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缸孔激光热处理强化的质量控制 |
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作者：伟业汽车动力机械有限公司 范玉玺 来源：AI汽车制造业 |
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汽车在使用过程中，由于使用条件的不同，以及维护保养的不同。发动机气缸存在有不同程度的早期磨损以及拉缸问题，影响发动机的使用寿命。为了提高发动机的使用寿命，我厂技术人员经过认真分析，在缸孔加工过程中，对发动机的缸孔进行了激光强化热处理，使发动机缸孔的耐磨性提高了3～5倍，并有效控制了发动机的早期失效。
缸孔的主要加工过程需要经过如下工艺阶段：缸孔粗镗、半精镗、精镗、缸孔前处理（预烘干、喷激光热处理涂料、烘干）、缸孔激光热处理、清除激光热处理涂料及缸孔珩磨。
缸孔前处理质量控制
图1所示为缸孔前处理的主要设备。该工序的主要工作是要在缸孔中喷涂激光热处理涂料。这道工序中，最为关键的是要严格控制喷涂的涂层厚度，以便得到稳定的激光热处理质量。
图1 缸孔前处理设备
通常采用的激光淬火吸光喷涂材料型号为HJ-Ⅲ。该型号吸光喷涂材料是采用化学性能非常稳定的金属氧化物和少量有益合金元素加水后经过胶体磨研磨搅拌制成。主要特性是吸光率高，在处理过程中，会有少量元素过渡到激光淬硬层中，以提高材料的表面机械性能。
1.涂料粘度检测
当涂料搅拌均匀后，使用NDJ－5型涂－4粘度计（流出孔直径为3mm量杯150ml）进行测量。
（1）将涂－4粘度计固定在台架上，将台架调至水平，将量杯放置于粘度计下方；
（2）在粘度计中注满调好的激光热处理液体，由于液体表面存在表面张力，因此需要使用刮板将液面刮平；
（3）将秒表调零；
（4）放开粘度计底孔挡板同时开始计时，直至涂料全部流出即停止计时，读出秒表读数；
（5）连续测量3次并读出每次所用时间，计算平均值。
2.涂层厚度检测
首先目测缸孔内图层厚度是否均匀，是否存在有漏涂情况。然后，待涂料完全烘干后，使用覆层测厚仪TT260对激光前处理涂料厚度进行检测，每个缸孔测量3个点，计算平均值并把测量数据记录在表格中。在实际生产中，我们经过总结，绘制了如图2所示的涂层厚度与淬火层深度的关系曲线。
图2 涂料层厚度对淬火层深度的影响
缸孔激光热处理质量控制
图3所示为该工序使用的主要设备。在该工序中，利用激光热处理方法，使缸孔表面具有更好地机械性能。为了保证处理质量的优质和稳定，需要对设备状态和工艺参数进行控制，以便得到稳定的激光热处理质量。
图3 缸孔激光热处理设备
1.激光热处理设备状态检测与控制
（1）激光热处理设备状态记录。生产操作人员必须从首件开始，对生产线上设备的工作状态进行纪录，每小时一次，直到最后一件工件完成处理。如果在此过程中，发现异常情况，需要及时通知相关人员。
（2）烧光斑检测。光斑的模式对于缸孔热处理的质量影响非常大。在设备验收时已经烧制了标准的光斑模式，因此需要定期进行烧光斑检测，如遇特殊需要时可增加烧光斑检测次数。检测中，需将烧光斑和原来烧过的标准的光斑模式进行比较，如发现异常情况应及时进行设备调整。
激光器光腔调整或换输出镜和窗镜后需要进行一次烧光斑检测，并和原来烧过的归档光斑进行比较，对光斑进行确认。
烧光斑检测方法具体如下：
①烧光斑的位置。在光闸后，大45°镜之前。
②烧光斑的方法。将激光器功率调整到1 000W，稳定输出15min后，将一块尺寸为300mm×80mm×3mm（长×宽×厚）的有机玻璃板放置在规定位置，打开光闸开关1s左右，然后关闭光闸。
③烧光斑检测的评价。将获得的光斑与原来烧过的归档光斑进行比较，烧熔深度越均匀越好。光斑长轴最大尺寸应大于30mm，光斑短轴最大尺寸应大于20mm。
