專利名稱：一種提高發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面耐磨性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面耐磨性的方法。
發(fā)動機(jī)理想的運行狀態(tài)是，要求缸體或者缸套的內(nèi)表面既具有一定的耐磨性，又要有良好的儲油性能。目前，單純采用改進(jìn)材質(zhì)、激光淬火、電鍍硬鉻、提高加工精度、降低表面粗糙度等傳統(tǒng)的方法來改善缸套內(nèi)壁的耐磨性能已經(jīng)接近各個工藝所能夠達(dá)到的極限。而單純在其工作表面制造儲油結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)，則在不斷的發(fā)展與完善之中。
缸套的常規(guī)生產(chǎn)工藝過程為粗鏜孔、刮平面及倒角加工——粗車外圓與平端面加工——車外圓——精鏜孔——精車外圓、平端面及切槽加工——珩磨內(nèi)孔。在現(xiàn)有缸套內(nèi)表面儲油結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)中，平頂珩磨和松孔鍍鉻應(yīng)用較為廣泛。
平頂珩磨的加工特點是將珩磨過程分為粗珩、精珩兩個階段。在使用平頂珩磨時，由于油石磨粒的大小、形狀、分布和磨損的不均勻性以及珩磨過程中隨機(jī)因素的影響，所形成的網(wǎng)紋必然會有不均勻性，因此很難預(yù)先算出與發(fā)動機(jī)性能有關(guān)的匹配情況。平頂珩磨的另一個缺點是只能在缸套內(nèi)壁產(chǎn)生儲油結(jié)構(gòu)，不能夠同時對材料表面進(jìn)行強(qiáng)化。
松孔鍍鉻的最大優(yōu)點在于，在強(qiáng)化缸套內(nèi)表面的同時，形成許多微細(xì)的儲油結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到既提高表面硬度又減低活塞之間摩擦系數(shù)的目的。但是，松孔鍍鉻所形成的網(wǎng)狀溝槽相互連通，潤滑油易沿著溝槽被擠出去，減低摩擦系數(shù)及節(jié)油效果并不顯著(見張云電 葉雪明，薄壁缸套工作表面的儲油結(jié)構(gòu)，機(jī)電工程，1999(6)47-48)。而且，松孔鍍鉻工藝所受影響因素眾多，工藝穩(wěn)定性較差。
激光刻蝕技術(shù)作為激光加工技術(shù)的一個應(yīng)用方向，是將聚焦后的脈沖激光束作用在材料表面上，每一個脈沖使金屬表面產(chǎn)生一次快速蒸發(fā)、熔化和凝固過程，通過控制激光束的輸密功率、重復(fù)頻率、脈沖寬度等參數(shù)及激光束或被處理工件的運動方向和速度，就可以在材料表面形成有一定規(guī)則的圖案。根據(jù)摩擦副的不同特點要求，這些圖案可以是點狀的，也可以是其它各種形狀。經(jīng)過激光刻蝕加工后，材料表面的摩擦和潤滑性能可以得到有效改善。雖然激光刻蝕技術(shù)是一項較新的激光加工技術(shù)，但這項技術(shù)在國外已開始成功地應(yīng)用在諸多領(lǐng)域。在機(jī)械行業(yè)，對摩擦件的激光刻蝕加工已經(jīng)應(yīng)用得較為廣泛，如汽車內(nèi)燃機(jī)中的活塞環(huán)、滑動軸承中的滑動襯套、軸向密封圈、發(fā)動機(jī)氣缸、導(dǎo)軌等機(jī)械部件都可成為激光刻蝕加工的對象(見M.Geiger，S.Roth，W.Becker.Influence oflaser-produced microstructures on the tribological behaviour ofceramics.Surface and Coatings Technology 100-101(1998)17-22)。不僅在機(jī)械行業(yè)，激光刻蝕在電子行業(yè)也得到了一定的應(yīng)用。如在計算機(jī)中，為了使磁盤存儲密度不斷提高，就必須減小磁層介質(zhì)的厚度和降低磁頭的浮動高度，且需要磁盤基片有超光滑的光潔度。然而，這帶來了嚴(yán)重的靜摩擦問題，即磁頭與磁盤之間由于摩擦力太小而不易分離，一種實際的解決辦法是在接近磁盤內(nèi)徑處形成一個專用的磁頭“著陸區(qū)”。