于海平 YU Hai-ping 修霞 XIU Xia 何丽楠 HE Li-nan

摘要：气缸套是内燃机燃烧室的主要组成部分，在高温高压的条件下，能承受活塞和活塞环的高速滑动摩擦。本文在综合分析了国内外激光加工技术的基础上，提出了对传统发动机气缸套进行激光网格状淬火设计。这样就完成了工件表面的相变硬化。提高了发动机气缸套硬度，也提高了耐磨损度和寿命，能创造良好的社会效益和經济效益。

Abstract： The cylinder liner is the main part of the combustion chamber of internal combustion engine. Under the condition of high temperature and high pressure， it can withstand the high-speed sliding friction between piston and piston ring. Based on the comprehensive analysis of laser processing technology at home and abroad， this paper puts forward the design of laser grid quenching for traditional engine cylinder liner. This completes the transformation hardening of the workpiece surface. It not only improves the hardness of engine cylinder liner， but also improves the wear resistance and service life， and can create good social and economic benefits.

关键词：气缸套;激光淬火;淬火轨迹;数控装置

Key words： cylinder liner;laser quenching;quenching track;numerical control device

中图分类号：U664.121.1              文献标识码：A              文章编号：1674-957X（2021）22-0004-02

0  引言

在当今社会中，经济发展、科技发达、人们的生活质量越来越高，所以就对诸如汽车和火车等便于人们出行的工具在性能和使用寿命上要求越来越严格，这就迫使机械厂不断提高内燃机的质量。例如，中国在1997年5月1日、1998年10月5日、2001年10月22日、2002年10月21日先后有四次对旅客列车和货运列车的速度进行提升，旅客列车的速度从75-95km/h提升为150-160km/h，这样就使得机车大修速度周期从原来的2年缩短为1年半，将相对更多的人力物力，财力，它从一定程度上来说就会使运营成本有所增加，同时也限制了铁路客运（货运）的发展。还有就是，随着中国在汽车行业的快速发展，国产车辆越来越多，国产化越来越明显，对国产制造车辆在性能尤其是在安全上提出了更高的要求。这也同时进一步要求国内车辆制造公司不断地提升制造业水平，不断地提高加工技术，完善制造材料，改善机车零的性能。

1  研究的目的及意义

气缸套是内燃机燃烧室的主要部件，当处于高温高压的恶劣条件下，因为活塞和活塞环之间有着高速滑动摩擦，所以气缸套承受着巨大的压力。就是因为这，气缸套是内燃机的最容易磨损部件之一，当其磨损量积累到一定值时，会使内燃机功率降低，燃油消耗不断增加，同时排放的废气超过了排放标准，对空气和人们的健康造成了危害。上述都是因为气缸套的工作环境比较恶劣。汽缸套作为燃烧的外壁，工作于高温，高压和强力往复运动的摩擦环境中。随着对人们对于汽车发动机动力要求的不断提高，单缸的燃烧和爆炸规模也有所增加，汽缸套与活塞副之间的相互碰撞，挤压和摩擦力也相应增加，从而进一步加剧了汽缸套的磨损。此外，国内外大型主机厂都采用了镀铬环或喷涂合金环，通过这种方法就会大大提高活塞环的硬度。但不好的结果就是摩擦副的合理的硬度比被破坏，并且气缸套基体的硬度也会相对降低，反而会使磨损更严重。所以要想使气缸套的寿命增加同时还能使发动机的检修周期缩短，就有必要提高气缸套的抗磨损消耗的性能，就是提高发动机气缸套的内表面硬度。进行表面淬火的方法有很多种，激光淬火技术就是其中的一种，而且还是一种很先进的方法。

这个实验的主要原理就用携带高能量密度的激光束快速的扫描伪影，使金属以非常快的速度以高于熔融温度F的速度快速上升，在激光束映照区域留下相变点，由于导热作用，使其在冷基体中快速冷却并自冷淬火，这样就完成了工件表面的相变硬化，形成马氏体淬硬层。对于该项技术，以下就是它的意义：

①改善汽缸套的表面材料成分和金相组织，提高汽缸套的抗磨损性能，抗腐蚀性能以及抗疲劳的性能，同时气缸套质量也有所提高;优化配套的一对缸套，减少柴油机油耗和机油消耗，降低柴油机排放;通过控制硬化层的质量，调整和优化气缸套的检修周期，可以使整体发动机的工作稳定性和可靠性提升。

②加快了当前表面强化工艺改革的进程，对于零件加工工艺的过程起到了化作用。而且加工过程中能源损耗小、效率高。它的推广将导致发动机缸套表面强化方法发生巨大变化。

③通过研究发动机气缸套激光表面淬火工艺，得到了更多的参数和实验数据为以后激光淬火技术的研究提供了资料，为零件激光表面淬火工艺提供依据，促进先进强化技术的应用和推广。

2  激光淬火技术的工艺研究

2.1 激光淬火工艺的先进性

激光加工技术是自1960年以来开始兴起的一种新的加工技术。自1980年代以来，激光加工技术运用于机械加工、热处理、军事等各个方面。如果将气缸套表面进行网格状激光淬火，可以形成比较硬的马氏体。所以激光淬火技术有以下特点和优势：①可以缩短磨时间，延长气缸套寿命。②接触面积增加，缸套气密性提高。③加强储油润滑功能，降低了摩擦消耗的损失。④减少机油燃烧，使排放达到国家标准。实践结果表明，对气缸套进行网格状激光淬火明显使寿命和耐磨性都有很大的提高，不仅减少了成本，而且还保护了环境。

