專利名稱：自動化高速電弧噴涂再制造發動機曲軸的工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種自動化高速電弧噴涂系統對斯太爾汽車發動機曲軸進行再制造的路徑規劃方法，屬于熱噴涂技術領域。
背景技術：
隨著汽車進入家庭步伐的加快，中國汽車產業迎來了前所未有的機遇，目前我國汽車保有量約4700萬輛，而每年報廢的汽車都在200萬輛以上，所帶來的環境問題也逐漸突出。因此如果對汽車零部件進行再制造，有節材、節能等巨大的社會效益，有利于汽車產業的可持續發展。曲軸是汽車發動機中價值最高的零件之一，重量約為發動機的10%，成本約為整機的10-20%，所以對曲軸進行再制造加工，提高其再用率對發展綠色循環經濟有重要意義。發動機工作過程中由于磨損使得軸頸出現橢圓和錐度，嚴重時會出現軸頸劃傷、溝痕，導致發動機不能正常工作。目前再制造修復曲軸的技術有堆焊、低溫鍍鐵、電刷鍍和電弧噴涂，但堆焊缺點是對曲軸熱變形較大，造成曲軸各表面相互位置精度變化大，殘余應力大，會降低曲軸抗疲勞強度。低溫鍍鐵不足之處在于曲軸尺寸較大，需要很長的鍍槽，需大量鍍液，且用后鍍液不易保存，因此單件鍍鐵成本較高，且曲軸不鍍部分需先遮蔽，鍍后去掉遮蔽，工藝復雜。電刷鍍用于修復曲軸時鍍層單邊厚度不宜超過1_，只適用于磨損量較小的軸頸。利用電弧噴涂技術再制造曲軸，具有基體升溫低、不會使曲軸發生變形和組織相變，涂層厚度可控范圍大，成本低等優點。但手工電弧噴涂技術作業環境差，需要人數多，涂層厚度均勻性差，因此在以前研究基礎上，提出了機器人自動化高速電弧噴涂再制造發動機曲軸的方法，但不同的噴涂路徑規劃方式對再制造曲軸的生產效率和涂層性能有很大的影響。已有技術中，僅有論文自動化高速電弧噴涂技術再制造發動機曲軸提出過噴涂路徑的設計方法，噴涂過程為噴槍始終垂直于噴涂軸頸表面，曲軸旋轉一周完成一個軸頸的第一遍噴涂,噴槍和曲軸沒有相對運動,但由于曲軸質量大,變位機工作效率額定,在噴涂過程中曲軸旋轉速較低，因此這種噴槍位置固定，僅靠曲軸旋轉完成噴涂的路徑方式的缺點在于噴涂效率低，涂層容易過熱等不足之處。因此，筆者設計了一種新的自動化再制造曲軸噴涂路徑規劃方式，大大提高了生產效率，改善了涂層的性能，可實現曲軸的大規模再制造生產，有極大的推廣應用空間。發明內容
本發明所提供的是一種利用自動化高速電弧噴涂系統對發動機磨損失效曲軸進行再制造的路徑規劃方法。自動化電弧噴涂再制造系統如附圖I所示，此系統中機器人手臂夾持噴槍，曲軸固定在可以旋轉的變位機上，通過中央控制系統對機器人的運動姿態和變位機的旋轉實現聯動。利用控制軟件編程，規劃噴涂路徑。噴涂時噴槍與工件按照設定的路徑自彳丁完成嗔涂作業。
提高電弧噴涂再制造發動機曲軸效率的方法，曲軸裝夾在可以旋轉的變位機上， 離線模式下先在曲軸軸頸上選定一些關鍵點，將噴槍移動按順序移動至這些關鍵點處，并調節好姿態，依次在控制器中記存噴槍在每一位置點的姿態和運動參數。編程結束后機器人便可按照設定的程序沿著關鍵點連成的軌跡運動，在工作狀態下機器人便可調用已記存的路徑和姿態完成曲軸的自動化噴涂作業；其特征包括以下過程
噴涂過程中曲軸在變位機的夾持下W^ #rad/s的速度旋轉，曲軸軸頸兩側圓周方向上等分出關鍵點，同側兩關鍵點弧長距離為13 15mm，依次連接關鍵點，噴槍沿關鍵點連成的路徑在軸頸表面以110 120mm/s的速度做直線運動，噴槍距軸頸表面的噴涂距離為150 180mm，噴槍運行到軸頸圓角處傾斜角度在50 70°范圍內調整。
進一步，噴槍運行到軸頸圓角處傾斜角度為50°。
