CN1183273C - 用于制造抗磨损的气缸摩擦工作表面的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制造抗磨损的，在一种内燃机曲轴箱的气缸(20)里运动的活塞的气缸摩擦工作表面(16)的一种方法和一种装置，它具有一个激光器(10)和一个粉末输入装置(12)，该装置使粉末状材料的喷射流(13)导向通过激光器(10)的一个激光射束(22)。此处，粉末输入装置(12)穿过激光器(10)而布置，其中有一个用于激光射束(22)的射束换向装置(24)，其位置应该使这装置将激光射束(22)引导到携带有粉末状材料的喷射流(13)在气缸工作表面(16)上的集聚点(14)上。

Description

用于制造抗磨损的气缸摩擦工作表面的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于制造抗磨损的、在一种内燃机曲轴箱的气缸里运动的活塞的气缸摩擦工作表面的方法，其中粉末状材料的喷射流由一个激光器的激光射束来引导，激光射束对准喷射流作用在气缸工作面上的集聚表面上。本发明还涉及一种用于制造抗磨损的、在一种内燃机曲轴箱的气缸里运动的活塞的气缸摩擦工作表面的装置，它具有一个激光器和一个粉末输入装置，它通过激光器的激光射束对粉末状材料的喷射流进行导引。
背景技术
主要用于气缸曲轴箱的亚共晶铝-硅合金由于含有少量抗磨损的硅相成分而并不适合于活塞-活塞环-气缸工作面这样一个系统的摩擦学要求。过共晶合金，例如合金AlSi17Cu4Mg具有足够含量的硅晶粒。这种硬的抗磨损的组织成分相对于由铝混合晶体所制成的基质来说更加突出了化学的和/或机械的加工阶段，并形成了一种必要的支承表面成分。但相对于亚共晶和近共晶合金来说不利的作用是这种合金的可铸性不佳、可加工性差，而且成本高。
克服这些缺点的方法是铸入由抗摩擦材料，例如灰铸铁铝合金和过共晶铝合金制成的气缸套。但这里存在的问题是缸套与周围铸件之间的连接，这种连接仅仅通过机械的啮合而保证。由于使用了多孔的陶瓷的缸套材料就可以在铸造时使这些材料实现渗入的连接以及材料上的连接。此外还必须慢慢地铸满，而且要用高的压力，这样就大大降低了这种方法的经济性。
由文件EP 0837152A1已经知道有一种方法，就是用硅对于一种内燃机的由铝合金制成的零件进行涂层的方法，此时由一个旋转装置产生的激光射束借助于一个镜面而指向气缸内表面上。此外在那里设计有一个粉末输入装置，它将涂层用粉末运送至待加工的表面的方向上，其中涂层用粉末在集聚到待涂的表面上之前就被激光射束完全熔化。因而涂覆材料就以熔化物小滴被涂覆到待涂的表面上，其中待涂材料的表面结构不应该被改变。
这种已知的涂覆方法的缺点是：涂覆材料仅仅被涂到表面上，但却不能在待涂基底元件表面上进入实现合金化并使其结构发生相应的变化。
发明内容
因此本发明的任务就是提供一种对上述种类的方法改进的方法以及对上述种类的装置改进的装置，同时要克服上述的缺点，并用简单的方式可以实现局部的精密表面加工。
按照本发明，该项任务在方法方面的技术方案在于一种用于制造抗磨损的、在一种内燃机曲轴箱的气缸里运动的活塞的气缸摩擦工作表面的方法，其中粉末状材料的喷射流由一个激光器的激光射束来引导，激光射束对准喷射流作用在气缸工作面上的集聚表面上，其中，激光器与气缸同轴布置，回绕其纵轴线旋转，同时在纵轴线方向上移动，并使激光射束在气缸工作面上喷射流的集聚表面的方向上转向，其中粉末状材料穿过这旋转的激光器而输入，从而在粉末状材料集聚在气缸工作表面上之前借助于激光射束就使粉末喷射流在气缸工作表面上的集聚表面产生熔化。
上述任务在装置方面的技术解决方案在于一种用于制造抗磨损的、在一种内燃机曲轴箱的气缸里运动的活塞的气缸摩擦工作表面的装置，它具有一个激光器和一个粉末输入装置，后者通过激光器的激光射束对粉末状材料的喷射流进行导引，其中，粉末输送装置穿过激光器而布置，其中激光射束的射束换向装置这样布置，应使此装置将激光射束引导至携带有粉末状材料的喷射流在气缸工作表面上的一个集聚点上。