④每次烧的光斑应注明机床号、日期和时间，并归档保存。
⑤注意防火和安全。
（3）测试激光器所能达到的最大稳定功率。
（4）变压器油、真空泵油、蜗轮润滑油和冷水机组的蒸馏水等定期添加和更换。
2.工件加工质量检测
（1）操作人员按规定的频次对工件进行目测和测量。
工件激光淬火后的目测方法：在激光淬火机床对工件进行激光淬火后，先用棉丝擦净涂料，目测淬火硬带的宽度（从缸体顶面向下前3个硬带）应大于非淬火带的宽度（淬硬带宽度不小于3mm，可用150mm钢板尺测量）。淬火硬带表面应有微熔，具体情况可和激光淬火机床的样块进行目测比较确认。另外，硬带起点距缸孔顶面的尺寸不大于硬带宽度（不大于4mm，可用150mm钢板尺测量）。同时，注意观察淬火硬带螺旋线有无异常情况，有问题及时调整机床或通知有关人员。
工件珩磨后的目测方法：采用图4所示珩磨设备。珩磨机对工件进行珩磨后，具体情况可和珩磨后的样块进行目测比较确认（淬硬带宽度不小于2.8mm）。另外，缸孔表面不许出现直径大于1mm的过熔性麻坑。同时，注意观察淬火硬带螺旋线有无异常情况，有问题及时通知激光淬火加工人。
图4 激光热处理后珩磨设备
工件激光淬火后的目测样块制备：工件在激光淬火时，操作人员需要记录设备编号和淬火时的功率。工件在激光淬火后送到机加工现场进行切断加工，然后在缸体左面的各缸孔打号处切取样块（每个缸孔取两个样块），样块应做相应的标记和编号。其中一块送到实验室进行金相检测，金相检测合格后，另一块进行清洗和防锈处理后作为工件激光淬火后的目测样块。
工件珩磨后的目测样块制备：同上述激光淬火后目测样块制备一样，首先应记录淬火机床的编号和淬火时的功率。待淬火、珩磨和清洗完毕后，进行切断加工，每个缸孔取两个样块。其中一块金相检测合格后，另一块进行清洗和防锈处理，作为工件珩磨后的目测样块。
（2）检验员按规定的频次对工件进行金相检测。
检测方法具体如下：
①检测项目：硬带宽度，硬带深度，硬度和金相组织。
②硬带宽度和硬带深度的评价：珩磨后的工件应取从缸体顶面向下的前3个硬带的平均值。硬带宽度≥2.8mm，深度≥0.12mm。
③硬度的评价：每个硬带打3个硬度点，3个点的位置距缸孔表面越近越好，其中一个点在硬带宽度的中心位置测量，另外两个点分别在硬带宽度的四分之一位置测量。其3个硬带9个点的硬度平均值应≥500HV0.1（100克压头）。
④评价：主要为超细马氏体。
⑤样件制备：使用报废的缸体按正常工艺进行精镗缸孔，喷涂和淬火。工件在激光淬火时记录淬火时的功率和机床号，工件在激光淬火、珩磨和清洗后送到机加工进行切断加工，在缸体左面各缸孔打号处取样。样件宽度≥30mm；样件长度≥35mm（从缸体顶面向下）。样件应做相应的标记和编号，并说明样品加工时的加工功率和样品加工的机床号。
⑥送样件到金相实验室，检测完成后取回报告归档保存，保存期为3年。有问题及时通知有关人员。
（3）光腔调整或换输出镜和窗镜并且光斑确认后检验员先进行一次目测，目测合格后进行一次金相检测。
（4）外光路调整或换镜片后检验员进行一次目测。特殊需要时应增加金相检测。
（5）每天检验员进行一次激光淬火后和珩磨后的首件目测。
（6）每天检验员应该每20个工件进行一次激光淬火后和珩磨后的目测。
（7）当工件的毛坯更换厂家时检验员进行一次激光淬火后和珩磨后的首件目测和金相检测。
结语
通过采用激光热处理，可以使工件表面的机械性能得到大幅度地提升，从而改善零件的质量和使用寿命。但前提是必须控制好前热处理工艺和热处理工艺中的涂料涂层厚度和设备状态以及参数情况。这样才能获得比较好的激光热处理效果，达到预定的目标。(end)
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(4/16/2009) |
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