深孔內壁激光熔覆工藝研究

張國超，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中國科學院光學與精密機械研究所 陜西西安 710119

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

1 內壁激光熔覆試驗

試驗采用 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，熔覆過程中采用氬氣保護，每分鐘送粉量為 55 g，載氣量為 300 L/min，缸體內孔尺寸為?230 mm×1 050 mm，熔覆粉末粒度為100～270 目，成分組成如表 1 所列。熔覆過程及效果如圖 1、2 所示。

表1 合金粉末的主要化學成分 %

圖1 熔覆過程照片

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合的保護層，結合層處不存在微裂紋和夾雜等缺陷（見圖 3），熔覆層內部也沒有夾雜、氣孔等缺陷（見圖 4），熔覆質量良好。

圖3 結合層

圖4 熔覆層

激光熔覆完成后對熔覆層進行硬度檢驗，結果如表 2 所列。

表2 內壁熔覆硬度測試結果 HB

由表 2 數據可知，內壁激光熔覆后熔覆層的平均硬度為 234HB，與設計硬度 200～270HB 相符。

2 深孔加工

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

圖5 珩磨機進工藝流程

?230 通孔熔覆后的測量尺寸為?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，并對其進行硬度檢驗，檢驗結果如表 3 所列。

圖6

表3 熔覆層鏜孔硬度檢驗結果 HB

由表 3 數據可知，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。而硬度是內孔加工成品件的重要技術指標，硬度超標會導致立柱和千斤頂在工作過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削熔覆層的過程中產生了一定程度的加工硬化，增加了切削力，加速刀具磨損，導致刀具后角變小，修光刃變長，切削溫度上升，使加工硬化加劇；同時，測量機加工內孔時發(fā)現開始位置比結束位置孔徑大 0.2 mm，刀具磨損顯著（見圖 7）。

圖7 刀具磨損照片

加工硬化與刀具選擇以及車削方式存在一定關系，為了驗證不同刀具及車削方式對熔覆層硬度的影響，采用與內壁激光熔覆相同工藝在 2 個工件外壁上進行熔覆，采用不同刀具對工件進行粗車和精車對比，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，熔覆參數與內壁熔覆參數一致；熔覆前對工件頭部A、中間部位B和尾部C進行硬度檢測（見圖 8），激光熔覆后對A、B和C3 個位置進行打磨，并進行硬度檢測，同時采用不同刀具車削后，再對這 3 個位置進行檢測，統(tǒng)計數據如表 4所列。

表4 熔覆試件不同工藝加工后的硬度檢測值 HB

圖8

由表 4 數據可知，角磨機打磨后的熔覆層硬度均勻、且與粉末設計硬度一致。采用普通刀具車削后，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。說明隨著車削時間延長，車刀磨損加重，刀尖磨平時產生的加工硬化程度加劇，導致硬度升高，而采用硬度較高的專用刀具在整根工件車完后刀尖未發(fā)生磨損，車削后的硬度與熔覆層硬度基本一致，未產生加工硬度，不同材質的刀具對熔覆層的加工硬化有不同的效應。

由試驗結果可知，刀具選用高溫合金或硬材料，在精鏜加工過程中，精鏜頭的輥輪對鏜過的熔覆層有碾壓作用，使得硬度進一步上升。因此，在深孔加工工藝中須采用粗鏜頭以粗鏜的方式對熔覆層進行加工（見圖 9、10），通過珩磨對內孔表面進行精加工以保證表面光潔度。

圖9 精鏜頭

4 結語

（1）內壁激光熔覆后的熔覆層為冶金結合，無氣孔、夾雜等缺陷。

（2）熔覆層在車削過程中隨著切削力的增加，刀具磨損加速，產生加工硬化現象，建議降低切削線速度和進給量，同時選用高溫合金或硬材料材質的刀具。

圖10 粗鏜頭

（3）精鏜時精鏜頭的輥輪會對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。