本發明的內容為設計了一種新型噴涂路徑規劃方法，將噴涂工藝參數與噴涂層的質量建立了對應關系，提高再制造曲軸的生產效率和涂層性能，解決了四個技術難點
一是確定了噴涂射流在軸頸圓角處傾斜角度(如圖2所示)，根據曲軸形狀尺寸， 確定出最佳噴涂角度9為50° 70°，噴涂距離d為150 180mm。在這個范圍內減小噴槍在軸頸圓角處的傾斜角度，增大噴涂距離對提高涂層在圓角處的結合強度有很大的意義。
二是確定了噴涂射流的偏移間距，確定規劃路徑過程中關鍵點的劃分，保證涂層厚度均勻性高，表面平整。
在噴涂射流沉積丘的數學模型基礎上，推導優化設計偏移間距的數學模型，方差值E (S)的大小評價涂層的厚度波動幅值，其值越小，涂層厚度均勻性越高。_1] E(s)= Zxi(G(X1)-S)2n-1
0(x) = ^p(x-/'-5)1=0
式中，Q(X)描述的是噴槍沿平行軌跡移動依次后沉積層的厚度在軸頸表面的平行輪廓線。s為偏移間距，n為最大偏移次數，i為偏移寬度。
根據實際噴涂次數(噴涂厚度)和偏移寬度(軸頸寬度)，計算Q(X)的方差值，方差值最小時確定出的最佳偏移間距，在此路徑下得到的涂層厚度均勻平整。
通過MATLAB對上述數學模型進行編程，根據曲軸的尺寸參數，確定出最佳偏移間距s為13 15mm。
三是確定了噴涂過程中噴槍的平移速度，由于變位機帶動曲軸旋轉的速度為md/s，噴槍在待噴面(軸頸表面)的移動速度與涂層的散熱速度有一定的關系，在噴涂過程中，利用紅外測溫儀測量了不同噴槍移動度時時軸頸表面的溫度值，監控原理如圖3 所示，測試結果如圖4所示，由圖4曲線得出噴槍移動速度在110 120mm/s時，涂層表面溫度控制在150°C以下，涂層散熱速度高，熱應力小，在此范圍內，噴槍移動速度越高，噴涂效率越高。
首先根據最優的噴涂間距，在曲軸軸頸兩側沿周向平均劃分出關鍵點，每個關鍵點(1、3點)之間弧長距離為13 15mm，將這些關鍵點依次連接(如附圖5所示)。路徑規劃過程為，將噴槍移到第一點，調節好噴槍姿態左傾斜50 70°，在噴槍和曲軸扇板不干涉的前提下盡量減小噴槍與軸頸之間的夾角，調整噴槍距圓角處距離為150 180mm，設定噴槍移動速度為110 120mm/s，記存第一點，接著變位機帶動曲軸旋轉一定角度，曲軸旋轉速度為rad/s，噴槍沿軸頸從第一點平移到位置2，右傾斜一定角度，記存第二點，曲軸旋轉一周，依次記存每一個位置點，完成一個軸頸的路徑編程，同理對其他軸頸進行規劃，噴涂過程中，曲軸在變位機的帶動下旋轉，噴槍在軸頸表面做直線左右運動，曲軸旋轉一周可以完成一個軸頸的一遍噴涂。


圖I機器人自動化高速電弧噴涂系統主體部分；
圖2曲軸噴涂示意I-噴槍；2_曲軸；3_變位機；4_機器人；5_中央控制器；6_噴涂射流；7_曲軸軸頸(待噴面)；8_軸頸圓角；
圖3基于紅外熱像儀的涂層表面溫度監控原理圖4噴槍移動速度與涂層表面溫度關系圖5本發明噴涂路徑示意圖6文獻報道噴涂路徑示意圖73Crl3涂層SEM橫截面形貌；
圖8不同噴涂路徑制備涂層照片a)文獻報道b)本發明；
圖9不同噴涂路徑再制造后涂層照片a)文獻報道b)本發明。
具體實施方式
本發明通過如下措施來實現
(I)清洗。使用ZQ2539曲軸清洗機、SR-820AII清洗液，6分鐘將清洗機的清洗液加熱到60度，將曲軸裝在清洗機夾具上，對曲軸進行清洗，重點是軸頸和油道。曲軸清潔度限值< 200mg/件，油孔限值< 40mg/件。清洗完后將曲軸吹干，確保曲軸表面無油污、鐵屑、 氧化物。
