一种激光珩磨工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光珩磨工艺。
【背景技术】
[0002]衡量发动机性能的技术指标包括:动力性指标、经济性指标、紧凑.陛指标、强化指标及可靠性指标、耐磨性指标等。其中动力性指标、紧凑性指标、强化指标等由设计过程决定，其它的指标几乎都由零件的制造工艺性能决定。缸套、活塞环是发动机中最重要的零件，发动机的燃油耗、机油耗、颗粒排放等重要指标均取决于缸套一活塞环摩擦副系统的制造工艺，一方面摩擦副问密封性不好或过度磨损将导致燃气泄漏量增加，机油耗升高，噪声振动加大，尾气排放等也随之升高。另一方面，缸套一活塞环摩擦副间的润滑状况，将直接影响摩擦副之间的摩擦功耗:缸套一活塞环之间摩擦力小，摩擦功耗降低，反之增大，而且还会导致零件磨损，从而影响寿命。据文献报道，内燃机工作过程中由括塞环.缸套摩擦副引起的摩擦功耗高达整个发动机摩擦功耗的65%。由此看来，提高缸套一活塞环摩擦副表面的耐磨性和改善摩擦副间的润滑状况成为提高发动机寿命、改善发动机性能的关键所在，也是业内相关人士的研究热点。
[0003]综合起来看，发动机的性能指标(由工艺过程决定的项目)，在材质不变的情况下由以下四个因素决定:气缸壁内表面高精度加工、气缸壁与活塞环良好的配伍性、气缸孔与活塞环表面硬度及良好的润滑系统。传统的气缸内壁的机械加工工艺为粗镗、精镗、粗珩、精珩等，有时还加上平顶珩磨，零件的机械加工精度很高且基本已到了极限，对改善发动机性能而言几乎无潜力可挖。目前能够应用的就是后两个因素，即:提高零件的表面硬度和改善摩擦幅之间的润滑状况。与此相对应，就出现了两种处理气缸内壁的激光处理技术:激光淬火技术(Laserquenching)和激光?行磨技术(Laser honing)。
[0004]在通过提高气缸孔内壁硬度来改善发动机性能方面.前几年各厂家一方面采用合金铸铁(如加硼铸铁、磷铬钒钛合金铸铁等)制造缸套以提高气缸孔的耐磨性:另一方面设法用常规的热处理方法，如火焰淬火、高中频淬火、渗硫、离子氮化等，对气缸孔进行热处理。但前一种方法使成本提高，生产效率下降，而且耐磨性提高有限，效果不理想，后一种方法效果也不令人满意，气缸材料多为铸铁，铸铁中石墨相的存在，使得常规的热处理方法不适用于处理这种材料，而且常规淬火易导致工件变形很大，对于气缸这种表面精度和形位精度都要求较高的工件是不适合的。激光淬火(又称为激光相变硬化，Lasertransformat1n hardening)由于其独特的加热源和热处理机制，处理后工件变形小，加热速度快，不需冷却介质，生产率高，可对常规热处理方法难以解决的特殊部位进行硬化，处理后工件具有优良的力学性能，易于实现自动化和节约能源，无污染等优点，近几年来在发动机气缸处理行业，倍受世界各地相关研究单位、企业关注。自1976年美国福特公司首次将激光淬火技术引进发动机气缸生产来，此后意大利菲亚特公司、日本丰田公司等，也相继将激光表面强化技术应用到汽车制造业中，并且趋于成熟。激光技术在我国虽然起步较晚，但发展态势迅猛，国内目前使用激光淬火进行气缸热处理的单位也不少，如西安内燃机配件厂、北京内燃机集团、青岛发动机厂、长春一汽集团等。
[0005]在激光淬火理论研究方面，迄今为止，国内外的学者和研究机构在激光淬火金属材料的强化机理、工艺参数的选择、处理后工件性能及温度场的模型建立等方面作了大量研究，并且取得了很多成就。一般认为激光淬火对铁基材料的强化机理是:急热急冷的过程使所形成的马氏体细化，位错密度高，从而使得处理后的材料硬度、耐磨性等机械性能有相当的提高。对于铸铁材料而言，激光淬火后其硬度和耐磨性提高的机制可统一为:表层材料中石墨相部分溶解消失，产生高硬度细化的马氏体，硬化区内硬度梯度比较合理以及石墨片被割裂封闭，阻止了裂纹的扩展。国内西安交大的沈莲、李成劳等对激光淬火提高灰铸铁耐磨性的原因作了大量深入有价值的研究，为指导生产提供了一定理论依据。关于激光淬火温度场模型方面的研究结果很多，大多都是在FOURIER热传导理论的基础之上，建立描述一维、二维、三维的温度场的模型，根据这些模型用不同的数学方法得到了不同的形式的解，如解析解、半解析解以及数值解等等，这些结果都在一定程度上反映了激光淬火的本质，为深入研究激光相变应变硬化机理作了极大贡献。目前最能用于指导实际工艺的是李俊昌提出的简易激光相变硬化模型。
[0006]该模型将FOURIER热传导理论和奥氏体相变温度相结合，在此基础上建立激光工艺参数和硬化带深度之间的关系模型，从而可以根据激光工艺参数估算激光淬火深度，或者根据所要求的激光淬火深度，反推算所需要的激光工艺参数，此模型在一定程度上为工艺参数的选取提供了理论依据，促进了激光淬火技术的进一步推广和应用。
[0007]在改善摩擦副间的润滑状况方面，人们一直依赖于使用传统机械珩磨工序(粗珩、精珩、平顶珩)在气缸表面形成网状纹路，从而在气缸工作过程中构成输送、贮存润滑油的通道。但是传统机械珩磨的主要目的是提高工件表面光洁度，在此过程中通过所形成的纹路改善润滑状况只是其附属效应，改善润滑非常有限。机械珩磨表面所构成的润滑系统缺陷很多，主要有:a、珩磨刀具本身的形位误差，导致形成的纹路深宽不一:b、传统珩磨过程属接触加工，压力载荷有时会使已形成的纹路两侧材料塌陷，纹路断开，使润滑油路不连贯；c、传统珩磨工艺所形成纹路在气缸壁上分布均匀，但气缸内沿轴向各部分工况差异较大.尤其在接近上止点的区域，工况最恶劣，磨损严重，这样就造成发动机工作中，润滑油分布事实上不均匀。长久以来，人们一直向往在气缸内壁加工出与实际工况相适应的表面，并且随着对机械珩磨所留珩磨轨迹的作用的认识越来越深刻，受其启发，人们也想出多种办法有目的地在摩擦副表面造型，以改善摩擦副表面的润滑状况，从而提高零件的使用寿命，例如电火花、电化学加工、机械微图案处理等等，
[0008]林子光等提出了激光微精处理，最近有人提出高点珩磨、珩刷珩磨以及激光珩磨等新的技术，其目的都是通过优化缸套表面微观形貌，改善工件工作过程中的润滑条件，进而提高发动机的性能指标。但是电火花、电化学加工、机械微图案处理等都经不住长时间使用，长时间运转会使这些人造形貌“磨平”而失去作用，激光微精处理虽然弥补着这一不足，但是由于这种方法的实