使用短脈沖激光對磁盤表面刻蝕，可形成一系列的半球狀突臺，使它具有優(yōu)良的摩擦性能，使磁盤啟動/停止時具有很好的靜電摩擦力，使用壽命因此提高(見Q.Zhao，F(xiàn).E.Talke.Stiction and deformation analysis of laser texturedmedia with crater-shaped laser bumps.Tribology Transactions 43 1Jan 2000 Soc Tribol Lubr Eng p1-8.)。八十年代末，國外一些公司開始對活塞環(huán)、氣缸套的激光刻蝕技術(shù)進(jìn)行大量的實驗研究，將激光刻蝕技術(shù)與珩磨有機(jī)地結(jié)合起來，達(dá)到了較好的使用效果(見陳奉斌，畢瑞，花銀群等。提高活塞環(huán)耐磨性的激光強(qiáng)化新技術(shù)。江蘇理工大學(xué)學(xué)報。2001，22(2)22-25)。但是單一的激光刻蝕處理雖能在缸套表面形成儲油結(jié)構(gòu)，對缸套內(nèi)壁表面的硬度及耐磨性提高幅度卻有限，因而在一些重要的應(yīng)用場合不能夠滿足要求，如重載發(fā)動機(jī)的缸體和缸套等。
總之，材料的耐磨性是一個系統(tǒng)性質(zhì)，它不僅與對磨材料的成分、組織和性能有關(guān)，而且還取決于摩擦副運動時所處的環(huán)境。最理想或者說耐磨性最佳的摩擦副應(yīng)該是對磨材料具有高的表面硬度，同時具有最低的摩擦系數(shù)。現(xiàn)有的表面強(qiáng)化技術(shù)，單獨使用以上所述的激光淬火、等離子淬火、電鍍硬鉻、化學(xué)鍍復(fù)合材料等技術(shù)，雖然可以較大幅度地提高發(fā)動機(jī)缸體或者缸套材料內(nèi)表面的硬度，但是不能在摩擦副之間產(chǎn)生穩(wěn)定的潤滑油膜，因此，提高缸體或者缸套的表面耐磨性幅度有限。另一方面，單獨的激光刻蝕工藝，雖然可以在摩擦副之間制造儲油結(jié)構(gòu)，并且可以根據(jù)不同的摩擦條件和環(huán)境調(diào)整刻蝕溝槽的深度、寬度、分布密度和線條形狀等，但是該工藝只能夠在激光刻蝕區(qū)很窄的范圍內(nèi)達(dá)到提高硬度的目的，并且硬化層很淺。這樣，提高耐磨性的幅度也有限。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，一種提高發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面耐磨性的方法，依次包括以下步驟(1)在包含活塞上止點到下止點的行程區(qū)域，對待處理的發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面進(jìn)行表面強(qiáng)化處理；(2)采用激光刻蝕方法加工表面強(qiáng)化處理后的發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面，在其工作表面形成按規(guī)則排列的微細(xì)溝槽；(3)對發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面進(jìn)行精珩磨處理，去除上述微細(xì)溝槽邊緣的殘留物。
采用本發(fā)明提出的方案，將缸體和缸套內(nèi)表面經(jīng)預(yù)先強(qiáng)化，然后再進(jìn)行激光刻蝕，使缸體或者缸套內(nèi)壁既具有高的表面硬度，又具有線段均勻分布、相互獨立的儲油溝槽，而且這種儲油溝槽的深度、寬度、形貌、分布密度等參數(shù)方便調(diào)控，這樣可大幅度降低缸體或者缸套和活塞環(huán)之間的摩擦系數(shù)，整個摩擦副的工作狀態(tài)接近理想的耐磨條件?？傊景l(fā)明可以達(dá)到比單純表面強(qiáng)化或者單純激光刻蝕工藝好得多的耐磨效果。在實施例中，發(fā)明人將本發(fā)明的技術(shù)效果與現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)效果進(jìn)行了對比說明。
本發(fā)明中，采用上述表面強(qiáng)化工藝處理內(nèi)表面時，只要按照各種工藝現(xiàn)有的方法進(jìn)行，對表面強(qiáng)化處理的工藝參數(shù)沒有其它特殊要求。
