CN102179629A

CN102179629A - 内燃机缸套内壁激光刻蚀***及加工方法

Info

Publication number: CN102179629A
Application number: CN2011100670419A
Authority: CN
Inventors: 占剑; 杨明江; 王红才; 覃志康; 邢旭辉
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明公开了一种内燃机缸套内壁激光刻蚀***及加工方法，该***包括机械转动部分、激光器和光路部分、控制部分。转动部分主轴连接同轴编码器，激光经聚焦头聚焦于工件表面，一台工控机控制编码器和声光电源，使得脉冲激光按照给定的刻蚀参数对缸套内壁进行刻蚀加工。本发明的方法能够改善内燃机缸套-活塞环摩擦磨损。通过调整微坑的深径比、面积占有率及微坑的分布角度三个控制参数，来增加缸套—活塞环间润滑油膜的承载力、保存能力及微坑对磨粒的收集能力，从而减小摩擦副的摩擦系数及降低磨损。

Description

内燃机缸套内壁激光刻蚀***及加工方法

技术领域

本发明属于激光加工设备及加工方法，特别是一种用高重复频率的脉冲激光聚焦到缸套内壁表面形成离散式刻蚀微坑加工的设备，及提高缸套-活塞环摩擦副油膜承载力、储油能力及收集磨粒能力的加工方法。

背景技术

缸套和活塞环是内燃机中最重要的摩擦副之一，直接影响内燃机的使用寿命和性能，由于其工作在高温、高速、高压的恶劣条件下，易发生各种磨损，而内燃机的使用寿命和性能在很大程度上取决于这对摩擦副的抗磨性能。目前国内外汽车缸套内壁主要采用砂条机械研磨，八十年代产生了缸套内壁激光淬火技术来提高缸体耐磨性，但激光淬火不能改善缸套－活塞这对摩擦副的摩擦润滑条件，难以达到节油减排的综合目标。影响抗磨性能的因素主要有：缸套表面粗糙度、缸套与活塞环的匹配性能、缸套表面硬度、缸套表面润滑状况等。提高耐磨性能的手段，从当前的科技水平来看，现有的机加工珩磨手段和方法已近发挥至极限。

国外研究者从上世纪九十年代开始进行微造型在摩擦副间的摩擦磨损特性研究，认为在缸套内壁形成以沟槽为主的形貌，有利于缸套—活塞环在摩擦过程中产生的磨粒的收集，并且在上止点区域有利于保存润滑油，从而减小摩擦副磨损。而在缸套内壁刻蚀沟槽激光加工时间长，不利于工程应用。同时研究者考虑以微坑为主的刻蚀形貌，但没有给出刻蚀微坑的综合控制参数及缸套的整体设计。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种对内燃机缸套内壁进行防摩处理的激光刻蚀***。本发明的另一目的在于提供一种可增加储油能力，提高油膜承载力，减小摩擦，降低磨损的内燃机缸套内壁激光刻蚀加工方法。

为实现上述目的，本发明的内燃机缸套内壁激光刻蚀加工方法，具体为：将内燃机缸套内壁分为两个区域处理，自缸套上止点到上止点以下20mm为第一区域，调整工作参数控制第一区域的激光刻蚀微坑直径为20 - 200μm，微坑深径比ε为 0.05 - 0.15，微坑面积占有率S_P为5% - 20%，微坑分布角度θ为15°- 45°；自上止点以下20mm处到下止点为第二区域，调整工作参数控制第二区域的激光刻蚀微坑直径为20 - 200μm，微坑深径比ε为0.1 - 0.25，微坑面积占有率S_P为20% - 40%，微坑分布角度θ为45°- 75°。

进一步，激光刻蚀可以采用缸套转动，激光聚焦头做平动或者缸套不动，激光聚焦头做转动和平动，其中转动和平动由机床控制。

进一步，微坑深径比ε的调整是通过控制激光功率密度和脉宽实现。

进一步，微坑面积占有率S_P及微坑分布角度θ的调整是通过控制机床进给的点距、螺距和转速实现。

内燃机缸套内壁激光刻蚀***，包括激光装置和驱动机构，驱动机构驱动激光装置对缸套内壁各个位置进行激光刻蚀，其特征在于，所述激光刻蚀***还包括编码器、工控机和声光电源，驱动机构用于控制缸套和编码器周向旋转及激光装置轴向移动，编码器用于检测缸套的位置并将检测信号发送至工控机；工控机用于将刻蚀微坑分布参数及检测信号编译为控制信号，并将该控制信号发送至声光电源控制激光装置输出激光，以及控制驱动机构驱动缸套周向旋转和激光装置轴向移动来调整激光刻蚀微坑的工作参数。

