鄭　旭，徐文靜

(洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽　471003)

0　引言

隨著農(nóng)機(jī)化的快速發(fā)展，重型大馬力拖拉機(jī)在農(nóng)村的保有量逐年增加，而拖拉機(jī)的維修也出現(xiàn)了不少問題?，F(xiàn)在的修理廠只是簡單地拆裝與換件，類似發(fā)動機(jī)缸體磨損等問題無力解決，對重型拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)的使用造成了很大的困擾。激光熔覆是目前廣泛使用的用于難修復(fù)金屬表面的高新技術(shù)，可以對復(fù)雜表面實(shí)現(xiàn)高精度的修復(fù)，且熱區(qū)對零部件整體的影響小，修復(fù)部位的可靠性好，通過數(shù)控技術(shù)還可以使激光熔覆技術(shù)操作更加簡單。如果將其引入到拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)的缸體修復(fù)技術(shù)上，會大大提高修復(fù)效率和修復(fù)質(zhì)量，有利于發(fā)動機(jī)缸體修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和提高。

1　激光熔覆修復(fù)系統(tǒng)和工藝過程

激光熔覆技術(shù)比激光焊接技術(shù)在修復(fù)方面具有更好的優(yōu)越性，目前已經(jīng)被廣泛使用在各種金屬設(shè)備的制備、修復(fù)及表面強(qiáng)化上，取得了非常好的效果。激光熔覆修復(fù)技術(shù)的作業(yè)方式主要有兩種：一是采用預(yù)置供料的方法，將進(jìn)行激光熔覆的材料先涂在待修復(fù)的部位；二是采用送粉供料的方法，將熔覆材料直接融化后噴涂。本次研究采用的是第2種方法，其整個系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　激光熔覆修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計框架

激光熔覆修復(fù)系統(tǒng)主要由5部分組成，包括送粉裝置、分粉裝置、溫度傳感器、激光器和激光工作頭。當(dāng)激光器產(chǎn)生的激光通過工作頭作用在待修復(fù)部位時，金屬材料粉末迅速融化和冷卻，從而快速填充了凹陷部位。整個作業(yè)過程通過工作臺控制，工作臺上具有數(shù)控裝置，可以實(shí)現(xiàn)自動化操作，從而保證了作業(yè)的效率和精度。

拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)缸體激光熔覆修復(fù)工藝流程如圖2所示。圖2中，采用激光熔覆修復(fù)技術(shù)對發(fā)動機(jī)缸體進(jìn)行修復(fù)時，首先需要對缸體進(jìn)行無損監(jiān)測，然后將損壞部位進(jìn)行表面清潔，再規(guī)劃激光熔覆修復(fù)的工作頭動作路徑，最后進(jìn)行激光熔覆。激光熔覆初步完成后需要對表面進(jìn)行修正，使表面層恢復(fù)，最后通過質(zhì)量檢測驗(yàn)證激光修復(fù)的效果。

圖2　拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)缸體激光熔覆修復(fù)工藝流程

2　零件缺失部模型重建和激光熔覆路徑規(guī)劃

對于激光熔覆部位的路徑規(guī)劃，首先需要對原始模型和破損的模型進(jìn)行建模。通過布爾操作將原始模型中刪掉破損后的模型，便可以得到待修復(fù)部位的模型，其原理如圖3所示。

圖3　缺失部分模型建模原理

在缺失部分求解時，首先需要對原始部件和破損后部件進(jìn)行布爾減法操作，操作后的模型將面進(jìn)行規(guī)劃，路徑規(guī)劃過程主要是對掃描線和輪廓折線交點(diǎn)的求解。折線和掃描線相交一般分為兩種情況：一是折線和掃描線垂直，二是折線和掃描線相交但是不垂直。交點(diǎn)求解原理圖如圖4所示。

圖4　交點(diǎn)求解原理圖

如果掃描線和折線段是垂直的(見圖4(a))，則

(1)

假設(shè)掃描線和折線段的交點(diǎn)是Pj的x和y坐標(biāo)，則可以求出掃描線和折線段的交點(diǎn)。如果掃描線和折線段存在交點(diǎn)但不垂直(見圖4(b))，則其交點(diǎn)為

(2)

求出交點(diǎn)后，可以將路徑掃描分為兩步：第1步是將掃描點(diǎn)和路徑輪廓線的交點(diǎn)求出來；第2步是將求出的交點(diǎn)進(jìn)行分組，分組是按照y坐標(biāo)來分組的，將y坐標(biāo)相同的交點(diǎn)作為一組。分組步驟為：

