提高鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞耐磨性的激光處理的裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及激光沖擊處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說(shuō)是一種提高鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞耐磨性的激光處理方法及裝置。在本實(shí)用新型的方法中，利用激光器產(chǎn)生的高峰值短脈沖激光束通過(guò)流動(dòng)水約束層聚焦到鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部待處理表面時(shí)，瞬間形成的高壓等離子體撞擊活塞裙部表面，即進(jìn)行沖擊處理，使活塞裙部表面產(chǎn)生壓縮塑性變形，形成微小凹坑。當(dāng)具有大面積微小凹坑的活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，微小凹坑內(nèi)將填滿潤(rùn)滑液減少摩擦作用，能大幅度地改善鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的耐磨性能。本實(shí)用新型還提出了相應(yīng)的用于實(shí)現(xiàn)激光沖擊處理的裝置，該裝置包括激光頭，水管，夾具，變位機(jī)和控制系統(tǒng)設(shè)備。
【專利說(shuō)明】提高鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞耐磨性的激光處理的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及激光沖擊處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說(shuō)是一種提高鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞耐磨性的激光處理裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在發(fā)動(dòng)機(jī)能量損耗中，消耗在摩擦上的約占48%，所以發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的減摩抗磨設(shè)計(jì)是降低能耗、減小故障率重要途徑。發(fā)動(dòng)機(jī)消耗在摩擦上的能量中，活塞裙部與缸套之間占25%左右。研究者們提出了很多種改善裝置，如表面鍍錫，鍍鉛，噴涂石墨，噴涂聚四氟乙烯涂層等裝置，多是利用表面處理的方法改善活塞的減摩抗磨特性，但是效果仍然不是很理相
[0003]在鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面上加工出具有一定尺寸和分布均勻的凹坑或溝槽陣列，已被證明是改善活塞表面摩擦學(xué)的一個(gè)有效手段。目前均是利用表面處理裝置來(lái)形成微小凹坑，包括化學(xué)方法和機(jī)械裝置。但這些方法都存在一些不足，化學(xué)方法的工作環(huán)境差，且對(duì)環(huán)境有污染，機(jī)械裝置所形成的凹坑尺寸需要進(jìn)一步優(yōu)化，且處理完畢后，常需進(jìn)一步精加工以達(dá)到表面所需要求，工藝周期長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率，所以目前還沒(méi)有一種裝置可以解決這一問(wèn)題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]實(shí)用新型目的:本實(shí)用新型提供一種提高鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞耐磨性的激光處理裝置，其目的是解決以往的設(shè)備所存在的工作環(huán)境差、對(duì)環(huán)境有污染、加工成果達(dá)不到要求、工藝周期長(zhǎng)和生產(chǎn)效率低的問(wèn)題。
[0005]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:
[0006]一種提高鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞耐磨性的激光處理方法，其特征在于:該方法應(yīng)用激光沖擊處理技術(shù)，在鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部表面形成密集分布的微小凹坑；當(dāng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在凹坑內(nèi)填滿潤(rùn)滑液，即可減小摩擦作用，顯著提高活塞的耐磨性。
[0007]該方法包括以下步驟:
[0008]( I)預(yù)處理鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面，仔細(xì)清除表面油污和氧化層，在待處理部位涂敷基士博的金屬黑漆BP04作為吸收層；
[0009](2)涂敷黑漆干燥后，將其放在由數(shù)控系統(tǒng)控制的變位機(jī)上夾緊固定，由水管龍頭在活塞裙部進(jìn)行流動(dòng)水覆蓋；
[0010](3)激光沖擊處理，由數(shù)控系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)激光頭進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞在變位機(jī)上進(jìn)行隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在活塞裙部表面形成分布均勻的凹坑陣列；
[0011](4)將被處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部表面的殘余黑漆吸收層和水清理干凈。
[0012](I)預(yù)處理鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面，將其表面的油污和雜質(zhì)用丙酮溶液清洗干凈。
[0013](2)在待處理部位涂敷黑漆吸收層，等待黑漆變干燥。
[0014](3)將活塞固定到變位機(jī)上的夾具上，且使活塞的軸心與變位機(jī)的軸心同軸，變位機(jī)位于激光頭的正下方；
[0015](4)水管龍頭出水，對(duì)活塞裙部待處理部位進(jìn)行流動(dòng)水覆蓋。
[0016](5)選用合理的工藝參數(shù)對(duì)活塞裙部待處理部位進(jìn)行激光處理；
[0017](6)由控制系統(tǒng)信號(hào)輸出，激光設(shè)備發(fā)光，同時(shí)水平移動(dòng)到一端終點(diǎn)后,變位機(jī)旋轉(zhuǎn)到凹坑陣列預(yù)定的位置；
