CN108465911A - 一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备 - Google Patents
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Abstract
一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备，包括机械装置、电气控制系统、氩弧加热电源系统，机械装置包括第一移动轴、第二移动轴、旋转轴、摆动轴，第一移动轴沿X轴布置，第二移动轴沿Z轴布置，第二移动轴上安装有氩弧焊枪，旋转轴可沿圆周方向运动，旋转轴用于安装铝活塞，摆动轴用于控制旋转轴在X轴、Z轴平面内摆动；氩弧加热电源系统包括氩弧焊机、电位器、电气元件，电位器用于将氩弧电源设置成具有多个峰值电流的电源，电气元件用于选通电位器实现峰值电流的自动切换；电气控制系统控制机械装置运动以及控制氩弧电源。本设计不仅操作简便、生产效率高，而且自动化程度高、控制精度高、重熔质量高、适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及发动机制造行业、有色金属零件表面改性领域，尤其涉及一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备，主要适用于提高铝活塞的使用寿命。
背景技术
发动机铝活塞比重小、重量轻，在汽车柴油发动机中得到广泛应用。但随着发动机爆压的大幅提高，铝活塞在热疲劳和机械疲劳的综合作用下，容易出现裂纹与穿孔失效，严重影响发动机可靠性。活塞裂纹主要起源于喉口，在服役过程中承受最大的热负荷，温度高达380℃以上，而且由于该部位处于铝活塞的心部，铸造组织粗大，自身强度也最低。在发动机工作—停机—工作的冷热循环中，活塞也承受高温—低温—高温的热疲劳载荷循环，在温度最高的喉口部位容易发生开裂现象。
要解决活塞开裂问题，就要设法提高活塞喉口部位强度。对于铝合金而言，细化晶粒是最有效的强化手段，通过对喉口进行局部熔化—凝固处理，在快速凝固的过程中得到细晶粒。为实现喉口部位的快速熔凝，研究人员试验了多种高能密度加热方法，有感应加热、火焰加热、激光加热、电子束加热、氩弧加热等等，得到一些可行的试验结果，从最终结果分析，氩弧加热熔凝技术(也称为氩弧重熔技术)效果是最好的。经过氩弧加热熔凝处理后，处理部位的铝硅合金晶粒尺寸细化为原始尺寸的1/8，强度提高50﹪，分析认为能够达到提高铝活塞寿命的目的。但铝合金活塞喉口熔凝强化技术在国际上属于新技术，市场上并没有相关的生产设备。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的操作复杂、生产效率低的缺陷与问题，提供一种操作简便、生产效率高的柴油机铝活塞喉口重熔专用设备。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备，包括机械装置、电气控制系统、氩弧加热电源系统，所述机械装置包括第一移动轴、第二移动轴、旋转轴、摆动轴，所述第一移动轴沿X轴布置，所述第二移动轴安装在第一移动轴上，第二移动轴沿Z轴布置，第二移动轴可沿X轴移动，第二移动轴上安装有氩弧焊枪，氩弧焊枪可沿Z轴移动，所述旋转轴可沿圆周方向运动，旋转轴的一端用于安装铝活塞，旋转轴的另一端安装在摆动轴上，所述摆动轴用于控制旋转轴在X轴、Z轴平面内摆动，所述氩弧焊枪与铝活塞喉口相互垂直；
所述氩弧加热电源系统，用于提供氩弧电源；
所述电气控制系统，用于控制第一移动轴、第二移动轴、旋转轴、摆动轴运动以及控制氩弧电源。
所述电气控制系统为数控系统，数控系统内置PLC，数控系统通过伺服电机控制第一移动轴、第二移动轴、旋转轴、摆动轴运动。