在經(jīng)過如上所述的表面強(qiáng)化工藝之后，再在硬化的表面區(qū)域進(jìn)行激光刻蝕加工，刻蝕形貌可以為螺旋斷續(xù)條紋或點狀，也可以呈彎折狀或者其它有規(guī)律的形狀。相鄰兩行條紋呈規(guī)律排列，如呈錯位排列、呈平行排列等。

圖1所示為典型的激光刻蝕花樣螺旋斷續(xù)條紋，其中刻蝕條紋長度a為2-20mm，相鄰條紋間距b為1.5-10mm，螺旋線螺距h為0.5-4mm，刻蝕深度為0.02-0.1mm。
下面實施例中激光刻蝕的形貌主要以螺旋斷續(xù)條紋為例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
實施例1發(fā)動機(jī)缸體或者缸套材質(zhì)為灰口鑄鐵，通過常規(guī)的鑄造工藝和機(jī)加工(含鏜孔、珩磨內(nèi)孔等工藝)步驟后，使缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸離最終成品尺寸約100微米。對缸體或缸套內(nèi)壁進(jìn)行黑化處理，以提高材料表面對激光的吸收率。然后，采用CO2激光加工機(jī)對缸體或者缸套內(nèi)壁進(jìn)行激光淬火。采用激光淬火的工藝參數(shù)為激光功率1.5kw，光斑直徑4mm，掃描速度45mm/s，激光淬火采用交叉網(wǎng)狀分布。激光淬火區(qū)域為缸體或者缸套運動時，包含活塞上止點到下止點的行程區(qū)域。激光淬火以后，對淬火缸套進(jìn)行珩磨處理，使珩磨后的缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸與成品尺寸相比，小10-20微米。然后進(jìn)行激光刻蝕。激光刻蝕的加工工藝參數(shù)為采用激光刻蝕螺旋形斷續(xù)條紋，條紋長度a為4mm，相鄰條紋間距b為2.5mm，螺旋線螺距h為2mm，刻蝕深度為0.05mm。激光刻蝕以后，再將缸體或者缸套內(nèi)壁用珩磨機(jī)精磨到成品缸套或者缸體的尺寸，即可裝機(jī)使用。
臺架實驗使用效果如果以上述未經(jīng)任何處理的灰口鑄鐵缸體或者缸套耐磨性(或者使用壽命)為1個單位，則發(fā)動機(jī)臺架實驗結(jié)果證明，單純采用激光淬火后缸體或者缸套的使用壽命為1.8，單純激光刻蝕的使用壽命為2.0，而激光淬火加激光刻蝕的耐磨性為4.5?？梢姡す獯慊鸺蛹す饪涛g后缸套的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述單純一個工藝時的使用壽命。
實施例2發(fā)動機(jī)缸體或者缸套材質(zhì)為合金鑄鐵。通過常規(guī)的鑄造工藝和機(jī)加工步驟后，使缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸離最終成品尺寸約100微米。對缸體或缸套內(nèi)壁進(jìn)行黑化處理，以提高材料表面對激光的吸收率。然后，采用CO2激光熱處理設(shè)備對缸體或者缸套內(nèi)壁進(jìn)行激光淬火。采用激光淬火的工藝參數(shù)為激光功率1.5kw，光斑直徑4mm，掃描速度45mm/s，激光淬火方式為螺旋紋路。激光淬火區(qū)域為缸體或者缸套運動時，包含活塞上止點到下止點的行程區(qū)域。激光淬火以后，將淬火缸套進(jìn)行珩磨處理，使珩磨后的缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸與成品尺寸相比，小10-20微米。然后進(jìn)行激光刻蝕。激光刻蝕螺旋斷續(xù)條紋弧長a為6mm，相鄰條紋間距b為4mm，螺旋線螺距h為4mm，刻蝕深度為0.10mm。激光刻蝕以后，再將缸體或者缸套內(nèi)壁用珩磨機(jī)精磨到成品缸套或者缸體的尺寸，即可做為成品裝機(jī)使用。
臺架實驗使用效果如果以未經(jīng)任何處理的合金鑄鐵缸套耐磨性(或者使用壽命)為1個單位，則發(fā)動機(jī)臺架實驗結(jié)果證明，單純采用激光淬火將缸套內(nèi)表面淬硬成螺旋硬化帶后，缸套的使用壽命為2.0，單純激光刻蝕的缸套其耐磨性為2.3，而激光淬火加激光刻蝕的耐磨性為5.0。可見，在此工藝參數(shù)條件下，激光淬火加激光刻蝕后缸套的使用壽命仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述單純一個工藝時的使用壽命。