(2)軸頸檢測。用外徑測微器測量其圓度和圓柱度，其值超過0. 05mm時，應磨削軸頸，減級使用，遵循“減級必氮化”的原則，曲軸可以減I到減4級。也就是說從成本和質量的角度考慮，能減級的一定要減級使用。從修理費用和修后質量兩方面考慮，一般對于磨損不嚴重的且能直接減級使用的曲軸直接減級氮化使用。一般來說，軸頸直徑在80mm以下圓度及圓柱度誤差超過0. 025mm,或直徑在80mm以上圓度及圓柱度誤差超過0. 040mm的曲軸，均應按規定尺寸(修理尺寸)進行修磨。當軸頸磨損嚴重，采用修理尺寸法不能達到修理效果時，應采用自動化高速電弧噴涂涂層技術修復后再磨削至規定的尺寸。
(3)裂紋檢測。用磁粉檢測技術檢查軸頸表面是否存在裂紋，設備型號為 CJW-4000熒光磁粉探傷機，它的工作原理是鐵磁材料被磁化后，由于工件上存在不連續性， 則工件表面和近表面在磁力線會發生局部畸變而產生漏磁場，吸附施加在表面的磁粉，在合適的光照條件下會形成可見的磁痕，從而顯示出不連續性的大小、位置、形狀和嚴重程度坐寸o
10分鐘/件，磁懸液和YC-2熒光磁粉。調節周向磁化電流2400A，縱向磁化直流，16000安匝；將曲軸裝在熒光磁粉探傷機上對曲軸進行探傷探傷標準為《STR曲軸探傷檢測技術標準》，檢查軸頸及圓角處是否有裂紋，對可疑磁痕采用滲透法進行確認；用剩磁檢測儀檢測剩磁不大于2 X 10_4T。
(4)應力檢測。先用EMS-2003金屬磁記憶檢測儀對曲軸主軸頸和連桿軸頸進行應力集中定性檢測并進行分析。然后對應力集中較大的部位用XZU-I型數字超聲檢測儀進行細微檢測。以確定內部的裂紋或夾雜物。
(5)彎曲、扭曲檢測及校正。采用千分表進行測量，曲軸彎曲量小于0. 25mm時，采用表面敲擊法校直。
(6)磨削。用磨床對軸頸進行磨削去掉0. 3 0. 35mm,目的是去除軸頸表面的疲勞層及圓化軸頸。
(7)曲軸防護。在曲軸非噴涂的部位刷銀粉以及其它必要的保護。
(8)噴砂。對軸頸表面進行噴砂粗化處理，砂料宜選用16 22目的棕剛玉砂，具體工藝規范參照熱噴涂層的預處理工藝規范。
(9)路徑規劃。首先利用軟件編程設計操作界面，設置所用參數及屬性，然后利用控制軟件編程規劃噴涂路徑。
(10)嗔涂。嗔涂電壓28V ;嗔涂電流120A ;嗔涂距尚180mm ;霧化氣體壓力0.7MPa。噴涂角度接近50 70°。噴涂材料普通用電弧噴涂絲材。噴涂四遍，噴涂厚度為0. 6 0. 8mm。噴槍的運動速度、姿態及軌跡由事先編輯好的自動化噴涂程序控制。
(11)磨削。對噴涂后的軸頸表面進行磨削加工,磨削余量為0. 3 0. 45mm。達到標準尺寸。
(12)使用前的性能檢測。利用抽檢等方法對再制造進行表面厚度、彎曲疲勞、應力等性能的檢測。分析產品是否符合再制造曲軸產品的使用指標要求。
(13)正常裝機試車，使用噴涂曲軸裝配的發動機合格入庫并在裝機檔案中標明， 以便后續跟蹤。
實施例采用文獻報道路徑進行噴涂實驗和采用筆者新發明路徑噴涂實驗
文獻報道噴涂路徑為，噴涂時噴槍始終保持垂直于曲軸軸頸的姿態，曲軸軸頸橫向分為4道，曲軸轉動，轉動一周后停止，噴槍移到下一道噴涂位置后，曲軸繼續向相反方向轉動，依此噴涂四道結束后，完成一個軸頸的一遍噴涂，路徑規劃方式如圖6所示。
本發明設計的新型噴涂路徑的特征在于，首先根據最優的噴涂間距，在曲軸軸頸兩側沿周向平均劃分出關鍵點，每個關鍵點(1、3點)弧長之間距離為13 15mm，將這些關鍵點依次連接(如附圖5所示)。路徑規劃過程為，將噴槍移到第一點，調節好噴槍姿態左傾斜50 70°，在噴槍和曲軸扇板不干涉的前提下盡量減小噴槍與軸頸之間的夾角，調整噴槍距圓角處距離為150 180mm,設定噴槍移動速度為110 120mm/s,記存第一點,接著變位機帶動曲軸旋轉一定角度，曲軸旋轉速度為#rad/s，噴槍沿軸頸從第一點平移到位置2，右傾斜一定角度，記存第二點，曲軸旋轉一周，依次記存每一個位置點，完成一個軸頸的路徑編程，同理對其他軸頸進行規劃，噴涂過程中，曲軸在變位機的帶動下旋轉，噴槍在軸頸表面做直線左右運動，曲軸旋轉一周可以完成一個軸頸的一遍噴涂。