所述氩弧焊枪的钨极的直径为2.5毫米～3.5毫米，氩弧焊枪的喷嘴的直径为7毫米～10毫米。
所述氩弧加热电源系统包括氩弧焊机、电位器、电气元件；
所述氩弧焊机，用于为氩弧焊枪提供氩弧电源；
所述电位器，用于将氩弧电源设置成具有多个峰值电流的电源；
所述电气元件，用于选通电位器实现峰值电流的自动切换。
所述氩弧电源的额定电流为300安。
所述铝活塞喉口喷涂有活性剂，所述活性剂包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化锰、二氧化钛、氯化钠、氟化钙，所述二氧化硅的质量百分比为95﹪，所述三氧化二铝、二氧化锰、二氧化钛、氯化钠、氟化钙的质量百分比之和为5﹪。
所述氩弧焊枪沿铝活塞喉口圆周方向对铝活塞喉口进行重熔处理，所述电气控制系统控制氩弧焊枪的起弧与收弧相搭接。
所述电气控制系统控制铝活塞喉口重熔时整个铝活塞喉口圆周实现四次峰值电流的切换，四次峰值电流的大小从起弧点到收弧点逐段减小。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备中设备包括机械装置、电气控制系统、氩弧加热电源系统，机械装置包括第一移动轴、第二移动轴、旋转轴、摆动轴，第一移动轴沿X轴布置，第二移动轴沿Z轴布置，旋转轴可沿圆周方向运动，摆动轴用于控制旋转轴在X轴、Z轴平面内摆动，铝活塞装夹在旋转轴上，加工时做圆周运动，摆动轴用以调整氩弧焊枪和铝活塞的工作夹角，移动轴用于调整氩弧焊枪与铝活塞间的间隙，氩弧加热电源系统用于提供氩弧电源，电气控制系统用于控制第一移动轴、第二移动轴、旋转轴、摆动轴运动以及控制氩弧电源，采用上述设计的重熔设备，不仅操作简便，而且生产效率高。因此，本发明操作简便、生产效率高。
2、本发明一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备中电气控制系统为数控系统，数控系统内置PLC，数控系统通过伺服电机控制第一移动轴、第二移动轴、旋转轴、摆动轴运动，这样的设计不仅操作简便、自动化程度高，而且控制精度高。因此，本发明操作简便、自动化程度高、控制精度高。
3、本发明一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备中氩弧焊枪的钨极的直径为2.5毫米～3.5毫米，氩弧焊枪的喷嘴的直径为7毫米～10毫米，铝活塞喉口喷涂有活性剂，上述设计实现了氩弧的压缩和控制，能量密度进一步提高，从而提高了重熔质量；氩弧加热电源系统包括氩弧焊机、电位器、电气元件，利用电位器预设多个峰值电流，通过电气元件选通电位器实现峰值电流的自动切换，可实现电流平滑过渡，保证了重熔层深度的一致；氩弧电源的额定电流为300安，该电源通常作为氩弧焊接的电源，经过功能性的改造可作为重熔电源使用，使得适用范围广。因此，本发明重熔质量高、适用范围广。
4、本发明一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备中氩弧焊枪沿铝活塞喉口圆周方向对铝活塞喉口进行重熔处理，电气控制系统控制氩弧焊枪的起弧与收弧相搭接，上述设计避免了因喉口圆周上存在未强化区域而造成寿命不足的问题；电气控制系统控制铝活塞喉口重熔时整个铝活塞喉口圆周实现四次峰值电流的切换，四次峰值电流的大小从起弧点到收弧点逐段减小，上述操作使得熔凝层深度一致。因此，本发明使用寿命长、重熔强化效果好。
附图说明
图1是本发明中机械装置的结构示意图。
图2是本发明中重熔搭接工艺及电流分段示意图。