實施例3合金鑄鐵的材質(zhì)、加工方式和工藝與實施例2相同。激光淬火工藝參數(shù)及方式亦同實施例2。激光淬火以后，將淬火缸套進(jìn)行珩磨處理，使珩磨后的缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸與成品尺寸相比，小10-20微米。然后進(jìn)行激光刻蝕。激光刻蝕螺旋斷續(xù)條紋弧長a為20mm，相鄰條紋間距b為10mm，螺旋線螺距h為2mm，刻蝕深度為0.08mm。激光刻蝕以后，再將缸體或者缸套內(nèi)壁用珩磨機(jī)精磨到成品缸套或者缸體的尺寸，即可做為成品裝機(jī)使用。
臺架實驗使用效果如果以未經(jīng)任何處理的合金鑄鐵缸套耐磨性(或者使用壽命)為1個單位，則發(fā)動機(jī)臺架實驗結(jié)果證明，單純采用激光淬火將缸套內(nèi)表面淬硬成螺旋硬化帶后，缸套的使用壽命為2.0，單純激光刻蝕的缸套其耐磨性為1.6，而激光淬火加激光刻蝕的耐磨性為4.2?？梢姡诖斯に噮?shù)條件下，激光淬火加激光刻蝕后缸套的使用壽命仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述單純一個工藝時的使用壽命。
實施例4合金鑄鐵的材質(zhì)、加工方式和工藝與實施例2相同。激光淬火工藝參數(shù)及方式亦同實施例2。激光淬火以后，將淬火缸套進(jìn)行珩磨處理，使珩磨后的缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸與成品尺寸相比，小10-20微米。然后進(jìn)行激光刻蝕。激光刻蝕螺旋斷續(xù)條紋弧長a為2mm，弧長間距b為1.5mm，螺旋線螺距h為1.5mm，刻蝕深度為0.09mm。激光刻蝕以后，再將缸體或者缸套內(nèi)壁用珩磨機(jī)精磨到成品缸套或者缸體的尺寸，即可做為成品裝機(jī)使用。
臺架實驗使用效果如果以未經(jīng)任何處理的合金鑄鐵缸套耐磨性(或者使用壽命)為1個單位，則發(fā)動機(jī)臺架實驗結(jié)果證明，單純采用激光淬火將缸套內(nèi)表面淬硬成螺旋硬化帶后，缸套的使用壽命為2.0，單純激光刻蝕的缸套其耐磨性為1.5，而激光淬火加激光刻蝕的耐磨性為3.7?？梢?，在此工藝參數(shù)條件下，激光淬火加激光刻蝕后缸套的使用壽命仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述單純一個工藝時的使用壽命。
實施例5合金鑄鐵的材質(zhì)、加工方式和工藝與實施例2相同。激光淬火工藝參數(shù)及方式亦同實施例2。激光淬火以后，將淬火缸套進(jìn)行珩磨處理，使珩磨后的缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸與成品尺寸相比，小10-20微米。然后進(jìn)行激光刻蝕。激光刻蝕螺旋斷續(xù)條紋弧長a為20mm，弧長間距b為10mm，螺旋線螺距h為4mm，刻蝕深度為0.06mm。激光刻蝕以后，再將缸體或者缸套內(nèi)壁用珩磨機(jī)精磨到成品缸套或者缸體的尺寸，即可做為成品裝機(jī)使用。
臺架實驗使用效果如果以未經(jīng)任何處理的合金鑄鐵缸套耐磨性(或者使用壽命)為1個單位，則發(fā)動機(jī)臺架實驗結(jié)果證明，單純采用激光淬火將缸套內(nèi)表面淬硬成螺旋硬化帶后，缸套的使用壽命為2.0，單純激光刻蝕的缸套其耐磨性為1.4，而激光淬火加激光刻蝕的耐磨性為4.5可見，在此工藝參數(shù)條件下，激光淬火加激光刻蝕后缸套的使用壽命仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述單純一個工藝時的使用壽命。
實施例6合金鑄鐵的材質(zhì)、加工方式和工藝與實施例2相同。激光淬火工藝參數(shù)及方式亦同實施例2。激光淬火以后，將淬火缸套進(jìn)行珩磨處理，使珩磨后的缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸與成品尺寸相同。然后進(jìn)行激光刻蝕。激光刻蝕螺旋斷續(xù)條紋弧長a為2mm，弧長間距b為1.5mm，螺旋線螺距h為0.5mm，刻蝕深度為0.02mm。激光刻蝕以后，再用細(xì)砂紙將缸體或者缸套內(nèi)壁的毛刺擦掉，即可做為成品裝機(jī)使用。