[0018]( 7 )激光頭和變位機(jī)由控制系統(tǒng)控制重復(fù)上述(6 )運(yùn)動(dòng)過(guò)程，直至激光處理完所有活塞裙部待處理區(qū)域。
[0019](8)激光停止發(fā)射，變位機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將活塞取下；
[0020](9)將取下的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用丙酮溶液清洗干凈。
[0021]激光沖擊處理步驟中的合理激光工藝參數(shù)為:脈沖激光能量0.1?10.0J、光斑直徑0.2?2.0mm、脈沖時(shí)間O?10ns。
[0022]通過(guò)調(diào)節(jié)激光能量、光斑直徑、脈沖時(shí)間，協(xié)調(diào)激光頭水平運(yùn)動(dòng)速度I?20 mm/s、變位機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度0.1?5.0 rad/s，變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是0.015?0.025 rad，微小凹坑的大小和間距可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，確保激光沖擊處理鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面時(shí)獲得所需的微小凹坑陣列成型效果。
[0023]實(shí)施上述的提高鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞耐磨性的激光處理方法所專用的提高鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞耐磨性的激光處理的裝置，其特征在于:該裝置包括激光頭、水管、夾具、變位機(jī)和控制系統(tǒng)；水管的龍頭設(shè)置在使預(yù)處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面流動(dòng)水覆蓋的位置，激光頭設(shè)置在預(yù)處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上方與其對(duì)應(yīng)，變位機(jī)設(shè)置在預(yù)處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞側(cè)方，變位機(jī)上設(shè)置用于夾住預(yù)處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的夾具，激光頭和變位機(jī)與控制系統(tǒng)連接。
[0024]與激光頭連接的激光設(shè)備是納秒激光器。
[0025]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0026]1.本實(shí)用新型提出的激光處理裝置可在鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部表面形成密集分布的微小凹坑陣列，處理后表面不需要進(jìn)一步精加工，簡(jiǎn)化了加工過(guò)程，提高生產(chǎn)效率。
[0027]2.在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞裙部表面微小凹坑內(nèi)填滿潤(rùn)滑液，有效減少活塞與缸體的摩擦系數(shù)，從而減小二者之間的摩擦作用。
[0028]3.降低發(fā)動(dòng)機(jī)活塞與缸體之間摩擦消耗的能量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，節(jié)約能源。
[0029]4.在本實(shí)用新型的裝置中，激光頭進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，變位機(jī)帶動(dòng)活塞進(jìn)行旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，并且其移動(dòng)軌跡集成到數(shù)控系統(tǒng)中，各設(shè)備、裝置操作簡(jiǎn)單易行，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本實(shí)用新型激光處理的流程圖。
[0031]圖2為本實(shí)用新型激光處理的裝置示意圖。其中:1為激光頭，2為水管，3為流動(dòng)水，4為涂敷黑漆，5為鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，6為夾具，7為變位機(jī)，8為控制系統(tǒng)設(shè)備。
[0032]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的凹坑效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]如圖1所示，在本實(shí)用新型中，首先利用該裝置仔細(xì)清除活塞表面油污和氧化層，在待處理區(qū)域涂敷黑漆作為吸收層；黑漆干燥后，將其放在變位機(jī)上夾緊固定，利用水管龍頭在活塞裙部待處理區(qū)域進(jìn)行流動(dòng)水覆蓋；選用激光工藝參數(shù)在納秒級(jí)的超短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)GW級(jí)以上的脈沖激光束；激光器的發(fā)光由數(shù)控系統(tǒng)控制，同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)控制激光頭實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)，變位機(jī)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在活塞裙部表面形成微小凹坑陣列；微小凹坑的尺寸和間距都可根據(jù)調(diào)節(jié)激光工藝參數(shù)和變位機(jī)運(yùn)動(dòng)速度來(lái)調(diào)節(jié)，集成到數(shù)控系統(tǒng)中來(lái)實(shí)現(xiàn)；獲得理想的成型效果。