图中：第一移动轴1、第二移动轴2、旋转轴3、摆动轴4、铝活塞5。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1、图2，一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备，包括机械装置、电气控制系统、氩弧加热电源系统，所述机械装置包括第一移动轴1、第二移动轴2、旋转轴3、摆动轴4，所述第一移动轴1沿X轴布置，所述第二移动轴2安装在第一移动轴1上，第二移动轴2沿Z轴布置，第二移动轴2可沿X轴移动，第二移动轴2上安装有氩弧焊枪，氩弧焊枪可沿Z轴移动，所述旋转轴3可沿圆周方向运动，旋转轴3的一端用于安装铝活塞5，旋转轴3的另一端安装在摆动轴4上，所述摆动轴4用于控制旋转轴3在X轴、Z轴平面内摆动，所述氩弧焊枪与铝活塞5喉口相互垂直；
所述氩弧加热电源系统，用于提供氩弧电源；
所述电气控制系统，用于控制第一移动轴1、第二移动轴2、旋转轴3、摆动轴4运动以及控制氩弧电源。
所述电气控制系统为数控系统，数控系统内置PLC，数控系统通过伺服电机控制第一移动轴1、第二移动轴2、旋转轴3、摆动轴4运动。
所述氩弧焊枪的钨极的直径为2.5毫米～3.5毫米，氩弧焊枪的喷嘴的直径为7毫米～10毫米。
所述氩弧加热电源系统包括氩弧焊机、电位器、电气元件；
所述氩弧焊机，用于为氩弧焊枪提供氩弧电源；
所述电位器，用于将氩弧电源设置成具有多个峰值电流的电源；
所述电气元件，用于选通电位器实现峰值电流的自动切换。
所述氩弧电源的额定电流为300安。
所述铝活塞5喉口喷涂有活性剂，所述活性剂包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化锰、二氧化钛、氯化钠、氟化钙，所述二氧化硅的质量百分比为95﹪，所述三氧化二铝、二氧化锰、二氧化钛、氯化钠、氟化钙的质量百分比之和为5﹪。
所述氩弧焊枪沿铝活塞5喉口圆周方向对铝活塞5喉口进行重熔处理，所述电气控制系统控制氩弧焊枪的起弧与收弧相搭接。
所述电气控制系统控制铝活塞5喉口重熔时整个铝活塞5喉口圆周实现四次峰值电流的切换，四次峰值电流的大小从起弧点到收弧点逐段减小。
本发明的原理说明如下：
1、机床机械部分(机械装置)
在工艺研究的基础上，确认了活塞熔凝强化工艺过程需要的动作，提出专用设备机械部分组成。工艺过程要求为：熔凝处理过程是连续的，活塞需要围绕中心线按照工艺程序旋转(第一旋转轴)；氩弧焊枪与工件加工部位相对垂直，熔池水平以防止熔液外流，活塞需要摆动到一定角度(第二旋转轴—摆动轴)；氩弧焊枪与工件之间要调整间隙和位置度，加工前后氩弧焊枪要离开工件以留出上料装夹空间，氩弧焊枪需要作二维运动(两个移动轴)，所以机床设计了两个旋转和两个移动共四个自由度，见图1。活塞装夹在旋转轴上，加工时做圆周运动；旋转轴安装在摆动轴上，使活塞可在X、Z轴平面内摆动，用以调整氩弧焊枪和活塞的工作夹角；氩弧焊枪安装在X、Z轴工作台上，可沿水平和垂直方向运动，调整焊枪与工件之间的间隙。
2、电气控制系统
控制系统采用4轴数控系统，所有轴均采用伺服电机控制，移速和转速可自由调节；数控系统内置PLC功能控制机床动作，控制机械部分和氩弧加热电源，以满足工艺需要。
3、氩弧加热电源系统
氩弧加热系统是本研究的重点之一，研究选用了额定电流为300A的氩弧电源，该电源通常作为氩弧焊接的电源，但不能直接用来作为重熔电源使用，需要进行功能性改造。
(1)对电弧的改造
由于活塞需要熔凝处理的喉口部位截面是弧形的，处理时电弧很容易左右偏离或扩大范围，造成中心最大应力区域加工质量不好，也会造成熔凝区域产生气孔。研究中设计采用了氩弧压缩技术，氩弧焊枪上采用了大直径钨极和小直径氩气喷嘴，配合新开发的涂料(活性剂)，实现了氩弧的压缩和控制，能量密度也进一步提高，达到工艺需要。
(2)对氩弧电流控制的改造