臺架實驗使用效果如果以未經(jīng)任何處理的合金鑄鐵缸套耐磨性(或者使用壽命)為1個單位，則發(fā)動機(jī)臺架實驗結(jié)果證明，單純采用激光淬火將缸套內(nèi)表面淬硬成螺旋硬化帶后，缸套的使用壽命為2.0，單純激光刻蝕的缸套其耐磨性為1.8，而激光淬火加激光刻蝕的耐磨性為4.5可見，在此工藝參數(shù)條件下，激光淬火加激光刻蝕后缸套的使用壽命仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述單純一個工藝時的使用壽命。
實施例7合金鑄鐵的材質(zhì)、加工方式和工藝與實施例2相同。激光淬火工藝參數(shù)及方式亦同實施例2。激光淬火以后，將淬火缸套進(jìn)行珩磨處理，使珩磨后的缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸與成品尺寸相比，小10-20微米。然后進(jìn)行激光刻蝕。激光刻蝕線條為 形狀的彎折狀圖形。其中，斜線與水平線長度相同，均為4毫米，夾角成150度，刻蝕深度同實施例2。該圖形周期性排列，水平間距2毫米，垂直間距2毫米，刻蝕圖形充滿活塞內(nèi)壁上止點到下止點的表面。激光刻蝕以后，再將缸體或者缸套內(nèi)壁用珩磨機(jī)精磨到成品缸套或者缸體的尺寸，即可做為成品裝機(jī)使用。
臺架實驗使用效果如果以未經(jīng)任何處理的合金鑄鐵缸套耐磨性(或者使用壽命)為1個單位，則發(fā)動機(jī)臺架實驗結(jié)果證明，單純采用激光淬火將缸套內(nèi)表面淬硬成螺旋硬化帶后，缸套的使用壽命為2.0，單純激光刻蝕的缸套其耐磨性為2.4，而激光淬火加激光刻蝕的耐磨性為5.2。可見，在此工藝參數(shù)條件下，激光淬火加激光刻蝕后缸套的使用壽命仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述單純一個工藝時的使用壽命。
實施例8發(fā)動機(jī)缸體或者缸套材質(zhì)為合金鑄鐵。通過常規(guī)的鑄造工藝和機(jī)加工步驟后，使缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸離最終成品尺寸小約100-200微米。然后，采用等離子淬火設(shè)備對缸體或者缸套內(nèi)壁進(jìn)行表面淬火。等離子淬火的工藝參數(shù)與現(xiàn)有缸套、缸體淬火的標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)相同。等離子淬火區(qū)域為缸體或者缸套運動時，包含活塞上止點到下止點的行程區(qū)域。等離子淬火以后，對淬火缸套進(jìn)行珩磨處理，使珩磨后的缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸與成品尺寸相比，小10-20微米。然后進(jìn)行激光刻蝕。激光刻蝕螺旋斷續(xù)條紋弧長a為6mm，條紋間距b為4mm，螺旋線螺距h為4mm，刻蝕深度為0.1mm。激光刻蝕以后，再將缸體或者缸套內(nèi)壁用珩磨機(jī)精磨到成品缸套或者缸體的尺寸，即可裝機(jī)使用。
臺架實驗使用效果如果以未經(jīng)任何處理的缸套耐磨性(或者使用壽命)為1個單位，則實驗結(jié)果證明，單純采用等離子淬火后缸套的使用壽命為1.4，單純激光刻蝕的缸套的耐磨性為2.4，而等離子淬火加激光刻蝕的耐磨性為4.4。可見，等離子淬火加激光刻蝕后缸套的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述單純一個工藝時的使用壽命。
實施例9發(fā)動機(jī)缸體或者缸套材質(zhì)采用35#鑄鋼。通過常規(guī)的鑄造工藝和機(jī)加工步驟后，使缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸比最終成品尺寸大30-100微米。然后，采用標(biāo)準(zhǔn)電鍍硬鉻工藝對缸體或者缸套內(nèi)表面進(jìn)行電鍍硬鉻層，硬鉻層厚度依據(jù)上述機(jī)加工尺寸的不同，對應(yīng)控制在40-200微米范圍內(nèi)，電鍍層的厚度標(biāo)準(zhǔn)為使電鍍后缸體或者缸套的直徑比最終的標(biāo)準(zhǔn)尺寸小10-20微米。然后進(jìn)行激光刻蝕。激光刻蝕螺旋斷續(xù)條紋弧長a為2mm，間距弧長h為1.5mm，螺旋線螺距h為0.5mm，刻蝕深度為0.07mm。激光刻蝕以后，再將缸體或者缸套內(nèi)壁用珩磨機(jī)精磨到成品缸套或者缸體的尺寸，即可裝機(jī)使用。
