深孔內(nèi)壁激光熔覆工藝研究

張國(guó)超，王曉飚,2，湯 波，楊英滔，李 欣

1西安必盛激光科技有限公司 陜西西安 710119

2中國(guó)科學(xué)院光學(xué)與精密機(jī)械研究所 陜西西安 710119

液壓支架的立柱、千斤頂缸筒因長(zhǎng)期接觸污染的乳化液介質(zhì)導(dǎo)致麻坑剝落、拉傷等，部分立柱缸體出現(xiàn)漏液、竄液，不能繼續(xù)使用[1-2]。傳統(tǒng)的修復(fù)工藝是電鍍鉻和內(nèi)孔熔銅，一方面由于電鍍鉻層結(jié)合力小，容易造成沖擊脫落，電鍍鉻污染環(huán)境，在某些領(lǐng)域已被替代[3-4]，另一方面內(nèi)孔熔銅的防腐能力沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果[5]。因此，采用激光熔覆進(jìn)行修復(fù)。內(nèi)壁激光熔覆是采用內(nèi)壁激光熔覆設(shè)備對(duì)液壓缸內(nèi)孔進(jìn)行熔覆后再深孔加工的一種工藝。

1 內(nèi)壁激光熔覆試驗(yàn)

試驗(yàn)采用 6 000 W 光纖激光器，熔覆功率為 5 900 W，光斑為 2×16 mm，線速度為 8 mm/s，搭接率為35%，單邊熔覆厚度為 1.6 mm，熔覆過(guò)程中采用氬氣保護(hù)，每分鐘送粉量為 55 g，載氣量為 300 L/min，缸體內(nèi)孔尺寸為?230 mm×1 050 mm，熔覆粉末粒度為100～270 目，成分組成如表 1 所列。熔覆過(guò)程及效果如圖 1、2 所示。

表1 合金粉末的主要化學(xué)成分 %

圖1 熔覆過(guò)程照片

圖2 熔覆效果

在電子顯微鏡下觀察熔覆層，激光熔覆后基材表面形成了一層與冶金結(jié)合的保護(hù)層，結(jié)合層處不存在微裂紋和夾雜等缺陷（見(jiàn)圖 3），熔覆層內(nèi)部也沒(méi)有夾雜、氣孔等缺陷（見(jiàn)圖 4），熔覆質(zhì)量良好。

圖3 結(jié)合層

圖4 熔覆層

激光熔覆完成后對(duì)熔覆層進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，結(jié)果如表 2 所列。

表2 內(nèi)壁熔覆硬度測(cè)試結(jié)果 HB

由表 2 數(shù)據(jù)可知，內(nèi)壁激光熔覆后熔覆層的平均硬度為 234HB，與設(shè)計(jì)硬度 200～270HB 相符。

2 深孔加工

熔覆后的缸筒先用深孔鏜床加工，再用珩磨機(jī)進(jìn)行精加工，具體工藝流程如圖 5 所示。

圖5 珩磨機(jī)進(jìn)工藝流程

?230 通孔熔覆后的測(cè)量尺寸為?228.4 mm，按照深孔加工工藝，需單邊鏜去 0.5 mm，去掉熔覆層表面溝槽以形成光面，如圖 6 所示，并對(duì)其進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表 3 所列。

圖6

表3 熔覆層鏜孔硬度檢驗(yàn)結(jié)果 HB

由表 3 數(shù)據(jù)可知，鏜床加工 0.5 mm 后的平均硬度為 429HB，硬度較熔覆層的 234HB 增加了 195HB。而硬度是內(nèi)孔加工成品件的重要技術(shù)指標(biāo)，硬度超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致立柱和千斤頂在工作過(guò)程中損傷活塞和密封件，降低使用壽命。

3 熔覆層硬度增加的原因分析

熔覆層硬度增加的主要原因是在車(chē)削熔覆層的過(guò)程中產(chǎn)生了一定程度的加工硬化，增加了切削力，加速刀具磨損，導(dǎo)致刀具后角變小，修光刃變長(zhǎng)，切削溫度上升，使加工硬化加?。煌瑫r(shí)，測(cè)量機(jī)加工內(nèi)孔時(shí)發(fā)現(xiàn)開(kāi)始位置比結(jié)束位置孔徑大 0.2 mm，刀具磨損顯著（見(jiàn)圖 7）。

圖7 刀具磨損照片

加工硬化與刀具選擇以及車(chē)削方式存在一定關(guān)系，為了驗(yàn)證不同刀具及車(chē)削方式對(duì)熔覆層硬度的影響，采用與內(nèi)壁激光熔覆相同工藝在 2 個(gè)工件外壁上進(jìn)行熔覆，采用不同刀具對(duì)工件進(jìn)行粗車(chē)和精車(chē)對(duì)比，用厚度為 1.6 mm、功率為 5 900 W、線速度為 8 mm/s 的激光熔覆工件外壁，熔覆參數(shù)與內(nèi)壁熔覆參數(shù)一致；熔覆前對(duì)工件頭部A、中間部位B和尾部C進(jìn)行硬度檢測(cè)（見(jiàn)圖 8），激光熔覆后對(duì)A、B和C3 個(gè)位置進(jìn)行打磨，并進(jìn)行硬度檢測(cè)，同時(shí)采用不同刀具車(chē)削后，再對(duì)這 3 個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表 4所列。

表4 熔覆試件不同工藝加工后的硬度檢測(cè)值 HB

圖8

由表 4 數(shù)據(jù)可知，角磨機(jī)打磨后的熔覆層硬度均勻、且與粉末設(shè)計(jì)硬度一致。采用普通刀具車(chē)削后，起始位置的硬度與熔覆層基本一致，加工硬度從中間位置至尾部逐漸增大，相比熔覆層高出約 80HB。說(shuō)明隨著車(chē)削時(shí)間延長(zhǎng)，車(chē)刀磨損加重，刀尖磨平時(shí)產(chǎn)生的加工硬化程度加劇，導(dǎo)致硬度升高，而采用硬度較高的專(zhuān)用刀具在整根工件車(chē)完后刀尖未發(fā)生磨損，車(chē)削后的硬度與熔覆層硬度基本一致，未產(chǎn)生加工硬度，不同材質(zhì)的刀具對(duì)熔覆層的加工硬化有不同的效應(yīng)。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，刀具選用高溫合金或硬材料，在精鏜加工過(guò)程中，精鏜頭的輥輪對(duì)鏜過(guò)的熔覆層有碾壓作用，使得硬度進(jìn)一步上升。因此，在深孔加工工藝中須采用粗鏜頭以粗鏜的方式對(duì)熔覆層進(jìn)行加工（見(jiàn)圖 9、10），通過(guò)珩磨對(duì)內(nèi)孔表面進(jìn)行精加工以保證表面光潔度。

圖9 精鏜頭

4 結(jié)語(yǔ)

（1）內(nèi)壁激光熔覆后的熔覆層為冶金結(jié)合，無(wú)氣孔、夾雜等缺陷。

（2）熔覆層在車(chē)削過(guò)程中隨著切削力的增加，刀具磨損加速，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，建議降低切削線速度和進(jìn)給量，同時(shí)選用高溫合金或硬材料材質(zhì)的刀具。

圖10 粗鏜頭

（3）精鏜時(shí)精鏜頭的輥輪會(huì)對(duì)熔覆層表面造成一定的輥壓，加劇了加工硬化，將熔覆完的精鏜頭改為粗鏜頭以減少輥壓。