氣缸套網格狀激光淬火機床設計 Design of Grid Laser Quenching Machine Tool for Cylinder Liner

于海平 YU Hai-ping 修霞 XIU Xia 何麗楠 HE Li-nan

摘要：氣缸套是內燃機燃燒室的主要組成部分，在高溫高壓的條件下，能承受活塞和活塞環的高速滑動摩擦。本文在綜合分析了國內外激光加工技術的基礎上，提出了對傳統發動機氣缸套進行激光網格狀淬火設計。這樣就完成了工件表面的相變硬化。提高了發動機氣缸套硬度，也提高了耐磨損度和壽命，能創造良好的社會效益和經濟效益。

Abstract： The cylinder liner is the main part of the combustion chamber of internal combustion engine. Under the condition of high temperature and high pressure， it can withstand the high-speed sliding friction between piston and piston ring. Based on the comprehensive analysis of laser processing technology at home and abroad， this paper puts forward the design of laser grid quenching for traditional engine cylinder liner. This completes the transformation hardening of the workpiece surface. It not only improves the hardness of engine cylinder liner， but also improves the wear resistance and service life， and can create good social and economic benefits.

關鍵詞：氣缸套;激光淬火;淬火軌跡;數控裝置

Key words： cylinder liner;laser quenching;quenching track;numerical control device

中圖分類號：U664.121.1? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ?? ? ?文章編號：1674-957X（2021）22-0004-02

0? 引言

在當今社會中，經濟發展、科技發達、人們的生活質量越來越高，所以就對諸如汽車和火車等便于人們出行的工具在性能和使用壽命上要求越來越嚴格，這就迫使機械廠不斷提高內燃機的質量。例如，中國在1997年5月1日、1998年10月5日、2001年10月22日、2002年10月21日先后有四次對旅客列車和貨運列車的速度進行提升，旅客列車的速度從75-95km/h提升為150-160km/h，這樣就使得機車大修速度周期從原來的2年縮短為1年半，將相對更多的人力物力，財力，它從一定程度上來說就會使運營成本有所增加，同時也限制了鐵路客運（貨運）的發展。還有就是，隨著中國在汽車行業的快速發展，國產車輛越來越多，國產化越來越明顯，對國產制造車輛在性能尤其是在安全上提出了更高的要求。這也同時進一步要求國內車輛制造公司不斷地提升制造業水平，不斷地提高加工技術，完善制造材料，改善機車零的性能。

1? 研究的目的及意義

氣缸套是內燃機燃燒室的主要部件，當處于高溫高壓的惡劣條件下，因為活塞和活塞環之間有著高速滑動摩擦，所以氣缸套承受著巨大的壓力。就是因為這，氣缸套是內燃機的最容易磨損部件之一，當其磨損量積累到一定值時，會使內燃機功率降低，燃油消耗不斷增加，同時排放的廢氣超過了排放標準，對空氣和人們的健康造成了危害。上述都是因為氣缸套的工作環境比較惡劣。汽缸套作為燃燒的外壁，工作于高溫，高壓和強力往復運動的摩擦環境中。隨著對人們對于汽車發動機動力要求的不斷提高，單缸的燃燒和爆炸規模也有所增加，汽缸套與活塞副之間的相互碰撞，擠壓和摩擦力也相應增加，從而進一步加劇了汽缸套的磨損。此外，國內外大型主機廠都采用了鍍鉻環或噴涂合金環，通過這種方法就會大大提高活塞環的硬度。但不好的結果就是摩擦副的合理的硬度比被破壞，并且氣缸套基體的硬度也會相對降低，反而會使磨損更嚴重。所以要想使氣缸套的壽命增加同時還能使發動機的檢修周期縮短，就有必要提高氣缸套的抗磨損消耗的性能，就是提高發動機氣缸套的內表面硬度。進行表面淬火的方法有很多種，激光淬火技術就是其中的一種，而且還是一種很先進的方法。

這個實驗的主要原理就用攜帶高能量密度的激光束快速的掃描偽影，使金屬以非?？斓乃俣纫愿哂谌廴跍囟菷的速度快速上升，在激光束映照區域留下相變點，由于導熱作用，使其在冷基體中快速冷卻并自冷淬火，這樣就完成了工件表面的相變硬化，形成馬氏體淬硬層。對于該項技術，以下就是它的意義：

①改善汽缸套的表面材料成分和金相組織，提高汽缸套的抗磨損性能，抗腐蝕性能以及抗疲勞的性能，同時氣缸套質量也有所提高;優化配套的一對缸套，減少柴油機油耗和機油消耗，降低柴油機排放;通過控制硬化層的質量，調整和優化氣缸套的檢修周期，可以使整體發動機的工作穩定性和可靠性提升。

②加快了當前表面強化工藝改革的進程，對于零件加工工藝的過程起到了化作用。而且加工過程中能源損耗小、效率高。它的推廣將導致發動機缸套表面強化方法發生巨大變化。

③通過研究發動機氣缸套激光表面淬火工藝，得到了更多的參數和實驗數據為以后激光淬火技術的研究提供了資料，為零件激光表面淬火工藝提供依據，促進先進強化技術的應用和推廣。

2? 激光淬火技術的工藝研究

2.1 激光淬火工藝的先進性

激光加工技術是自1960年以來開始興起的一種新的加工技術。自1980年代以來，激光加工技術運用于機械加工、熱處理、軍事等各個方面。如果將氣缸套表面進行網格狀激光淬火，可以形成比較硬的馬氏體。所以激光淬火技術有以下特點和優勢：①可以縮短磨時間，延長氣缸套壽命。②接觸面積增加，缸套氣密性提高。③加強儲油潤滑功能，降低了摩擦消耗的損失。④減少機油燃燒，使排放達到國家標準。實踐結果表明，對氣缸套進行網格狀激光淬火明顯使壽命和耐磨性都有很大的提高，不僅減少了成本，而且還保護了環境。

