统，2-扭力轴，3-激光加工头，4-送粉系统，5-光导系统，6-水冷系统，7-光纤激光器，8-送粉器，9-激光水冷机。
图1为扭力轴激光再制造工艺流程图；如图1所示，本发明车辆扭力轴表面再制造技术工艺，首先，进行扭力轴表面清洁；对扭力轴进行损伤检测，评估损伤程度并分类。无损伤的扭力轴打磨清洁后直接进入轴表面强力滚压和强扭预应力协同强化处理；严重损伤的直接报废，一般损伤的进行剩余价值评估；如果不具有再制造价值，则报废处理，如果具有再制造价值，则依次进行损伤缺陷切除、激光再制造加工、再制造后处理、表面强力滚压处理、强扭预应力处理；然后进行修复质量检测，如质量不合格，则再次进行损伤缺陷切除、激光再制造加工、再制造后处理、表面强力滚压处理、强扭预应力处理；如质量合格，则再制造修复完成。
图5为现有的激光熔覆设备结构示意图，如图所示，该激光熔覆设备包括整机运动控制系统1，激光加工头3，送粉系统4，光导系统5，水冷系统6，光纤激光器7，送粉器8，激光水冷机9，由此可进行激光再制造加工。
图6为强力滚压结构示意图，如图所示，扭力轴 3 通过安装在CAK6150普通车床1上的滚压刀具2进行滚压，利用液压缸对滚压刀具进行施压，以此来对扭力轴表面进行强化处理。
在本发明实施例中，使用清水、酒精、丙酮清洗剂以及砂纸等清洁待修复扭力轴表面，去除表面的油污、灰尘、锈迹等杂质，使其损伤部位显露出来。
在本发明实施例中，扭力轴损伤程度分类，图2仅表面些许锈迹、油污、灰尘A1等无损伤的，直接进入图1及前述步骤7（表面强力滚压处理）进行加工；图3中较小的凹痕、裂纹、表面磨损和较深的腐蚀锈迹A2，沿着缺陷轴向方向外的1~2mm开始切削，径向方向直到不见缺陷；图4仅局部弯曲，切除弯曲部分约占总体积的1%~5%，凹陷部分也轻微切削。弯曲较大的扭力轴可尝试先矫直处理，再进行机加工去除；过度变形、断裂、裂纹过轴心等的严重损伤，直接进行报废处理。
在本发明实施例中，分析扭力轴表面损伤特征，结合损伤检测技术，对回收的扭力轴进行损伤检测，检测内容主要包括局部变形、磨损、裂纹等缺陷。
在本发明实施例中，采用机加工手段去除损伤部位，由于待修复的扭力轴外圆柱面为回转体表面，因此选择使用CAK6150普通车床车削扭力轴外表面，去除规定尺寸之外的扭力轴变形量及损伤痕迹，完成处理的待修复毛坯，清洗打磨后可直接用于激光再制造。
本发明采用表面滚压强化技术可以使扭力轴的表层金属组织在滚压工具的强力滚压作用下产生冷作硬化和晶粒细化，形成梯度分布的纤维状组织，降低表面粗糙度，并形成残余应力层；表层残余压应力能够有效阻止裂纹的形成和降低裂纹扩展速率，使金属材料的硬度和强度得到提高，改善零件的耐腐蚀性、耐磨性和抗疲劳性能。其中，强扭预应力处理使扭力轴表面及一定深度的工作应力超过屈服极限（但低于强度极限）；扭杆表层区产生剧烈塑性变形，形成塑性变形区；截面中心区还是弹性区，并极力恢复到原始状态，而表层塑性区会阻止它的恢复，造成沿扭杆半径方向上各层间存在相互作用；结果使其表层塑性区产生反向的压应力，而中心的弹性区产生正应力，经强扭后，工作扭角不超过扭杆弹簧的强扭角，工作应力与应变呈正比，截面各层工作应力与半径呈线性关系，加载后所产生的应力和残余应力相加，靠近中心的弹性区，对原存留的残余应力基础上，又承担了施加的剪切应力；而靠近表层的附近，其原预扭存留的残余应力对施加的剪切应力将抵消一部分，从而使截面上应力分布趋于均匀，充分发挥了扭杆内部材料的性能，提高了扭力杆的承载能力；强力滚压改善扭力轴表面，强扭改善扭力轴内部材料性能，强力滚压与强扭预应力的协同，有助于更好的提高扭力轴的疲劳强度和延长扭力轴的服役寿命。
在本发明实施例中，激光再制造材料选择：扭力轴的基体材料为45CrNiMoVA合金钢，选用的熔覆材料为Inconel 718合金粉末，粉末粒度为 45~150𝜇m，材料元素成分如下表1、表2所示。
表1 45CrNiMoVA 合金钢元素成分表