按照本发明对于上述种类的一种方法来说，使激光器与气缸同轴布置，回绕其纵向轴线旋转，同时在纵轴线方向上移动，并使激光射束在气缸工作面上喷射流的集聚表面方向上转向，其中粉未状材料穿过这旋转的激光器而输入。
其优越性在于，在曲轴箱材料和抗摩擦的气缸工作表面的材料之间不再存在有分界面，如使用灰铸铁套时的情况那样。由于不再需要灰铸铁套因而降低了重量并节省了内燃机燃料。这就保证了在材料之间的最佳热量传递。本发明可以使用于所有的铝表面，不管所要处理的元部件采用于什么样的铸造方法。这就保证了加入合金或者涂层都可以精确地调定，而且保证了可以精确地确定金属厚度和合金深度以及加入合金或涂层表面的一个点或者表面。由于加入合金的方法和涂层的方法可以精确调定或者说有很大的可变动性，因而可以取消多个加工工序，例如粗予拉长工序。这就使制造成本相应地节省了。同时在一定条件下取消了包括珩磨/研磨在内的予加工，这就相应地节省了制造成本。也可以使用一种多孔的，夹有缩孔的铸件，因为通过精确地控制或者必要时进行二次镀层就可以将缩孔填满。本发明可使用于平的、凸的和凹的表面，也可用于孔和管子等。由于气缸工作表面较好，就使摩擦功率和燃料消耗实现了最小。可以减小毛坯件长度，这在铸造时就节省了重量。可以只是对所希望的表面有目的、有选择地进行精确地加工，例如曲轴箱气缸里的上死点和下死点，这样就相应地节省了成本。通过相应地减小在活塞环和气缸孔之间的装入间隙就使油耗变小。这样就可以减小活塞环的应力。由于本发明可以形成较大厚度的镀层，因而适用于珩磨中心架。由于可以精确地测定抗磨层因而本发明还适合于修理阶段。
优选地由于附加使用了激光器，借助于将所制成的熔化物蒸发或者离子分离出来，从而形成了特殊的结构，例如油池。
粉末状材料最好是含有硅、钨和/或镍的材料。
在一种优选的实施形式中这样来选择激光能量，从而要使这通过激光射束的在喷射流里输送的粉末状材料完成涂覆和/或加入合金。比较适宜的方式是这样来选择激光器的旋转速度、激光器的移动速度以及激光的能量，从而使粉末材料涂层厚度大约为800μm至1000μm，或者加入了合金，其加入深度达到大约250μm，同时还有一层厚度约为250μm的涂层。
激光能量例如达到约2kW。激光有选择地经过气缸多次或者一次以实现这些工序。特别优选使激光经过一次。
对于上述种类的装置来说，按照本发明规定了使粉末输入装置通过这激光器而布置，其中激光射束的射束换向装置的布置应使该装置将激光射束转向到携带粉末状材料的喷射流在气缸工作表面上的聚合点上。
这样做的优点是激光器和粉末输入装置可与气缸同轴布置，而且通过简单地旋转激光器并同时沿着气缸轴线使激光器平移，那就在气缸里完成了一个气缸工作表面。
有利的是该射束转向装置包括有至少一个镜面、玻璃纤维和/或一个透镜系统。
附图说明
本发明的其它特点、优点和有利的技术方案见下面根据唯一的附图对本发明所作的说明。
图1是一个剖视草图，说明了一种按本发明的装置的优选实施形式。
具体实施方式
在唯一的附图中所表示的按照本发明的优选实施形式的装置包括有一个激光器10和一个粉末输入装置12，该装置使管子系统内的粉末状材料的喷射流13经过这激光器10，并在向着气缸20的气缸壁18的一个气缸工作表面16上的一个燃烧点和熔连点14的方向上进行导向，从而当粉末喷射流13从粉末输入装置12送出之后，喷射流13就与激光器10的激光束22相交。在激光器10上还有一个射束转向装置24，它使激光束22转向燃烧和熔连点14的方向上。
激光器10和粉末输入装置12形成的组合与气缸20的中心轴线26同轴布置，并可以回绕此轴线26旋转，如由箭头28所示。此外由激光器10和粉末输入装置12形成的组合可以沿着轴线26以一种平移运动的方式移动，如由箭头29所示。另外设计有一个漏斗30用于向粉末输入装置12里装入粉末。