臺架實驗使用效果如果以未經(jīng)任何處理的缸套耐磨性(或者使用壽命)為1個單位，則發(fā)動機(jī)臺架實驗結(jié)果證明，單純采用電鍍硬鉻的缸套，使用壽命為1.5；單純采用上述工藝參數(shù)進(jìn)行激光刻蝕的缸套，其耐磨性為2.1，而電鍍硬鉻加激光刻蝕的缸套耐磨性為4.2。可見，在此工藝參數(shù)條件下，電鍍硬鉻加激光刻蝕后缸套的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述單純一個工藝時的使用壽命。
實施例10發(fā)動機(jī)缸體或者缸套材質(zhì)采用35#鑄鋼。通過常規(guī)的鑄造工藝和機(jī)加工步驟后，使缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸比最終成品尺寸大15-100微米。然后，采用標(biāo)準(zhǔn)松孔鍍鉻工藝對缸體或者缸套內(nèi)表面進(jìn)行電鍍松孔鉻層，硬鉻層厚度依據(jù)上述機(jī)加工尺寸的不同，對應(yīng)控制在30-200微米范圍內(nèi)，電鍍層厚度標(biāo)準(zhǔn)為使電鍍后缸體或者缸套的最終直徑比成品尺寸小10-20微米。然后進(jìn)行激光刻蝕。激光刻蝕螺旋斷續(xù)條紋長度a為4mm，條紋間距b為2.5mm，螺旋線螺距h為2mm，刻蝕深度為0.05mm。激光刻蝕以后，再將缸體或者缸套內(nèi)壁用珩磨機(jī)精磨到成品缸套或者缸體的尺寸，即可裝機(jī)使用。
臺架實驗效果如果以未經(jīng)任何處理的缸套耐磨性(或者使用壽命)為1個單位，則發(fā)動機(jī)臺架實驗結(jié)果證明，單純采用松孔鍍鉻的缸套，使用壽命為1.7；單純采用上述工藝參數(shù)進(jìn)行激光刻蝕的缸套，其耐磨性為2.3，而松孔鍍鉻加激光刻蝕的缸套耐磨性為4.4。可見，在此工藝參數(shù)條件下，電鍍松孔鉻層加激光刻蝕后缸套的使用壽命仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述單純一個工藝時的使用壽命。
實施例11近年來，很多小型汽車發(fā)動機(jī)缸體，從重量輕、鑄造容易、耐蝕性和機(jī)械性能優(yōu)良等角度考慮，大多采用鋁合金制造，并且在鋁制氣缸體內(nèi)壁鍍硬鉻或復(fù)合鍍層以增加其耐磨性。但是，由于沒有進(jìn)一步解決缸體內(nèi)表面的耐磨性問題，該技術(shù)目前仍然限制于輕載汽車發(fā)動機(jī)缸體方面的應(yīng)用，沒有在中、重載發(fā)動機(jī)中進(jìn)一步應(yīng)用。因此，進(jìn)一步提高鋁缸體內(nèi)壁的表面耐磨性具有重要的意義。
采用鑄鋁發(fā)動機(jī)缸體，材質(zhì)為108鋁-硅合金。通過常規(guī)的鑄造工藝和機(jī)加工步驟后，使缸體或者缸套的內(nèi)徑尺寸比最終成品尺寸大30-200微米。此后，采用標(biāo)準(zhǔn)的電鍍復(fù)合層工藝在缸體內(nèi)壁先制備一層Ni-SiC復(fù)合層，其中SiC顆粒粒徑應(yīng)控制在1～5μm之間。復(fù)合層厚度依據(jù)上述機(jī)加工尺寸的不同，對應(yīng)控制在200-400微米范圍內(nèi)。電鍍復(fù)合層工藝完畢后，采用珩磨或者鏜孔技術(shù)將加工后缸套或者缸體的尺寸控制在鍍后直徑比最終的成品尺寸小10-20微米。然后進(jìn)行激光刻蝕。激光刻蝕螺旋斷續(xù)條紋弧長a為4mm，條紋間距b為2.5mm，螺旋線螺距h為2mm，刻蝕深度為0.02mm。激光刻蝕以后，再將缸體或者缸套內(nèi)壁用珩磨機(jī)精磨到成品缸套或者缸體的尺寸，即可裝機(jī)使用。
臺架實驗效果如果以未經(jīng)任何處理的鑄鋁發(fā)動機(jī)缸體耐磨性(或者使用壽命)為1個單位。則臺架實驗結(jié)果證明，單純采用電鍍Ni-SiC復(fù)合層的鑄鋁發(fā)動機(jī)缸體，使用壽命為3.0；單純采用上述工藝參數(shù)進(jìn)行激光刻蝕的缸套，其耐磨性為1.6，而復(fù)合化學(xué)鍍Ni-SiC復(fù)合層加激光刻蝕的鑄鋁發(fā)動機(jī)缸體耐磨性為5.2?？梢?，在此工藝參數(shù)條件下，復(fù)合化學(xué)鍍Ni-SiC復(fù)合層加激光刻蝕后缸套的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述單純一個工藝時的使用壽命。