表 2 Inconel 718合金元素成分表
在本发明实施例中，45CrNiMoVA和Inconel 718具有相似的密度、弹性 模量、及泊松比、线膨胀系数和比热等，能够完好的修复扭力轴的缺陷，且 修复后的性能，能达到完整品的性能。
表 3 45CrNiMoVA和Inconel718的力学参数
在本发明实施例中，激光熔覆路径规划：激光加工时固定激光头位置，通过使扭力轴绕轴线旋转的方式使激光加工沿着扭力轴的回转路径进行，以扭力轴旋转一周生成的轨迹为一条熔覆道，再平移扭力轴进行各道熔覆道之间的搭接，设定搭接率为40％。
在本发明实施例中，再制造加工：采用同轴送粉激光熔覆的方式对受损扭力轴进行再制造，设定激光功率、激光扫描速度、送粉速度等工艺参数如下表4所示。
表 4 扭力轴激光再制造工艺参数表
在本发明实施例中，对完成激光再制造加工的扭力轴进行热理，热处理方式为将扭力轴放入240℃的电阻炉中进行回火处理，保温时间5小时，然后取出空冷，以消除因激光熔覆而产生熔覆层和结合界面的内应力，再依次使用车床及使用外圆磨床打磨修复层外表面，使扭力轴表面粗糙度达到要求。
在本发明实施例中，对完成后处理的扭力轴进行表面强力滚压处理，其表面强力滚压原理示意图如图7所示，将滚压刀安装到CAK6150普通车床上，通过液压缸调节施力滚压刀1与扭力轴3之间的压力，通过高硬度的滚柱4滚压扭力轴3表面，在圆周方向均布设有三个滚轮4，相邻滚轮4在圆周方向错位120度圆心角，滚轮4将扭力轴3粗糙度的波峰挤压入波谷如图8所示，提高了表面光洁度，强化扭力轴3的表面性能，从而延长使用寿命。
在本发明实施例中，强力滚压加工：采用硬质合金滚压刀具，对扭力轴施加4000 N的强力滚压力，设定的滚压力、进给速度、滚压次数等如表5所示。
表 5 扭力轴强力滚压工艺参数表
在本发明实施例中，强扭预应力处理，将扭力轴连续加载、卸载3次，每次预扭强化扭转到第一次强扭角的最终位置。以某重型车辆的扭力轴为例，轴全长为2.180米，轴直径为52毫米，其第一次强扭角的度数可以是30-60度，较佳采用52度，强扭预应力处理连续加载、卸载的过程如图9，先将扭力轴加载到第一次强扭角的最终位置，短暂保持后，再卸载，让扭力轴自由回弹，加载过程不能太快，一次加载往复约为1.5~2分钟。
在本发明实施例中，使用显微硬度计、扭转试验机及X射线衍射分析仪等设备测试修复区域的显微硬度、扭转刚度、金相组织和残余应力等性能。使用外观检测方法和磁力探伤检验扭力轴表面是否有损伤。在扭转刚度测试时，通过现有的扭转试验设备，按照强扭预处理方向，在扭力轴强扭预处理时第一次强扭角的2/3处检测扭转刚度。在残余应力检测中，采用X射线衍射法对扭力轴修复层表面的残余应力进行无损检测。通过分析以上力学性能的检测结果，以评定扭力轴的综合性能。
在本发明实施例中，从原材料对比上来看，45CrNiMoVA市场价格在20元/千克左右，单根扭力轴所需大约800元费用，回收价按废铁价约需100元。Inconel 718合金粉末为250元/千克，在激光熔覆中所需的Inconel 718合金粉末约为0~2千克，从材料成本上来看，能够节省25%~87.5%的材料费用。
表 6 每根扭力轴所需材料价格对比
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种车辆扭力轴表面再制造技术工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：使用清水、酒精、丙酮清洗剂以及砂纸清洁待修复扭力轴表面，去除表面的油污、灰尘和锈迹杂质，使其损伤部位显露出来；
步骤2：分析扭力轴表面损伤特征，结合损伤检测技术，对回收的扭力轴进行损伤检测，检测内容主要包括局部变形、磨损和裂纹缺陷；
步骤3：根据扭力轴的损伤检测结果进行量化评估，分析其综合剩余价值，判断是否对该扭力轴进行再制造修复；对严重损伤和不具有再制造价值的直接报废；