通过转动和平移实现了相应的交迭并因而实现了对气缸工作表面16的加工。涂覆材料的厚度用32或34表示，合金进入深度用36表示。
采用激光器10通过输入含有硅、钨和/或镍的材料或者硬材料进入铝表面16里实现合金化或者涂覆在这些铝表面16上就在一个未示出的铝曲轴箱里生成了抗磨的气缸摩擦工作表面16。硬材料是在旋转的激光器10之内输入的。这里这种待输入的材料最好是粉末状材料。
这样制成的摩擦学有利的抗磨层可以根据需要通过可以控制的参量，如影响区的大小、结构和所用元素的数量对厚度进行调定。附加地通过移动运动29、输入材料的精确定量和旋转激光器10的功率来提高可变动性，从而可以使焊珠层及其高度可精细地或者粗略地形成结构。
涂层时最好使涂覆层32从大约800μm到1000μm，而且用一个大约2kW的激光器实现加入合金的深度36大约为250μm，同时使涂层34为大约250μm。优选通过化学或机械去除来实现抗磨部分的调配。

Claims (10)

1.用于制造抗磨损的、在一种内燃机曲轴箱的气缸里运动的活塞的气缸摩擦工作表面的方法，其中粉末状材料的喷射流由一个激光器的激光射束来引导，激光射束对准喷射流作用在气缸工作面上的集聚表面上，其特征在于，激光器与气缸同轴布置，回绕其纵轴线旋转，同时在纵轴线方向上移动，并使激光射束在气缸工作面上喷射流的集聚表面的方向上转向，其中粉末状材料穿过这旋转的激光器而输入，从而在粉末状材料集聚在气缸工作表面上之前借助于激光射束就使粉末喷射流在气缸工作表面上的集聚表面产生熔化。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，附带地使用了激光就在气缸工作表面上形成了油池。
3.按权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，粉末状材料是含有硅、钨和/或镍的一种材料。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，激光能量的选择应该能使经过激光射束并在喷射流里输送的粉末状材料进行涂覆和/或合金化。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于，激光器的旋转速度、激光器的平移速度以及激光器的能量应这样来选择，要使粉末状材料的涂覆厚度从800μm至1000μm。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，激光器的旋转速度、激光器的平移速度以及激光器的能量应这样来选择，要使合金化的进入深度达到250μm，同时使涂覆层厚度达250μm。
7.按权利要求1所述的方法，其特征在于，一个激光器的能量达2kW。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于，激光器经过这气缸多次或者一次以实施工序。
9.用于制造抗磨损的、在一种内燃机曲轴箱的气缸(20)里运动的活塞的气缸摩擦工作表面(16)的装置，它具有一个激光器(10)和一个粉末输入装置(12)，后者通过激光器(10)的激光射束(22)对粉末状材料的喷射流(13)进行导引，其特征在于，粉末输送装置(12)穿过激光器(10)而布置，其中激光射束(22)的射束换向装置(24)这样布置，应使此装置将激光射束(22)引导至携带有粉末状材料的喷射流(13)在气缸工作表面(16)上的一个集聚点(14)上。
10.按权利要求9所述的装置，其特征在于，射束转向装置(24)至少包括有一个镜面，一个透镜系统和/或玻璃纤维。
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