[0034]如圖2所示，在本實(shí)用新型中的激光處理主要加工裝置，該裝置包括激光頭1、水管2、夾具6、變位機(jī)7和控制系統(tǒng)8 ;水管2的龍頭設(shè)置在使預(yù)處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面流動(dòng)水覆蓋的位置，激光頭I設(shè)置在預(yù)處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上方與其對(duì)應(yīng)，變位機(jī)7設(shè)置在預(yù)處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞側(cè)方，變位機(jī)7上設(shè)置用于夾住預(yù)處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的夾具6，激光頭I和變位機(jī)7與控制系統(tǒng)8連接。鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞5由夾具6夾緊固定，并與變位機(jī)7隨動(dòng)，激光頭I和變位機(jī)7運(yùn)動(dòng)由控制系統(tǒng)設(shè)備8控制。
[0035]本實(shí)用新型的使用步驟如下:
[0036]( I)預(yù)處理鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面，仔細(xì)清除表面油污和氧化層，在待處理部位涂敷基士博的金屬黑漆BP04作為吸收層；
[0037](2)涂敷黑漆干燥后，將其放在由數(shù)控系統(tǒng)控制的變位機(jī)上夾緊固定，由水管龍頭在活塞裙部進(jìn)行流動(dòng)水覆蓋；
[0038](3)激光沖擊處理，由數(shù)控系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)激光頭進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞在變位機(jī)上進(jìn)行隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在活塞裙部表面形成分布均勻的凹坑陣列；
[0039](4)將被處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部表面的殘余黑漆吸收層和水清理干凈。
[0040]具體為:
[0041](I)預(yù)處理鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面，將其表面的油污和雜質(zhì)用丙酮溶液清洗干凈。
[0042](2)在待處理部位涂敷黑漆吸收層，等待黑漆變干燥。
[0043](3)將活塞固定到變位機(jī)上的夾具上，且使活塞的軸心與變位機(jī)的軸心同軸，變位機(jī)位于激光頭的正下方。
[0044](4)水管龍頭出水，對(duì)活塞裙部待處理部位進(jìn)行流動(dòng)水覆蓋。
[0045](5)選用合理的工藝參數(shù)對(duì)活塞裙部待處理部位進(jìn)行激光處理。
[0046](6)由控制系統(tǒng)信號(hào)輸出，激光設(shè)備發(fā)光，同時(shí)水平移動(dòng)到一端終點(diǎn)后停光,變位機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度。
[0047](7)激光頭和變位機(jī)由控制系統(tǒng)控制重復(fù)上述(6)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，直至激光處理完所有活塞裙部待處理區(qū)域。
[0048](8)激光停止發(fā)射，變位機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將活塞取下。
[0049](9)將取下的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用丙酮溶液清洗干凈。
[0050]激光沖擊處理步驟中的合理激光工藝參數(shù)為:脈沖激光能量0.1?10.0J、光斑直徑0.2?2.0mm、脈沖時(shí)間O?10ns。
[0051]通過(guò)調(diào)節(jié)激光能量、光斑直徑、脈沖時(shí)間，協(xié)調(diào)激光頭水平運(yùn)動(dòng)速度I?20 mm/s、變位機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度0.1?5.0 rad/s，微小凹坑的大小和間距可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，確保激光沖擊處理鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面時(shí)獲得所需的微小凹坑陣列成型效果。
[0052]實(shí)施例1:
[0053]特殊激光表面沖擊處理鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部表面，活塞材質(zhì)為Al-Si系列中的ZL109G,處理區(qū)域直徑為80mm，將鋁合金活塞表面油污和氧化層清理干凈，在活塞裙部待處理區(qū)域涂敷黑漆，黑漆晾干后，使用變位機(jī)上的夾具上夾緊固定，利用水管龍頭在活塞裙部待處理區(qū)域進(jìn)行水流覆蓋；選用脈沖激光能量0.1J，光斑直徑0.5mm，脈沖時(shí)間寬度8ns，重復(fù)頻率1Hz對(duì)鋁合金活塞裙部進(jìn)特殊激光表面沖擊處理，由數(shù)控系統(tǒng)合理調(diào)節(jié)激光頭水平移動(dòng)速度，水平移動(dòng)速度范圍是6?10 mm/s，變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是0.015?0.025 rad,變位機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度0.lrad/s。激光處理完所有活塞裙部待處理區(qū)域，激光停止發(fā)射，變位機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將活塞取下，并將取下的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用丙酮溶液清洗，獲得理想的沖擊成型效果。
[0054]實(shí)施例2:
[0055]特殊激光表面沖擊處理鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部表面，活塞材質(zhì)為Al-Si系列中的ZL109G,處理區(qū)域直徑為80mm，將鋁合金活塞表面油污和氧化層清理干凈，在活塞裙部待處理區(qū)域涂敷黑漆，黑漆晾干后，使用變位機(jī)上的夾具上夾緊固定，利用水管龍頭在活塞裙部待處理區(qū)域進(jìn)行水流覆蓋；選用脈沖激光能量5J，光斑直徑2mm，脈沖時(shí)間寬度0.1ns，重復(fù)頻率1Hz對(duì)鋁合金活塞裙部進(jìn)特殊激光表面沖擊處理，由數(shù)控系統(tǒng)合理調(diào)節(jié)激光頭水平移動(dòng)速度，水平移動(dòng)速度范圍是I mm/s，變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是0.015rad，變位機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度5.0 rad/s。激光處理完所有活塞裙部待處理區(qū)域，激光停止發(fā)射，變位機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將活塞取下，并將取下的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用丙酮溶液清洗，獲得理想的沖擊成型效果。