步骤4：对具有再制造价值的，对扭力轴的损伤表层进行机械加工去除，使扭力轴损伤去除部位达到激光熔覆技术所需的要求，并使用清洗剂清洗干净；
步骤5：选择工艺及材料对扭力轴进行激光再制造加工，在扭力轴表面形成冶金结合的激光熔覆层；
步骤6：对修复后的扭力轴表面进行激光熔覆后的热处理，以消除因激光熔覆而产生熔覆层和轴基体结合界面的内应力；
步骤7：再对扭力轴表面进行切削，将符合标准的扭力轴再制造表面进行强力滚压强化工艺，改善扭力轴表层组织结构特征以及表面残余应力状态，使扭力轴表面性能达到实际应用标准，使扭力轴的尺寸和精度到达标准值；
步骤8：选择预扭工艺对扭力轴进行强扭预应力处理，以提高扭力轴的承载能力和疲劳寿命；
步骤9：对修复后的扭力轴进行尺寸精度、扭转刚度及材料组织和力学性能检测，并运用损伤检测技术，检查扭力轴是否有损伤，若修复质量不合格，则返回步骤4重新进行再制造；若合格则扭力轴表面再制造完成。
2.根据权利要求1所述的车辆扭力轴表面再制造技术工艺，其特征在于，所述步骤4中损伤表层进行加工去除，以及步骤7中对扭力轴表面进行切削包括车削或磨削。
3.根据权利要求1或2所述的车辆扭力轴表面再制造技术工艺，其特征在于，所述步骤2和步骤9中的损伤检测技术包括外观检测方法和磁力探伤检验。
4.根据权利要求1或2所述的车辆扭力轴表面再制造技术工艺，其特征在于，所述步骤5中的激光再制造加工为光内同轴送粉激光熔覆，送粉方式为四路送粉，保护气为氩气，激光光斑直径为2mm；所述的步骤6中的激光熔覆后的热处理为将扭力轴放入240℃的电阻炉中进行回火处理，保温时间5小时，然后取出空冷。
5.根据权利要求1或2所述的车辆扭力轴表面再制造技术工艺，其特征在于，所述步骤7中的滚压强化工艺是采用三个滚轮圆周错位120°滚压，滚轮直径15mm，滚轮圆角半径3mm；所述步骤8中的预扭工艺，即将扭力轴连续加载、卸载3次，每次预扭强化扭转到第一次强扭角的最终位置；所述步骤9中的材料组织与力学性能检测包括表面金相组织的尺寸、显微硬度及残余应力。
6.根据权利要求1或2所述的车辆扭力轴表面再制造技术工艺，其特征在于，所述步骤5激光再制造加工具体包括激光熔覆路径规划：激光加工时固定激光头位置，通过扭力轴绕轴线旋转的方式使激光加工沿着扭力轴的回转路径进行，以扭力轴旋转一周生成的轨迹为一条熔覆道，再平移扭力轴进行各道熔覆道之间的搭接，设定搭接率为40％，搭接率为相邻熔覆道间的搭接宽度与单道熔覆层宽度之比，激光熔覆层宽度为1~3mm。
7.根据权利要求3所述的车辆扭力轴表面再制造技术工艺，其特征在于，所述步骤2和步骤9中的外观检测方法用于快速识别扭力轴表面明显的缺陷，磁力探伤能够检测扭力轴表面或近表面细微缺陷，磁力探伤检验后，需要退磁处理。
8.根据权利要求4所述的车辆扭力轴表面再制造技术工艺，其特征在于， 所述步骤5中，设定激光熔覆工艺参数如下所示：激光功率：800W；激光频率：16Hz；激光扫描速度：300mm/min；送粉速度：14g/min；分层厚度：0.5mm；搭接宽度：0.92mm。
9.根据权利要求5所述的车辆扭力轴表面再制造技术工艺，其特征在于，所述步骤7中，设定强力滚压工艺参数如下所示：
滚压力：4000N； 压入量：0.1mm；扭力轴转速：60r/min；进给速度：0.5mm/r；滚压次数：1次。
10.根根据权利要求5所述的车辆扭力轴表面再制造技术工艺，其特征在于，所述步骤8中强扭预应力处理的连续加载、卸载的过程为先将扭力轴加载到第一次强扭角的最终位置，短暂保持后，再卸载，让扭力轴自由回弹，扭力轴连续加载、卸载3次，加载过程不能太快，一次加载往复为1.5~2分钟；所述步骤9中力学性能检测的扭转刚度和残余应力检测分别使用现有的扭转试验机和X射线衍射分析仪对扭力轴进行非破坏性检测，扭转刚度测试时，扭转的方向需按照强扭预处理的方向进行扭转测试。
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