进一步，所述激光刻蚀微坑的工作参数包括激光功率密度、脉宽、微坑直径、微坑深径比ε、微坑面积占有率S_P和微坑分布角度θ。

内燃机缸套内壁激光刻蚀***，包括激光装置和驱动机构，驱动机构驱动激光装置对缸套内壁各个位置进行激光刻蚀，其特征在于，所述激光刻蚀***还包括编码器、工控机和声光电源，编码器安装在激光装置上，驱动机构用于控制激光装置在周向旋转和轴向移动，编码器用于检测缸套的位置并将检测信号发送至工控机；工控机用于将刻蚀微坑分布参数及检测信号编译为控制信号，并将该控制信号发送至声光电源控制激光装置输出激光，以及控制驱动机构驱动激光装置周向旋转和轴向移动来调整激光刻蚀微坑的工作参数。

本发明针对缸套不同部位工况特点，对应于缸套中部，设计了富油、高速条件下摩擦副往复运动实验，针对缸套上止点处，设计了贫油、低速条件下摩擦副往复运动实验，得出了微坑深径比、面积占有率及微坑分布角度对摩擦副摩擦磨损特性的影响规律，并与机械珩磨缸套试块进行了对比试验，得出了最佳激光刻蚀微坑参数，完成了缸套内壁激光刻蚀参数的整体摩擦学设计。同时，针对缸套分区域刻蚀的特点设计了一套相应的激光刻蚀***，提出采用外旋转和旋转头内旋转的加工方法，以简单、快捷的完成对内燃机缸套内壁的激光刻蚀加工。

附图说明

图1为本发明的激光刻蚀***的结构示意图；

图2为不同区域下缸套内壁激光刻蚀微坑分布示意图。

具体实施方式

本发明认为缸套与活塞环是一对摩擦副，存在硬度匹配问题。这对激光刻蚀微坑提出如下要求：要有一定的加工频率，以适用于工业应用；尽量减小激光再铸层的厚度，减小激光处理对缸套内壁硬度提高的程度；减小激光处理微坑边缘毛刺现象，即降低后续抛光工艺的难度。

当脉冲激光功率密度较小时，激光对缸套内壁的作用主要是熔凝，这将引起缸套内壁材料硬化，在滑动过程中将引起活塞环的磨损加剧；而当脉冲功率密度较大时，激光对缸套内壁的作用使得加工材料表面强烈气化，导致等离子体抑制了后续激光能量的吸收，降低了加工深度，这也是不可取的。同时考虑脉冲能量对刻蚀微坑参数的影响，认为激光功率密度在10⁷～10⁸W/cm2、脉宽在0.5～10μs时，既能保证刻蚀微坑有一定的深度，又能减小激光处理缸套内壁产生的表面熔凝物和气化物。

本发明设计了一套缸套内壁激光刻蚀的***，如图1所示，脉冲激光通过激光外光路***7，再由聚焦头2聚焦于缸套1内壁，聚焦头2分别有旋转与不旋转两种，依刻蚀方法而定，同轴旋转编码器3主要作用为控制激光刻蚀位置的精度，工控机4主要作用为将刻蚀微坑分布参数编译为控制电信号，提供给旋转编码器3和声光电源5，以实现规定分布参数的微坑刻蚀，声光电源5主要作用是将从工控机发出的控制信号转换为声光调制信号，控制激光器6发出具有可控脉宽及功率密度的脉冲激光，激光器6为YAG激光器（包括制冷机），作用为刻蚀微坑装置提供稳定的基膜激光，激光外光路***7作用是将从激光器6发出的脉冲激光引导至聚焦头2处。

缸套内壁激光刻蚀可控分布技术的基本原理：利用YAG激光刻蚀微坑由控制声光电源的电信号控制激光器输出光脉冲，响应速度很快，光脉冲只滞后电信号几微秒的特点，通过检测装置（高精度高分辨率编码器）测量缸套的位置，用工控机4通过可控分布接口卡和可控分布软件对检测信号在线变分频处理后产生控制声光电源5的电信号，声光电源5控制激光器6输出光脉冲，精确控制缸套内壁刻蚀微坑的圆周向间距，同时通过转动装置（如机床）丝杠驱动聚焦头2移动精确控制刻蚀微坑的轴向间距，从而实现缸套刻蚀微坑二维可控分布。

缸套内壁脉冲YAG激光刻蚀加工有两种方法：第一种为缸套1转动，激光聚焦头2做平动，其结构如上述所示，见图1，首先固定缸套，采用将缸套固定在机床的四爪卡盘上或其他方法固定，从激光器6发出的脉冲YAG激光通过外光路7引导至缸套内壁1进行刻蚀加工，通过调节激光参数，实现不同微坑深径比的激光刻蚀，转动装置机构上（如图1转动装置为机床）装有十万线同轴旋转编码器3，通过调节转动机构（如机床）参数点距、螺距及转速，来实验各种面积占有率及微坑分布角度等缸套内壁激光刻蚀参数的可控；第二种方法为缸套不动，激光聚焦头做转动和平动，将图1中同轴编码器3换为环形同轴编码器与2安装在一起，并将2改装为可旋转的结构，其他结构一致。