2.2 激光淬火工藝的局限性

①對于激光淬火工藝來說，支撐這種方法的理論依據缺乏：由于缺乏理論依據，無法預先預測硬化層的厚度、硬度和顯微組織的表征，大多數技術人員都是根據以往的經驗對淬火的參數進行初步的估測。并根據測試結果進行更正，對于一些經驗不足的技術人員，并不能夠估測出大體的數據，就會造成實驗結果不精確。而且還會增加測試次數，使實驗的時間有所增長，耽誤了實驗的進程。

②在激光淬火過程中對于激光加工的缺陷了解的不徹底：由于傳熱而引起的橫向彌散硬化回火，搭接帶和二次硬化的軟化，殘余應力引起的變形和裂紋缺陷，如果事先沒有很好的預測和提出了解決或避免這種缺陷的方案，就會使加工過程中廢品率有所提高，使生產成本增加，使工作量增加，還可能會填補新步驟，增長了實驗時間。

③試驗的結果與實際生產存在著差異：該實驗所得的實驗數據都是在特定的環境中獲取的，與實際生產過程中存在著差別。需要考慮實際生產過程中的諸多因素，系統的研究工藝參數、材料特性、表面狀況（吸光率）等影響硬化層的屬性，如尋找合適的參數組合，使成型系列化。

2.3 數控激光淬火機床工作原理

數控機床是一種采用數控技術的機床。通過發出一些指令，用于控制機床的運動及其加工過程。具體來說就是通過數字形式和字符編碼形式的輸入設備對計算機記錄在數控設備中的信息進行一系列處理之后，使用伺服系統和可編程邏輯控制器將指令發送到機床的主軸，并且進給等致動器以及機床的主體將按照以下說明完成工件的加工。該實驗利用數控機床進行激光淬火，采用旋轉步進電機通過偏心夾具固定住氣缸套使之做旋轉運動。另一個線性步進電機通過滾珠絲杠帶動激光頭垂直上下移動。從而使激光在氣缸套的內壁上雕刻出網格狀，提高了氣缸套的壽命。

3? 滾珠絲杠的選擇

滾珠絲杠就是將旋轉運動轉換為直線運動或將直線運動轉換為旋轉運動。其主要特點有：摩損小、高傳動效率、高精度、高速微進給的可能性、高軸向剛度、不能自鎖、具有可逆性等。

按照國家的標準GB/T17587.3-1998及在實際應用中的實際例子來說，滾珠絲杠用于將回轉運動轉換為直線運動;或者說將直線運動轉化為執行部件的回轉運動，并且還具有很高的傳動效率、定位相當準確、精度比較高、軸向剛度強等特點。如果將滾珠絲杠當作活動主體時，螺母將根據相應規格的導程與絲杠的旋轉角度一起沿直線移動，被動工件可以連接到螺母座和螺母上，以實現相應的線性運動。

4? 步進電機減速機的選擇

4.1 步進電機簡介

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。我們可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時還可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。

4.2 步進電機的主要分類和工作方式

步進電動機有很多的分類方法，結構形式也各種各樣，一般按勵磁方式分為磁阻式、永磁式和混磁式三種;按相數可分為單相、兩相、三相和多相等形式。

①永磁式步進電機：通常為兩相，具備著較大的輸出轉矩和良好的動態性能等優點，它的缺點就是步距角較大而且電機存在著精度差。

②反應式步進電機：通常為三相，轉矩輸出大、結構簡單、成本低且步距角比較小。缺點是效率低、發熱大、噪音大，對工人身體有影響而且動態性能也很差。

③永磁感應分步進電動機：它具有上述兩種步進電機的優點，轉動慣量小、允許脈沖轉矩大、動態性能比較好、噪音小等特點。永磁感應分步進電動機還又分為兩相和五相，兩相步距角通常為1.85度，五相步距角通常為 0.73度。對于目前來說，永磁感應子式步進電動機在市場上最受歡迎，使用最廣泛。

本文為氣缸套網格狀激光淬火機床設計，在汽車行業和內燃機制造企業對于內燃機的使用性能和周期有所提升的背景下，以氣缸套為研究對象，采用網格狀激光淬火，提高了發動機氣缸套質量，延長了氣缸套的壽命，縮短了發動機大修的周期，提高了氣缸套抗摩擦、磨損的性能。

參考文獻：

[1]馬春印，馮榮，王亞鵬.CA6140型普通車床的數控化改造[J].科技創新導報，2009（30）：66.

[2]傅水根，左晶，裴文中.十二工位數控激光淬火機床的研制[C].2005年中國機械工程學會年會論文集.2005.

[3]金榮植.先進的激光淬火技術在機床零件上的應用[J].金屬加工：熱加工， 2016（17）：46-49.

[4]徐宏偉，黃玉美，韓旭炤，等.自由型面的五軸激光淬火軌跡規劃算法研究[J].中國機械工程，2008（21）：65-68.

[5]花銀群，楊繼昌，張永康，等.激光淬火+沖擊復合強化處理QT800-2的實驗研究[J].中國激光，2003（7）：655-658.

[6]周建忠，花銀群，楊繼昌，等.球鐵曲軸激光淬火強化技術研究[J].農業機械學報，2001（3）：109-112.

[7]馬春印，馮榮元.缸套活塞激光強化技術的應用[C].全國大功率柴油機學術年會，2007.