本發明提高了再制造廢舊發動機曲軸生產效率，改善了噴涂層的性能。采用文獻報道中的噴涂路徑進行噴涂實驗，曲軸共有13個軸頸，每個軸頸噴涂四道，即曲軸轉動4周，所以噴涂一遍需要變位機轉動52周，冷卻時再反轉52周。變位機速度是rad/s，因此一根曲軸噴一遍需要耗時52min。完成一根曲軸的第一遍噴涂，變位機需要旋轉104周。 而采用本發明設計的噴涂路徑進行噴涂實驗，曲軸旋轉26周，即可完成一根曲軸的第一遍噴涂。只需要13min。比較得出，采用本發明設計的噴涂路徑，噴涂效率提高了四倍。
圖7是采用本發明設計的噴涂路徑制備的Fe基涂層的SEM橫截面形貌，涂層組織均勻、結構致密，與基體結合緊密，界面處沒有裂紋出現。
涂層的結合強度是影響曲軸使用性能的重要因素之一，噴涂射流與基體表面噴涂角度越大，熔融粒子到達基體表面的沖擊力越大，在基體表面很好的鋪展、浸潤，能大大提高涂層的結合強度。采用文獻報道中噴涂路徑，噴涂射流只是垂直于軸頸表面，而在“R”角處沒有偏斜，涂層在“R”處結合強度很低，噴涂四遍后涂層有開裂、剝落的現象出現，如圖 8(a)所示。采用本發明的噴涂路徑，噴涂過程中噴槍在軸頸兩側始終保持45°傾角，噴涂射流垂直指向曲軸“R”角處，大大提高了涂層在“R”角處的結合強度，噴涂四遍也未出現涂層剝落現象，如圖8(b)所示。兩種噴涂路徑制備的涂層的結合強度見表I所示，比較發現采用本發明噴涂制備的涂層的結合強度約是采用文獻報道噴涂路徑制備涂層的兩倍左右。
權利要求
1.提高電弧噴涂再制造發動機曲軸效率的方法，曲軸裝夾在可以旋轉的變位機上，離線模式下先在曲軸軸頸上選定一些關鍵點，將噴槍移動按順序移動至這些關鍵點處，并調節好姿態，依次在控制器中記存噴槍在每一位置點的姿態和運動參數。編程結束后機器人便可按照設定的程序沿著關鍵點連成的軌跡運動，在工作狀態下機器人便可調用已記存的路徑和姿態完成曲軸的自動化噴涂作業；其特征包括以下過程噴涂過程中曲軸在變位機的夾持下以
2.根據權利要求I所述的提高電弧噴涂再制造發動機曲軸效率的方法，其特征在于噴槍運行到軸頸圓角處傾斜角度為50°。
全文摘要
本發明公開了自動化高速電弧噴涂再制造發動機曲軸的工藝。噴涂過程中曲軸在變位機的夾持下以的速度旋轉，曲軸軸頸兩側圓周方向上等分出關鍵點，同側兩關鍵點弧長距離為13～15mm，依次連接關鍵點，噴槍沿關鍵點連成的路徑在軸頸表面以110～120mm/s的速度做直線運動，噴槍距軸頸表面的噴涂距離為150～180mm，噴槍運行到軸頸圓角處傾斜角度在50～70°范圍內調整。本發明大大提高了再制造廢舊曲軸的生產效率，提高了涂層性能，改善了噴涂人員的工作環境，節能、節材及環保效果非常明顯，應用前景廣闊。
文檔編號C23C4/12GK102534461SQ201210049550
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月29日 優先權日2012年2月29日
發明者劉毅, 張志彬, 徐濱士, 梁秀兵, 田浩亮, 陳永雄, 魏世丞 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學院