[發明專利]一種鑄鐵凸輪激光復合處理方法

有效

• 申請號: 201310265857.1
• 申請日: 2013-06-28
• 公開（公告）號: CN103343187A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 符永宏;康正陽;符昊;華希俊;程云榮;尹必峰
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C21D1/09
• 分類號: C21D1/09;C21D9/30
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及一種鑄鐵凸輪激光復合處理方法，屬特種制造領域。

背景技術

鑄鐵凸輪是具有曲面或曲槽的機件，只需設計適當的鑄鐵凸輪輪廓，便可使從動件實現預期運動。鑄鐵凸輪結構簡單、緊湊、設計方便，因此在自動機床、輕工機械、紡織機械、印刷機械、食品機械、包裝機械和機電一體化產品中得到廣泛應用。凸輪軸是汽車發動機中配氣機構及噴油泵的關鍵部件，精確控制著進、排氣門的啟閉和供油時間及壓力。根據發動機的性能，在大功率、非高速工況下采用鋼質凸輪軸；在中、低功率的高速工況下采用鑄鐵凸輪軸。鋼質凸輪軸的材料成本和生產成本是大大高于鑄鐵凸輪軸的，如果通過某種工藝使得鑄鐵凸輪軸能夠代替鋼質凸輪軸，其意義是十分巨大的。

凸輪輪廓上各點的磨損并不相同，一般是升程區域的磨損較為嚴重。另一方面，凸輪的功能要求其必須具有良好的抗磨性能，因此在凸輪的生產中應用了大量的熱處理及表面強化技術。傳統的凸輪軸表面熱處理技術包括感應加熱表面硬化處理技術、等溫淬火表面硬化處理技術和碳氮共滲（或滲碳）技術。將激光應用在凸輪軸的表面強化后又出現了激光淬火技術、激光合金化技術以及激光熔凝技術。

早期人們認為相互接觸的摩擦副表面越光滑越好，而近年來大量理論研究及工程實踐均表明，具有一定微觀幾何形貌的表面反而具有更好的抗磨性。上述結論已經得到世界范圍內的共識，誕生出了表面織構技術。其中，激光表面織構技術，又指利用一定能量密度的激光束，在工件表面形成與潤滑性能要求優化匹配的溝槽、紋路或凹腔。

本發明方法采用的脈沖激光器以脈沖的形式出光，在不同的激光功率密度下，激光與金屬材料的作用機理不盡相同。功率密度10³~10⁴W/cm²，激光熱效應使金屬材料溫度升高；功率密度10⁴~10⁶W/cm²，強烈的熱效使得金屬融化；功率密度10⁶~10⁸W/cm²，材料氣化；功率密度10⁸~10¹⁰W/cm²，金屬在高功率能量的激發下形成等離子體。脈沖激光器的功率密度定義為單脈沖能量與聚焦光斑面積的比值。

發明內容

本發明的目的是，提高鑄鐵凸輪的表面力學性能和抗磨性能，使得鑄鐵凸輪的使用范圍擴大，壽命延長，并能夠應用在優質鋼凸輪才能勝任的工況；同時對長鑄鐵凸輪軸的加工可免除后續矯直工序。

本發明方法的一種鑄鐵凸輪激光復合處理方法所采取的技術方案是：首先在加工參數a下，激光在鑄鐵凸輪表面加工凹腔織構，隨后在加工參數b下激光對鑄鐵凸輪淬硬。

本發明方法的一種鑄鐵凸輪激光復合處理方法所采取的具體技術方案為，首先在加工參數a下，激光在鑄鐵凸輪表面加工凹腔織構，加工參數a對應的激光脈沖的功率密度在氣化或等離子體化區間，即10⁶~10¹⁰W/cm²。隨后在加工參數b下對鑄鐵凸輪表面淬硬，加工參數b對應的激光脈沖的功率密度在融化區間，即10⁴~10⁶W/cm²；上述凹腔織構區域至少包括鑄鐵凸輪升程區域，而上述淬硬區域僅包括鑄鐵凸輪升程區域。凹腔的形貌參數為：直徑65~75um，深度6~8um，面積占有率8~11%，其中直徑為凹腔形貌的最小二乘直徑，深度為凹腔形貌最深點距鑄鐵凸輪表面距離，面積占有率為織構區域內微凹腔面積占該區域總面積的百分比。淬硬層厚度0.1～0.5mm，硬度HRC50~70。

上述加工參數a和加工參數b中，使激光脈沖的功率密度改變的參數包括：泵浦電流，脈沖頻率，離焦量。

淬硬層厚度的控制參數為淬硬功率密度和重疊率。重疊率為相鄰作用與鑄鐵凸輪表面的兩個脈沖光斑相交面積與光斑面積的比值。淬硬功率密度10⁴~10⁶W/cm²，重疊率40%~90%。

本發明的優點在于：降低凸輪-頂柱摩擦副間的摩擦和磨損；在鑄鐵凸輪表面形成淬硬層，顯著提高鑄鐵凸輪的表面力學性能和抗磨性能，最終的有益效果是使鑄鐵凸輪的壽命延長，擴展了鑄鐵凸輪的使用范圍，使其能夠應用在優質鋼凸輪才能勝任的工況下；本方法引起的鑄鐵凸輪熱變形小，對長凸輪軸的加工可免除后續矯直工序。

附圖說明

圖1是鑄鐵凸輪激光復合處理示意圖。