2.2 激光淬火工艺的局限性

①对于激光淬火工艺来说，支撑这种方法的理论依据缺乏：由于缺乏理论依据，无法预先预测硬化层的厚度、硬度和显微组织的表征，大多数技术人员都是根据以往的经验对淬火的参数进行初步的估测。并根据测试结果进行更正，对于一些经验不足的技术人员，并不能够估测出大体的数据，就会造成实验结果不精确。而且还会增加测试次数，使实验的时间有所增长，耽误了实验的进程。

②在激光淬火过程中对于激光加工的缺陷了解的不彻底：由于传热而引起的横向弥散硬化回火，搭接带和二次硬化的软化，残余应力引起的变形和裂纹缺陷，如果事先没有很好的预测和提出了解决或避免这种缺陷的方案，就会使加工过程中废品率有所提高，使生产成本增加，使工作量增加，还可能会填补新步骤，增长了实验时间。

③试验的结果与实际生产存在着差异：该实验所得的实验数据都是在特定的环境中获取的，与实际生产过程中存在着差别。需要考虑实际生产过程中的诸多因素，系统的研究工艺参数、材料特性、表面状况（吸光率）等影响硬化层的属性，如寻找合适的参数组合，使成型系列化。

2.3 数控激光淬火机床工作原理

数控机床是一种采用数控技术的机床。通过发出一些指令，用于控制机床的运动及其加工过程。具体来说就是通过数字形式和字符编码形式的输入设备对计算机记录在数控设备中的信息进行一系列处理之后，使用伺服系统和可编程逻辑控制器将指令发送到机床的主轴，并且进给等致动器以及机床的主体将按照以下说明完成工件的加工。该实验利用数控机床进行激光淬火，采用旋转步进电机通过偏心夹具固定住气缸套使之做旋转运动。另一个线性步进电机通过滚珠丝杠带动激光头垂直上下移动。从而使激光在气缸套的内壁上雕刻出网格状，提高了气缸套的寿命。

3  滚珠丝杠的选择

滚珠丝杠就是将旋转运动转换为直线运动或将直线运动转换为旋转运动。其主要特点有：摩损小、高传动效率、高精度、高速微进给的可能性、高轴向刚度、不能自锁、具有可逆性等。

按照国家的标准GB/T17587.3-1998及在实际应用中的实际例子来说，滚珠丝杠用于将回转运动转换为直线运动;或者说将直线运动转化为执行部件的回转运动，并且还具有很高的传动效率、定位相当准确、精度比较高、轴向刚度强等特点。如果将滚珠丝杠当作活动主体时，螺母将根据相应规格的导程与丝杠的旋转角度一起沿直线移动，被动工件可以连接到螺母座和螺母上，以實现相应的线性运动。

4  步进电机减速机的选择

4.1 步进电机简介

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

4.2 步进电机的主要分类和工作方式

步进电动机有很多的分类方法，结构形式也各种各样，一般按励磁方式分为磁阻式、永磁式和混磁式三种;按相数可分为单相、两相、三相和多相等形式。

①永磁式步进电机：通常为两相，具备着较大的输出转矩和良好的动态性能等优点，它的缺点就是步距角较大而且电机存在着精度差。

②反应式步进电机：通常为三相，转矩输出大、结构简单、成本低且步距角比较小。缺点是效率低、发热大、噪音大，对工人身体有影响而且动态性能也很差。

③永磁感应分步进电动机：它具有上述两种步进电机的优点，转动惯量小、允许脉冲转矩大、动态性能比较好、噪音小等特点。永磁感应分步进电动机还又分为两相和五相，两相步距角通常为1.85度，五相步距角通常为 0.73度。对于目前来说，永磁感应子式步进电动机在市场上最受欢迎，使用最广泛。

本文为气缸套网格状激光淬火机床设计，在汽车行业和内燃机制造企业对于内燃机的使用性能和周期有所提升的背景下，以气缸套为研究对象，采用网格状激光淬火，提高了发动机气缸套质量，延长了气缸套的寿命，缩短了发动机大修的周期，提高了气缸套抗摩擦、磨损的性能。

参考文献：

[1]马春印，冯荣，王亚鹏.CA6140型普通车床的数控化改造[J].科技创新导报，2009（30）：66.

[2]傅水根，左晶，裴文中.十二工位数控激光淬火机床的研制[C].2005年中国机械工程学会年会论文集.2005.

[3]金荣植.先进的激光淬火技术在机床零件上的应用[J].金属加工：热加工， 2016（17）：46-49.

[4]徐宏伟，黄玉美，韩旭炤，等.自由型面的五轴激光淬火轨迹规划算法研究[J].中国机械工程，2008（21）：65-68.

[5]花银群，杨继昌，张永康，等.激光淬火+冲击复合强化处理QT800-2的实验研究[J].中国激光，2003（7）：655-658.

[6]周建忠，花银群，杨继昌，等.球铁曲轴激光淬火强化技术研究[J].农业机械学报，2001（3）：109-112.

[7]马春印，冯荣元.缸套活塞激光强化技术的应用[C].全国大功率柴油机学术年会，2007.