王 超 石麗娟

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，陽泉 045000； 2.山西華陽集團(tuán)新能源股份有限公司煤層氣發(fā)電分公司，陽泉 045000）

在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)床具有十分重要的作用[1]。滑動(dòng)導(dǎo)軌作為機(jī)床中常用的導(dǎo)軌之一，要承受切削過程中的切削力和自身的重力[2]。在滑動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)過程中，導(dǎo)軌面之間產(chǎn)生相對摩擦進(jìn)而產(chǎn)生磨損，直接影響加工質(zhì)量[3-4]。

激光熔覆技術(shù)是一種表面修復(fù)技術(shù)，在修復(fù)領(lǐng)域占有重要地位。它主要是在受到磨損的材料表面添加相關(guān)熔覆材料，在激光束的作用下，通過快速融化、結(jié)合完成修復(fù)。國內(nèi)學(xué)者對導(dǎo)軌激光熔覆修復(fù)進(jìn)行了相關(guān)研究。范君從光纖激光修復(fù)入手，闡述光纖激光修復(fù)的成套設(shè)備，并利用設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光纖激光修復(fù)能提高導(dǎo)軌的多項(xiàng)機(jī)械性能，并證實(shí)了實(shí)驗(yàn)的可行性[5]。王玉琳等人對機(jī)床導(dǎo)軌再制造進(jìn)行了深入研究，提出了導(dǎo)軌的主要失效形式和修復(fù)方法[3]。趙文強(qiáng)等人對光纖激光修復(fù)進(jìn)行了有限元研究，介紹了激光熔覆的合金耐磨層涂覆材料，并取得了良好效果[6]。譚雁清等人對導(dǎo)軌疲勞磨損進(jìn)行定量研究，測得了在干摩擦和邊界潤滑條件下的疲勞磨損指數(shù)[7]。董兵天對導(dǎo)軌表面激光熔覆修復(fù)技術(shù)進(jìn)行探討，總結(jié)了導(dǎo)軌表面激光熔覆修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢和工藝[8]。本文從導(dǎo)軌的表面修復(fù)技術(shù)著手，針對磨損問題對激光熔覆修復(fù)導(dǎo)軌進(jìn)行相關(guān)研究。

1 機(jī)床導(dǎo)軌表面修復(fù)

隨著發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的提出，再制造應(yīng)運(yùn)而生。它的核心內(nèi)容是翻新舊設(shè)備，將舊設(shè)備重新投入使用。再制造不僅能節(jié)省材料、人力，而且可以延長設(shè)備的使用壽命。在舊設(shè)備中，最先要修復(fù)的是易磨損、腐蝕、變形和氧化的部件。機(jī)床滑動(dòng)導(dǎo)軌在長時(shí)間相互摩擦過程中產(chǎn)生磨損，降低了性能。采用表面熔覆方式進(jìn)行修復(fù)，可最大限度利用原導(dǎo)軌材料，且維修時(shí)間較短，可以滿足生產(chǎn)需要。

1.1 激光表面熔覆技術(shù)

激光熔覆是一種主要采用激光技術(shù)對導(dǎo)軌進(jìn)行表面修復(fù)的手段，常用于工業(yè)領(lǐng)域。它的應(yīng)用范圍主要集中在零部件的表面修復(fù)，修復(fù)后的表層有耐磨、耐腐蝕、耐高溫特性。激光加工主要利用光的能量，經(jīng)過透鏡聚焦，在焦點(diǎn)上達(dá)到很高的能量，短時(shí)間內(nèi)完成對材料的融化和加工。激光修復(fù)技術(shù)在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來，根據(jù)原理和材料供應(yīng)方式的不同，分為預(yù)置式激光熔覆、同步式激光熔覆及光纖激光熔覆3種。

機(jī)床滑動(dòng)導(dǎo)軌在使用中會(huì)產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致加工產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至出現(xiàn)廢品。當(dāng)機(jī)床滑動(dòng)導(dǎo)軌表面由于雜質(zhì)和長時(shí)間工作產(chǎn)生劃傷或者磨損時(shí)，會(huì)直接影響加工零件的質(zhì)量。作為導(dǎo)軌快速修復(fù)技術(shù)，激光表面熔覆的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。第一，修復(fù)后，冷卻速度比其他技術(shù)快。在采用激光表面熔覆技術(shù)進(jìn)行加工時(shí)，冷凝速度快。修復(fù)后的組織較為致密、均勻，可以滿足導(dǎo)軌的表面粗糙度要求。熔覆后的表面具有很高的強(qiáng)度、耐磨、耐蝕和耐熱性能，能夠滿足導(dǎo)軌的耐磨要求。第二，修復(fù)過程速度快。激光熔覆需要的功率較大，升溫速度快，加工速度快。它可以在短時(shí)間內(nèi)融化熔覆材料，尤其在低熔點(diǎn)，金屬材料熔覆高熔金屬材料的性能更好。激光束在接觸基體材料后很快離開，不會(huì)對基體材料產(chǎn)生熱變形影響。應(yīng)用中，激光熔覆可以做到對熔覆層的厚度、寬度和成分進(jìn)行精準(zhǔn)控制，大大節(jié)省了材料。第三，修復(fù)技術(shù)先進(jìn)。激光熔覆比較安全環(huán)保，不會(huì)產(chǎn)生任何污染，可以與機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床結(jié)合使用，工藝多變。此外，熔覆粉末選擇局限小，可以以較為簡單的方法完成激光熔覆。