如图2所示，本发明的激光刻蚀方法针对缸套—活塞环往复滑动及工况的特点，上止点至上止点以下20mm处区域油膜不易保存，速度低，磨损严重，重点考虑微坑形貌对降低磨损产生的影响，定义为第一区域；对应于缸套中部油膜充足，速度高，重点考虑微坑形貌对降低摩擦副摩擦的影响；缸套下止点区域速度低，但油膜充足，可同缸套中部一起考虑，统称为第二区域（上止点以下20mm处至下止点）。

在第一区域，微坑的作用主要是收集磨粒及储存润滑油，降低磨损。当活塞环在缸套内壁运动中，微坑分布角度反映微坑对摩擦副滑动过程产生磨粒的收集能力，同时随着微坑面积占有率的增加，单位面积内微坑数目增加，或随着微坑深径比的增加，由于摩擦副间润滑油的总量一定，微坑对油的储存减小了表面微坑处以外区域的润滑油，使得整个摩擦副的间隙变小，增加了摩擦力，加大了磨损。在此区域，微坑直径的范围是20～200μm，深径比ε（刻蚀微坑深度与直径的比值）的范围是0.05～0.15；面积占有率S_P（一定面积内微坑的面积占整个面积的比值）的范围是5%～20%；分布角度θ（微坑沿摩擦副滑动方向上的夹角）的范围是15°～45°。

在第二区域，微坑的作用主要是增加油膜承载力，减小摩擦。在高速、油膜充足的工况下，微坑就等同于一个微型压力室，同时当微坑间距达到一定范围内时，微坑之间油膜压力相互影响。在此区域，微坑直径的范围是20～200μm，深径比ε的范围是0.1～0.25；面积占有率S_P的范围是20%～40%；分布角度θ的范围是45°～75°。

需要指出的是根据本发明的具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求记载的范围。

Claims

1.一种内燃机缸套内壁激光刻蚀加工方法，具体为：将内燃机缸套内壁分为两个区域处理，自缸套上止点到上止点以下20mm为第一区域，调整工作参数控制第一区域的激光刻蚀微坑直径为20 - 200μm，微坑深径比ε为 0.05 - 0.15，微坑面积占有率S_P为5% - 20%，微坑分布角度θ为15°- 45°；自上止点以下20mm处到下止点为第二区域，调整工作参数控制第二区域的激光刻蚀微坑直径为20 - 200μm，微坑深径比ε为0.1 - 0.25，微坑面积占有率S_P为20% - 40%，微坑分布角度θ为45°- 75°。

2.如权利要求1所述的内燃机缸套内壁激光刻蚀加工方法，其特征在于，激光刻蚀可以采用缸套转动，激光聚焦头做平动或者缸套不动，激光聚焦头做转动和平动，其中转动和平动由机床控制。

3.如权利要求1所述的内燃机缸套内壁激光刻蚀加工方法，其特征在于，微坑深径比ε的调整是通过控制激光功率密度和脉宽实现。

4.如权利要求1所述的内燃机缸套内壁激光刻蚀加工方法，其特征在于，微坑面积占有率S_P及微坑分布角度θ的调整是通过控制机床进给的点距、螺距和转速实现。

5.采用如权利要求1-4任一项所述激光刻蚀加工方法的激光刻蚀***，包括激光装置和驱动机构，驱动机构驱动激光装置对缸套内壁各个位置进行激光刻蚀，其特征在于，所述激光刻蚀***还包括编码器、工控机和声光电源，驱动机构用于控制缸套和编码器周向旋转及激光装置轴向移动，编码器用于检测缸套的位置并将检测信号发送至工控机；工控机用于将刻蚀微坑分布参数及检测信号编译为控制信号，并将该控制信号发送至声光电源控制激光装置输出激光，以及控制驱动机构驱动缸套周向旋转和激光装置轴向移动来调整激光刻蚀微坑的工作参数。

6.如权利要求5所述的激光刻蚀***，其特征在于，所述激光刻蚀微坑的工作参数包括激光功率密度、脉宽、微坑直径、微坑深径比ε、微坑面积占有率S_P和微坑分布角度θ。

7.采用如权利要求1-4任一项所述激光刻蚀加工方法的激光刻蚀***，包括激光装置和驱动机构，驱动机构驱动激光装置对缸套内壁各个位置进行激光刻蚀，其特征在于，所述激光刻蚀***还包括编码器、工控机和声光电源，编码器安装在激光装置上，驱动机构用于控制激光装置在周向旋转和轴向移动，编码器用于检测缸套的位置并将检测信号发送至工控机；工控机用于将刻蚀微坑分布参数及检测信号编译为控制信号，并将该控制信号发送至声光电源控制激光装置输出激光，以及控制驱动机构驱动激光装置周向旋转和轴向移动来调整激光刻蚀微坑的工作参数。

8.如权利要求7所述的激光刻蚀***，其特征在于，所述激光刻蚀微坑的工作参数包括激光功率密度、脉宽、微坑直径、微坑深径比ε、微坑面积占有率S_P和微坑分布角度θ。