本设计对现有的氩弧电源进行了改造——利用电位器预设多个峰值电流，通过电气元件选通电位器实现峰值电流的自动切换，可实现电流平滑过渡，过渡区不会出现电流的突变，很好的保证了重熔层深度的一致。
4、重熔工艺
(1)起弧与收弧
起弧与收弧控制的重要性在于保证熔凝区域的连续和防止气孔的发生。起弧与收弧段必须搭接，否则喉口圆周上会存在未强化区域可能造成寿命不足。起弧与收弧过程由于电流不稳定，容易造成气孔，气孔有可能形成裂纹的起源。起弧与收弧的开始时间、持续时间通过工艺调试确定，由控制系统实现，实现对搭接区域控制、电流上升和下降斜率的控制，满足工艺需要。另外，熔凝处理的起始点也是需要控制的，目的是躲开活塞热应力最大的部位。
(2)工作电流
铝活塞重熔强化技术采用氩弧焊机作为能量源，工作电流需要随着加工过程变化，原因如下：铝合金活塞重熔加工方式为氩弧焊枪沿活塞圆周扫描加热，在此过程中，铝活塞吸收热量，温度不断升高(铝合金导热性能好)，为保证活塞在整个圆周上获得一致的重熔层深度，铝活塞所需热量逐段减小，因此氩弧焊机脉冲电流也应逐段变小。在进行铝活塞重熔时，整个圆周需实现4次峰值电流的切换，保证熔凝层深度一致。起弧、收弧的搭接与电流分段示意图见图2。
实施例：
参见图1，一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备，包括机械装置、电气控制系统、氩弧加热电源系统，所述机械装置包括第一移动轴1、第二移动轴2、旋转轴3、摆动轴4，所述第一移动轴1沿X轴布置，所述第二移动轴2安装在第一移动轴1上，第二移动轴2沿Z轴布置，第二移动轴2可沿X轴移动，第二移动轴2上安装有氩弧焊枪，氩弧焊枪可沿Z轴移动，所述旋转轴3可沿圆周方向运动，旋转轴3的一端用于安装铝活塞5，旋转轴3的另一端安装在摆动轴4上，所述摆动轴4用于控制旋转轴3在X轴、Z轴平面内摆动，所述氩弧焊枪与铝活塞5喉口相互垂直；
所述电气控制系统为数控系统，数控系统内置PLC，数控系统通过伺服电机控制第一移动轴1、第二移动轴2、旋转轴3、摆动轴4运动以及控制氩弧电源；
所述氩弧加热电源系统包括氩弧焊机、电位器、电气元件；所述氩弧焊机，用于为氩弧焊枪提供氩弧电源；所述电位器，用于将氩弧电源设置成具有多个峰值电流的电源；所述电气元件，用于选通电位器实现峰值电流的自动切换；所述氩弧焊枪的钨极的直径为2.5毫米～3.5毫米，氩弧焊枪的喷嘴的直径为7毫米～10毫米；所述氩弧电源的额定电流为300安；
所述铝活塞5喉口喷涂有活性剂，所述活性剂包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化锰、二氧化钛、氯化钠、氟化钙，所述二氧化硅的质量百分比为95﹪，所述三氧化二铝、二氧化锰、二氧化钛、氯化钠、氟化钙的质量百分比之和为5﹪。
参见图2，所述氩弧焊枪沿铝活塞5喉口圆周方向对铝活塞5喉口进行重熔处理，所述电气控制系统控制氩弧焊枪的起弧与收弧相搭接；所述电气控制系统控制铝活塞5喉口重熔时整个铝活塞5喉口圆周实现四次峰值电流的切换，四次峰值电流的大小从起弧点到收弧点逐段减小。
铝活塞重熔技术应用的关键是需要开发出性能好、质量稳定、操作简便、参数合理的生产专用设备，铝基活塞重熔强化技术条件如表1。
表1铝基活塞重熔强化技术条件
依据表1的技术条件，制定了铝合金活塞重熔专用设备的设计参数，见表2，本设计为发动机铝合金活塞熔凝强化处理专用设备，主要由三部分组成：机床机械部分、电气控制系统、氩弧加热电源系统。
表2铝合金活塞重熔专用设备设计参数
依据重熔强化技术条件，在生产专用设备上开发出某铝合金活塞熔凝关键工艺控制参数，包括：活塞重熔速度、电流分段及大小、搭接角度、保护气及流量等，具体见表3。
表3某活塞重熔强化工艺参数