[0056]實(shí)施例3:
[0057]特殊激光表面沖擊處理鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部表面，活塞材質(zhì)為Al-Si系列中的ZL109G,處理區(qū)域直徑為80mm，將鋁合金活塞表面油污和氧化層清理干凈，在活塞裙部待處理區(qū)域涂敷黑漆，黑漆晾干后，使用變位機(jī)上的夾具上夾緊固定，利用水管龍頭在活塞裙部待處理區(qū)域進(jìn)行水流覆蓋；選用脈沖激光能量10J，光斑直徑1mm，脈沖時(shí)間寬度10ns，重復(fù)頻率1Hz對(duì)鋁合金活塞裙部進(jìn)特殊激光表面沖擊處理，由數(shù)控系統(tǒng)合理調(diào)節(jié)激光頭水平移動(dòng)速度，水平移動(dòng)速度范圍是15 mm/s，變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是0.025rad，變位機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度3.0 rad/s。激光處理完所有活塞裙部待處理區(qū)域，激光停止發(fā)射，變位機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將活塞取下，并將取下的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用丙酮溶液清洗，獲得理想的沖擊成型效果。
[0058]實(shí)施例4:
[0059]特殊激光表面沖擊處理鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部表面，活塞材質(zhì)為Al-Si系列中的ZL109G,處理區(qū)域直徑為80mm，將鋁合金活塞表面油污和氧化層清理干凈，在活塞裙部待處理區(qū)域涂敷黑漆，黑漆晾干后，使用變位機(jī)上的夾具上夾緊固定，利用水管龍頭在活塞裙部待處理區(qū)域進(jìn)行水流覆蓋；選用脈沖激光能量6J，光斑直徑0.2mm，脈沖時(shí)間寬度5ns，重復(fù)頻率1Hz對(duì)鋁合金活塞裙部進(jìn)特殊激光表面沖擊處理，由數(shù)控系統(tǒng)合理調(diào)節(jié)激光頭水平移動(dòng)速度，水平移動(dòng)速度范圍是20mm/s，變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是0.018rad，變位機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度4.0 rad/s。激光處理完所有活塞裙部待處理區(qū)域，激光停止發(fā)射，變位機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將活塞取下，并將取下的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用丙酮溶液清洗，獲得理想的沖擊成型效果。
[0060]實(shí)施例5:
[0061]特殊激光表面沖擊處理鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部表面，活塞材質(zhì)為Al-Si系列中的ZL109G,處理區(qū)域直徑為80mm，將鋁合金活塞表面油污和氧化層清理干凈，在活塞裙部待處理區(qū)域涂敷黑漆，黑漆晾干后，使用變位機(jī)上的夾具上夾緊固定，利用水管龍頭在活塞裙部待處理區(qū)域進(jìn)行水流覆蓋；選用脈沖激光能量3J，光斑直徑1.5mm，脈沖時(shí)間寬3ns，重復(fù)頻率1Hz對(duì)鋁合金活塞裙部進(jìn)特殊激光表面沖擊處理，由數(shù)控系統(tǒng)合理調(diào)節(jié)激光頭水平移動(dòng)速度，水平移動(dòng)速度范圍是12mm/s，變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是0.015rad，變位機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度0.5 rad/s。激光處理完所有活塞裙部待處理區(qū)域，激光停止發(fā)射，變位機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將活塞取下，并將取下的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用丙酮溶液清洗，獲得理想的沖擊成型效果。
【權(quán)利要求】
1.提高鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞耐磨性的激光處理的裝置，其特征在于:該裝置包括激光頭(I)、水管(2)、夾具(6)、變位機(jī)(7)和控制系統(tǒng)(8);水管(2)的龍頭設(shè)置在使預(yù)處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面流動(dòng)水覆蓋的位置，激光頭(I)設(shè)置在預(yù)處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上方與其對(duì)應(yīng)，變位機(jī)(7)設(shè)置在預(yù)處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞側(cè)方，變位機(jī)(7)上設(shè)置用于夾住預(yù)處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的夾具(6)，激光頭(I)和變位機(jī)(7)與控制系統(tǒng)(8)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞耐磨性的激光處理的裝置，其特征在于:與激光頭(I)連接的激光設(shè)備是納秒激光器。
【文檔編號(hào)】B23K26/122GK203973057SQ201420391977
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】徐國(guó)建, 祝影, 鐘立明, 李春光, 田希玉 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)