權(quán)利要求
1.一種提高發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面耐磨性的方法，依次包括以下步驟(1)在包含活塞上止點到下止點的行程區(qū)域，對待處理發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面進(jìn)行表面強(qiáng)化處理；(2)采用激光刻蝕方法加工表面強(qiáng)化處理后的發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面，在其工作表面形成按規(guī)則排列的微細(xì)溝槽；(3)對發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面進(jìn)行精珩磨處理，去除上述微細(xì)溝槽邊緣的殘留物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)中的表面強(qiáng)化處理過程為對缸體、缸套內(nèi)表面進(jìn)行激光淬火處理，淬火紋路為交叉網(wǎng)狀或螺旋狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)中的表面強(qiáng)化處理過程為對缸體、缸套內(nèi)表面進(jìn)行等離子淬火處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)中的表面強(qiáng)化處理過程為對缸體、缸套內(nèi)表面進(jìn)行電鍍硬鉻或者松孔鍍鉻處理，或者化學(xué)鍍復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)所處理的工件為鑄鋁發(fā)動機(jī)缸體時，步驟(1)中的表面強(qiáng)化處理為電鍍Ni-SiC復(fù)合層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的方法，其特征在于步驟(2)中的激光刻蝕加工過程為在已進(jìn)行表面強(qiáng)化處理的區(qū)域進(jìn)行激光刻蝕加工，刻蝕形貌為螺旋形斷續(xù)條紋狀或點狀，相鄰兩行呈規(guī)律排列。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于當(dāng)刻蝕形貌為螺旋形斷續(xù)條紋狀，刻蝕條紋長度a為2-20mm，相鄰條紋間距b為1.5-10mm，螺旋線螺距h為0.5-4mm，刻蝕深度為0.02-0.1mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面耐磨性的方法，其步驟為①在包含活塞上止點到下止點的行程區(qū)域，對發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面進(jìn)行表面強(qiáng)化處理；②采用激光刻蝕方法加工表面強(qiáng)化處理后的發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面，在其工作表面形成按規(guī)則排列的微細(xì)溝槽；③對發(fā)動機(jī)缸體、缸套內(nèi)表面進(jìn)行精珩磨處理，去除上述微細(xì)溝槽邊緣的殘留物。采用本發(fā)明可以使缸體或者缸套內(nèi)壁既具有高的表面硬度，又具有線段均勻分布、相互獨立的儲油溝槽，其深度、寬度、形貌、分布密度等參數(shù)方便調(diào)控，這樣可大幅度降低缸體或者缸套和活塞環(huán)之間的摩擦系數(shù)，整個摩擦副的工作狀態(tài)接近理想的耐磨條件。總之，本發(fā)明可以達(dá)到比單純表面強(qiáng)化或者單純激光刻蝕工藝好得多的耐磨效果。
文檔編號F16J10/04GK1438438SQ0311860
公開日2003年8月27日 申請日期2003年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月14日
發(fā)明者曾曉雁, 宋全勝, 胡乾午 申請人:華中科技大學(xué)