依据上述技术方案，研制了针对某铝活塞的重熔专用设备，设备生产能力为25件/小时。在本设计应用前，某活塞在5万公里左右的短里程发生开裂的比例高达90﹪以上，应用本设计之后，20万公里未发现开裂，最大里程有一部分已经达到35万公里，寿命提高5倍以上。
Claims (8)
1.一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备，其特征在于，包括机械装置、电气控制系统、氩弧加热电源系统，所述机械装置包括第一移动轴（1）、第二移动轴（2）、旋转轴（3）、摆动轴（4），所述第一移动轴（1）沿X轴布置，所述第二移动轴（2）安装在第一移动轴（1）上，第二移动轴（2）沿Z轴布置，第二移动轴（2）可沿X轴移动，第二移动轴（2）上安装有氩弧焊枪，氩弧焊枪可沿Z轴移动，所述旋转轴（3）可沿圆周方向运动，旋转轴（3）的一端用于安装铝活塞（5），旋转轴（3）的另一端安装在摆动轴（4）上，所述摆动轴（4）用于控制旋转轴（3）在X轴、Z轴平面内摆动，所述氩弧焊枪与铝活塞（5）喉口相互垂直；
所述氩弧加热电源系统，用于提供氩弧电源；
所述电气控制系统，用于控制第一移动轴（1）、第二移动轴（2）、旋转轴（3）、摆动轴（4）运动以及控制氩弧电源。
2.根据权利要求1所述的一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备，其特征在于：所述电气控制系统为数控系统，数控系统内置PLC，数控系统通过伺服电机控制第一移动轴（1）、第二移动轴（2）、旋转轴（3）、摆动轴（4）运动。
3.根据权利要求1所述的一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备，其特征在于：所述氩弧焊枪的钨极的直径为2.5毫米～3.5毫米，氩弧焊枪的喷嘴的直径为7毫米～10毫米。
4.根据权利要求1–3中任意一项所述的一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备，其特征在于：
所述氩弧加热电源系统包括氩弧焊机、电位器、电气元件；
所述氩弧焊机，用于为氩弧焊枪提供氩弧电源；
所述电位器，用于将氩弧电源设置成具有多个峰值电流的电源；
所述电气元件，用于选通电位器实现峰值电流的自动切换。
5.根据权利要求4所述的一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备，其特征在于：所述氩弧电源的额定电流为300安。
6.根据权利要求3所述的一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备，其特征在于：所述铝活塞（5）喉口喷涂有活性剂，所述活性剂包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化锰、二氧化钛、氯化钠、氟化钙，所述二氧化硅的质量百分比为95﹪，所述三氧化二铝、二氧化锰、二氧化钛、氯化钠、氟化钙的质量百分比之和为5﹪。
7.根据权利要求4所述的一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备，其特征在于：所述氩弧焊枪沿铝活塞（5）喉口圆周方向对铝活塞（5）喉口进行重熔处理，所述电气控制系统控制氩弧焊枪的起弧与收弧相搭接。
8.根据权利要求7所述的一种柴油机铝活塞喉口重熔专用设备，其特征在于：所述电气控制系统控制铝活塞（5）喉口重熔时整个铝活塞（5）喉口圆周实现四次峰值电流的切换，四次峰值电流的大小从起弧点到收弧点逐段减小。
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