[發明專利]一種發動機曲軸的制造方法及其激光沖擊強化裝置

有效

• 申請號: 201610252696.6
• 申請日: 2016-04-22
• 公開（公告）號: CN105755215B
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 任旭東;胡征征;李琳;任云鵬;佟艷群;孫建榮;周睿;葉召
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C21D1/20
• 分類號: C21D1/20;C21D1/09;C21D9/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于金屬材料熱處理及激光沖擊強化技術領域，特別涉及一種發動機曲軸的制造方法及其激光沖擊強化理論。

背景技術

目前，現有的發動機行業普遍采取圓角滾壓與噴丸強化對曲軸進行強化處理，提高曲軸的疲勞強度和安全使用壽命。但是圓角滾壓由于受到曲軸加工工藝的限制，各軸頸圓角很難與滾輪吻合，往往造成圓角的啃切現象，而且滾壓后曲軸變形較大，效果不佳。噴丸強化可以有效避免上述情況發生，但是噴丸過程對曲軸的表面粗糙度影響較大，而且噴丸形成的殘余壓應力一般只有0.1-0.8mm。

現有的發動機行業企業對曲軸的熱處理工藝一般采用等溫淬火或者表面高頻淬火。將球鐵等溫淬火可獲得貝氏體+鐵素體組織，調整化學成分和熱處理工藝參數可同時獲得20一50%的高碳殘余奧氏體，這就是奧貝球鐵。它具有較高的強度、塑性、韌性、疲勞性能，但其表面硬度只有35--45HRC，從而對曲軸的耐磨性即使用壽命產生影響。高頻淬火工藝是：高頻淬火機床上安裝感應圈和工裝后安裝工件，采用60KHZ的頻率、60KW的功率、在感應器中輸入高頻交流電，產生交變磁場在工件中產生出同頻率的感應電流，利用感應電流的集膚效應對工件進行加熱，這種電流在工件上的分布是不均勻的，在表面很強，而在內部很弱，到心部接近于0，在電流2一5安培、電壓10一15KV條件下，加熱時間5一10秒，使工件表面溫度迅速升溫至900一1000℃而后進行水冷卻，冷卻時間4一6秒，拆下工件打硬度。這樣處理后的曲軸其表面硬度達46一55HRC，硬化層深1mm以上。此曲軸雖然表面硬度高，不易磨損，但因未進行整體熱處理，其基體機械強度較差(只是球墨鑄鐵原來的強度)。

激光表面強化技術是以提高金屬材料表面硬度、耐磨性、抗蝕性和抗高溫氧化性為目的的技術。由于高能量激光與材料相互作用，伴隨有傳熱、輻射、固化、分子取相及可能的結晶等物理變化，可以為材料表面強化提供一種新的技術手段。激光表面強化已經成為現代先進的加工和制造技術，并且激光表面強化效果比高頻淬火得到的硬化層更深。曲軸是一種結構復雜的零件，一般的激光強化裝置都采用偏心結構裝夾，對于小型曲軸是用絲杠和螺母結構來調整偏心距，但由于曲軸偏心距尺寸精度要求較高，為了滿足這一要求，對于大型曲軸大多采用了固定偏心盤根，偏心盤根一端安裝于機床主軸上，另一端通過矩形軌道與夾具體或夾具底座相連，轉動絲杠通過螺母帶動夾具體或夾具底座相對于偏心盤根移動，調整不同曲軸所要求的偏心距。不僅費工費時，還難以保證激光強化的效果。由于曲軸品種多，偏心距不一，使每套夾具都需要一件偏心盤根，造成夾具制造成本高。

發明內容

曲軸的常見損傷一般有疲勞裂紋、軸頸磨損、彎曲變形和扭轉變形等。由于在連桿軸頸與曲柄過渡的圓角處表面所受的交變應力最大，疲勞裂紋一般最容易在此部位產生，并向曲柄深處發展，從而造成曲軸斷裂。本發明專利針對上述技術問題的不足提出了一種新型的曲軸制造方法及對曲軸進行激光沖擊強化的裝置。

為實現上述目的，本發明采取的具體技術方案為：一種發動機曲軸的制造方法，包括如下步驟：

步驟一：對曲軸的球墨鑄鐵毛坯件進行粗加工形成曲軸初成品；

步驟二：對曲軸初成品進行等溫淬火處理；

步驟三：對等溫淬火處理后的曲軸初成品進行激光沖擊表面強化處理；

步驟四：對激光沖擊表面強化處理后的曲軸初成品進行精加工，最終形成曲軸成品。

進一步地，所述步驟二的具體過程為：將曲軸初成品放入翻轉臺車式淬火爐中加熱至850±20℃，保溫90min后出爐；然后浸入硝鹽槽內等溫保持60min，等溫溫度為350℃。

進一步地，所述步驟三的具體過程為：對曲軸初成品的軸頸及圓角處進行激光沖擊表面強化處理，使其在激光的作用下產生微塑性變形，在曲軸初成品表面產生1-2mm的殘余應力強化層。

進一步地，激光沖擊表面強化時的激光工藝參數為：激光脈沖寬度23ns，激光波長1.06um，聚焦光斑直徑6mm，功率密度為10.6 GW/cm²，激光的掃描速度V=10mm/s。

進一步地，激光沖擊表面強化時在曲軸初成品的表面涂有硅酸乙酯黑漆，并采用流動的水簾作為激光約束層。