1)初始化i，將i值置為0;

2)將掃描線的條數(shù)scan_num+1和i值進(jìn)行比較，如果掃描線條數(shù)大于i值，則可以進(jìn)行下一步；如果小于該值，則計算終止;

3)將計算變量scan_y=m_scan[i].scan_y+ num引入到計算過程中，將y坐標(biāo)值賦值給scan_y；

4)繼續(xù)初始化j，將j值置為0;

5)判斷j和n的大小，如圖j比n大，則進(jìn)行下一步，如果比n小，則返回到初始步驟；

6)運(yùn)用CalScanPoint函數(shù)對掃描線和折線段的交點(diǎn)進(jìn)行求解，然后將PointP數(shù)據(jù)存到屬性中，J++轉(zhuǎn)入步驟5)；

7)i++，轉(zhuǎn)入步驟2)。

通過以上步驟，可以得到拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)激光熔覆修復(fù)的基本規(guī)劃路徑，然后根據(jù)路徑進(jìn)行數(shù)控編程后，可以實(shí)現(xiàn)激光熔覆的自動化操作。

3　拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)缸體修復(fù)技術(shù)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證激光熔覆技術(shù)對拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)缸體修復(fù)的可行性，以某款重型拖來機(jī)的發(fā)動機(jī)缸體修復(fù)為例，對該技術(shù)的可行性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。重型拖拉機(jī)的作業(yè)負(fù)載較大，其作業(yè)情節(jié)如圖5所示。

圖5　重型拖拉機(jī)作業(yè)場景

重型拖來機(jī)作業(yè)的環(huán)境一般比較惡劣，發(fā)動機(jī)長期處于大功率作業(yè)狀態(tài)，發(fā)動機(jī)積碳較多，對發(fā)動機(jī)缸體的傷害也比較大。

存在發(fā)動機(jī)故障的拼接機(jī)如圖6所示。將發(fā)動機(jī)進(jìn)行拆解，實(shí)驗(yàn)區(qū)域配備了激光熔覆裝置，可以直接進(jìn)行激光熔覆修復(fù)操作。首先將需要修復(fù)的部位進(jìn)行編號，如圖7所示。

圖6　發(fā)動機(jī)故障拖拉機(jī)

圖7中，缸體損壞的部位主要是兩處，編號分別為修復(fù)1和修復(fù)2。以一處損壞嚴(yán)重的地方為例，對激光熔覆修復(fù)的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7　故障發(fā)動機(jī)缸體

圖8為發(fā)動機(jī)修復(fù)之前的凹陷部分。通過測量發(fā)現(xiàn)：該裂紋部分的最大長度為8.5mm，最大寬度為7.8mm，最大深度為1.5mm。通過激光熔覆修復(fù)后，得到了如圖9所示的效果圖。

圖8　發(fā)動機(jī)缸體修復(fù)前

圖9　發(fā)動機(jī)缸體修復(fù)后

由圖9可以看出：對凹陷部位進(jìn)行修復(fù)之后，其樣貌和其他未發(fā)生損壞的樣貌一致，從而驗(yàn)證了激光熔覆修復(fù)技術(shù)的可行性。對修復(fù)部位和未破損部位的硬度進(jìn)行了測試，得到了如表1所示的結(jié)果。

表1　修復(fù)和未修復(fù)部位硬度測試結(jié)果

為了進(jìn)一步研究激光熔覆修復(fù)技術(shù)對發(fā)動機(jī)缸體修復(fù)的可靠性，對未破損部位和修復(fù)部位進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：未破損部位和修復(fù)部位的硬度吻合程度較高，從而驗(yàn)證了該方法的可靠性。

4　結(jié)論

為了解決拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)缸體修復(fù)技術(shù)的難題，提出了一種基于激光熔覆技術(shù)的缸體修復(fù)技術(shù)，并對其可行性和修復(fù)效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用三維模型布爾操作和掃描輪廓技術(shù)建立了缺失部件的模型，利用分層切片處理與截面輪廓線填充進(jìn)行了熔覆的路徑規(guī)劃，將路徑使用數(shù)控編程，實(shí)現(xiàn)了修復(fù)的自動化作業(yè)。采用激光熔覆修復(fù)技術(shù)平臺對一款重型發(fā)動機(jī)的缸體進(jìn)行了修復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：激光熔覆修復(fù)后的表面和未破損部位基本一致，且力學(xué)性能也符合機(jī)械作業(yè)的需求，對于拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)缸體修復(fù)技術(shù)的研究具有重要的參考價值。