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

摘要：氣缸套是內(nèi)燃機(jī)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(huán)的高速滑動(dòng)摩擦。本文在綜合分析了國(guó)內(nèi)外激光加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套進(jìn)行激光網(wǎng)格狀淬火設(shè)計(jì)。這樣就完成了工件表面的相變硬化。提高了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套硬度，也提高了耐磨損度和壽命，能創(chuàng)造良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)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(guān)鍵詞：氣缸套;激光淬火;淬火軌跡;數(shù)控裝置

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

中圖分類號(hào)：U664.121.1? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ?? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）22-0004-02

0? 引言

在當(dāng)今社會(huì)中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技發(fā)達(dá)、人們的生活質(zhì)量越來越高，所以就對(duì)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(yán)格，這就迫使機(jī)械廠不斷提高內(nèi)燃機(jī)的質(zhì)量。例如，中國(guó)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(duì)旅客列車和貨運(yùn)列車的速度進(jìn)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(jī)車大修速度周期從原來的2年縮短為1年半，將相對(duì)更多的人力物力，財(cái)力，它從一定程度上來說就會(huì)使運(yùn)營(yíng)成本有所增加，同時(shí)也限制了鐵路客運(yùn)（貨運(yùn)）的發(fā)展。還有就是，隨著中國(guó)在汽車行業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)車輛越來越多，國(guó)產(chǎn)化越來越明顯，對(duì)國(guó)產(chǎn)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(shí)進(jìn)一步要求國(guó)內(nèi)車輛制造公司不斷地提升制造業(yè)水平，不斷地提高加工技術(shù)，完善制造材料，改善機(jī)車零的性能。

1? 研究的目的及意義

氣缸套是內(nèi)燃機(jī)燃燒室的主要部件，當(dāng)處于高溫高壓的惡劣條件下，因?yàn)榛钊突钊h(huán)之間有著高速滑動(dòng)摩擦，所以氣缸套承受著巨大的壓力。就是因?yàn)檫@，氣缸套是內(nèi)燃機(jī)的最容易磨損部件之一，當(dāng)其磨損量積累到一定值時(shí)，會(huì)使內(nèi)燃機(jī)功率降低，燃油消耗不斷增加，同時(shí)排放的廢氣超過了排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)空氣和人們的健康造成了危害。上述都是因?yàn)闅飧滋椎墓ぷ鳝h(huán)境比較惡劣。汽缸套作為燃燒的外壁，工作于高溫，高壓和強(qiáng)力往復(fù)運(yùn)動(dòng)的摩擦環(huán)境中。隨著對(duì)人們對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力要求的不斷提高，單缸的燃燒和爆炸規(guī)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(yīng)增加，從而進(jìn)一步加劇了汽缸套的磨損。此外，國(guó)內(nèi)外大型主機(jī)廠都采用了鍍鉻環(huán)或噴涂合金環(huán)，通過這種方法就會(huì)大大提高活塞環(huán)的硬度。但不好的結(jié)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(huì)相對(duì)降低，反而會(huì)使磨損更嚴(yán)重。所以要想使氣缸套的壽命增加同時(shí)還能使發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套的內(nèi)表面硬度。進(jìn)行表面淬火的方法有很多種，激光淬火技術(shù)就是其中的一種，而且還是一種很先進(jìn)的方法。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(qū)域留下相變點(diǎn)，由于導(dǎo)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(duì)于該項(xiàng)技術(shù)，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(shí)氣缸套質(zhì)量也有所提高;優(yōu)化配套的一對(duì)缸套，減少柴油機(jī)油耗和機(jī)油消耗，降低柴油機(jī)排放;通過控制硬化層的質(zhì)量，調(diào)整和優(yōu)化氣缸套的檢修周期，可以使整體發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性和可靠性提升。

②加快了當(dāng)前表面強(qiáng)化工藝改革的進(jìn)程，對(duì)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(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸套表面強(qiáng)化方法發(fā)生巨大變化。

③通過研究發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套激光表面淬火工藝，得到了更多的參數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為以后激光淬火技術(shù)的研究提供了資料，為零件激光表面淬火工藝提供依據(jù)，促進(jìn)先進(jìn)強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

2? 激光淬火技術(shù)的工藝研究

2.1 激光淬火工藝的先進(jìn)性

激光加工技術(shù)是自1960年以來開始興起的一種新的加工技術(shù)。自1980年代以來，激光加工技術(shù)運(yùn)用于機(jī)械加工、熱處理、軍事等各個(gè)方面。如果將氣缸套表面進(jìn)行網(wǎng)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(shù)有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：①可以縮短磨時(shí)間，延長(zhǎng)氣缸套壽命。②接觸面積增加，缸套氣密性提高。③加強(qiáng)儲(chǔ)油潤(rùn)滑功能，降低了摩擦消耗的損失。④減少機(jī)油燃燒，使排放達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)踐結(jié)果表明，對(duì)氣缸套進(jìn)行網(wǎng)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(hù)了環(huán)境。