1.2 復(fù)印成型工藝

復(fù)印成型工藝通過調(diào)整溜板精度，保證導(dǎo)軌水平。在進(jìn)行復(fù)印成型工藝之前，需清理導(dǎo)軌面，保證其清潔，銑去原有的導(dǎo)軌面銑去耐磨涂層。若還有余料，用手工方式刮掉，然后進(jìn)行調(diào)膠、涂覆、扣模，避免出現(xiàn)氣孔，并制造油槽。最后，跑和、扣合，檢測其接觸精度，保證出廠精度。修復(fù)后的機(jī)床導(dǎo)軌相關(guān)精度可以達(dá)到出廠精度，效果優(yōu)良。

2 激光熔覆技術(shù)用于機(jī)床導(dǎo)軌表面修復(fù)

機(jī)床導(dǎo)軌受到載荷、速度的影響做表面往復(fù)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過程中，由于金屬切削產(chǎn)生的切屑、雜質(zhì)等會(huì)導(dǎo)致表面產(chǎn)生磨損與劃傷，一旦導(dǎo)軌表面產(chǎn)生損傷，會(huì)嚴(yán)重影響導(dǎo)軌的加工質(zhì)量。激光熔覆可以用于機(jī)床表面的修復(fù)，表面修復(fù)性能良好。熔覆層可以獲得更加耐磨、耐腐蝕和耐熱的表面層，可有效避免噴焊、電刷鍍修復(fù)容易產(chǎn)生的咬邊、裂紋、變形等缺陷。修復(fù)后各項(xiàng)指標(biāo)有效提升，延長了導(dǎo)軌的使用壽命。

2.1 3種激光熔覆的介紹

預(yù)置式激光熔覆是修復(fù)滑動(dòng)導(dǎo)軌副中常采用的一種方式，主要是將熔覆的合金材料置于被磨損、劃傷的機(jī)床表面，采用激光照射加熱，使合金粉末與基體材料融化為一體。此時(shí)停止激光輻射，合金粉末與導(dǎo)軌副基體材料逐漸凝固形成合金熔覆層。它的材料一般為粉末、絲和板材。這種方法需清潔劃傷和磨損表面具體操作為將合金粉末置于被劃傷和磨損表面熔覆。這種方法也有缺點(diǎn)，即涂覆材料一旦不均勻，便會(huì)影響涂覆效果。

同步式激光熔覆配有同步送粉或送絲機(jī)構(gòu)。送料機(jī)構(gòu)會(huì)把熔覆材料直接送到激光區(qū)，然后激光輻射同時(shí)融化基體與熔覆材料達(dá)到熔覆效果。這種方法的關(guān)鍵是掌握供料機(jī)構(gòu)的方式。供料方式的好壞直接影響激光熔覆的效果，進(jìn)而影響熔覆層的性能。

光纖激光熔覆需在熔覆前要做好工藝準(zhǔn)備，了解導(dǎo)軌的熔覆位置、尺寸情況及熔覆后的性能要求，采用光纖作為激光傳輸系統(tǒng)，通過添加冷卻水，對設(shè)備進(jìn)行抽氣和充氣，完成激光的校準(zhǔn)、聚焦、工藝參數(shù)調(diào)整進(jìn)行加工。采用此種方法熔覆效果良好，表面變形好，可大大提高多項(xiàng)機(jī)械性能。

2.2 熔覆材料的選擇

自熔性碳化復(fù)合粉末和自熔性合金粉末是激光熔覆的常用材料。自熔性碳化物復(fù)合粉末常用于硬質(zhì)合金材料的熔覆，熔覆層不會(huì)出現(xiàn)裂紋。自熔性合金粉末常用于鑄鋼、碳鋼和不銹鋼等材質(zhì)的熔覆，熔覆性能較好。鎳基自熔粉末常用來作為機(jī)床滑動(dòng)導(dǎo)軌的激光熔覆修復(fù)材料，熔覆后組織致密，無氣孔夾雜等缺陷，不會(huì)出現(xiàn)裂紋，且耐磨、耐熱和耐腐蝕性能較好。

3 復(fù)印成型工藝

復(fù)印成型技術(shù)對導(dǎo)軌的磨損修復(fù)是近幾年提出的方法，方法新穎，具有創(chuàng)新性。它主要針對導(dǎo)軌的“一V一平”結(jié)構(gòu)，在發(fā)生磨損后研究難以修復(fù)的問題。通過精度檢驗(yàn)、涂層涂覆、扣模固化以及調(diào)整絲杠完成導(dǎo)軌修復(fù)，修復(fù)機(jī)理見圖1。常用的涂覆材料為國產(chǎn)天山新材料TS316系列。涂覆前要根據(jù)導(dǎo)軌面積計(jì)算所用涂料體積，確保修復(fù)后的精度。TS316固化時(shí)間一般為24 h。檢驗(yàn)導(dǎo)軌表面合格后，要經(jīng)過跑和階段，保證接觸面完全接觸。它解決了此類機(jī)床導(dǎo)軌長期依靠廠家維修、維修成本高的難題，具有重大意義。此外，耐磨材料的調(diào)膠比例、涂覆等問題還需進(jìn)一步完善。

4 結(jié)語

激光熔覆、復(fù)印成型修復(fù)機(jī)床導(dǎo)軌有著重要的工業(yè)意義，可以減少維護(hù)成本，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，是實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要手段。激光熔覆和復(fù)印成型在修復(fù)導(dǎo)軌方面各有優(yōu)勢，激光熔覆操作較為簡單容易實(shí)現(xiàn)，復(fù)印成型操作較為復(fù)雜，但修復(fù)后可以達(dá)到出廠精度。隨著人們對熔覆技術(shù)、復(fù)印成型研究的不斷深入，將來會(huì)進(jìn)一步提高這些技術(shù)的技術(shù)水平。