2.2 激光淬火工藝的局限性

①對(duì)于激光淬火工藝來說，支撐這種方法的理論依據(jù)缺乏：由于缺乏理論依據(jù)，無(wú)法預(yù)先預(yù)測(cè)硬化層的厚度、硬度和顯微組織的表征，大多數(shù)技術(shù)人員都是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)對(duì)淬火的參數(shù)進(jìn)行初步的估測(cè)。并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行更正，對(duì)于一些經(jīng)驗(yàn)不足的技術(shù)人員，并不能夠估測(cè)出大體的數(shù)據(jù)，就會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不精確。而且還會(huì)增加測(cè)試次數(shù)，使實(shí)驗(yàn)的時(shí)間有所增長(zhǎng)，耽誤了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程。

②在激光淬火過程中對(duì)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(yīng)力引起的變形和裂紋缺陷，如果事先沒有很好的預(yù)測(cè)和提出了解決或避免這種缺陷的方案，就會(huì)使加工過程中廢品率有所提高，使生產(chǎn)成本增加，使工作量增加，還可能會(huì)填補(bǔ)新步驟，增長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

③試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)存在著差異：該實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是在特定的環(huán)境中獲取的，與實(shí)際生產(chǎn)過程中存在著差別。需要考慮實(shí)際生產(chǎn)過程中的諸多因素，系統(tǒng)的研究工藝參數(shù)、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(shù)組合，使成型系列化。

2.3 數(shù)控激光淬火機(jī)床工作原理

數(shù)控機(jī)床是一種采用數(shù)控技術(shù)的機(jī)床。通過發(fā)出一些指令，用于控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其加工過程。具體來說就是通過數(shù)字形式和字符編碼形式的輸入設(shè)備對(duì)計(jì)算機(jī)記錄在數(shù)控設(shè)備中的信息進(jìn)行一系列處理之后，使用伺服系統(tǒng)和可編程邏輯控制器將指令發(fā)送到機(jī)床的主軸，并且進(jìn)給等致動(dòng)器以及機(jī)床的主體將按照以下說明完成工件的加工。該實(shí)驗(yàn)利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行激光淬火，采用旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)通過偏心夾具固定住氣缸套使之做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。另一個(gè)線性步進(jìn)電機(jī)通過滾珠絲杠帶動(dòng)激光頭垂直上下移動(dòng)。從而使激光在氣缸套的內(nèi)壁上雕刻出網(wǎng)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其主要特點(diǎn)有：摩損小、高傳動(dòng)效率、高精度、高速微進(jìn)給的可能性、高軸向剛度、不能自鎖、具有可逆性等。

按照國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)GB/T17587.3-1998及在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)際例子來說，滾珠絲杠用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng);或者說將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為執(zhí)行部件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且還具有很高的傳動(dòng)效率、定位相當(dāng)準(zhǔn)確、精度比較高、軸向剛度強(qiáng)等特點(diǎn)。如果將滾珠絲杠當(dāng)作活動(dòng)主體時(shí)，螺母將根據(jù)相應(yīng)規(guī)格的導(dǎo)程與絲杠的旋轉(zhuǎn)角度一起沿直線移動(dòng)，被動(dòng)工件可以連接到螺母座和螺母上，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的線性運(yùn)動(dòng)。

4? 步進(jìn)電機(jī)減速機(jī)的選擇

4.1 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。我們可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)還可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。

4.2 步進(jìn)電機(jī)的主要分類和工作方式

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有很多的分類方法，結(jié)構(gòu)形式也各種各樣，一般按勵(lì)磁方式分為磁阻式、永磁式和混磁式三種;按相數(shù)可分為單相、兩相、三相和多相等形式。

①永磁式步進(jìn)電機(jī)：通常為兩相，具備著較大的輸出轉(zhuǎn)矩和良好的動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)，它的缺點(diǎn)就是步距角較大而且電機(jī)存在著精度差。

②反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：通常為三相，轉(zhuǎn)矩輸出大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且步距角比較小。缺點(diǎn)是效率低、發(fā)熱大、噪音大，對(duì)工人身體有影響而且動(dòng)態(tài)性能也很差。

③永磁感應(yīng)分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：它具有上述兩種步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、允許脈沖轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能比較好、噪音小等特點(diǎn)。永磁感應(yīng)分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(duì)于目前來說，永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在市場(chǎng)上最受歡迎，使用最廣泛。

本文為氣缸套網(wǎng)格狀激光淬火機(jī)床設(shè)計(jì)，在汽車行業(yè)和內(nèi)燃機(jī)制造企業(yè)對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的使用性能和周期有所提升的背景下，以氣缸套為研究對(duì)象，采用網(wǎng)格狀激光淬火，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套質(zhì)量，延長(zhǎng)了氣缸套的壽命，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)大修的周期，提高了氣缸套抗摩擦、磨損的性能。

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