機床滑動導軌表面修復技術研究

王 超 石麗娟

（1.山西工程技術學院 機械工程系，陽泉 045000； 2.山西華陽集團新能源股份有限公司煤層氣發電分公司，陽泉 045000）

在工業生產中，機床具有十分重要的作用[1]。滑動導軌作為機床中常用的導軌之一，要承受切削過程中的切削力和自身的重力[2]。在滑動導軌滑動過程中，導軌面之間產生相對摩擦進而產生磨損，直接影響加工質量[3-4]。

激光熔覆技術是一種表面修復技術，在修復領域占有重要地位。它主要是在受到磨損的材料表面添加相關熔覆材料，在激光束的作用下，通過快速融化、結合完成修復。國內學者對導軌激光熔覆修復進行了相關研究。范君從光纖激光修復入手，闡述光纖激光修復的成套設備，并利用設備進行了相關實驗研究，實驗結果表明光纖激光修復能提高導軌的多項機械性能，并證實了實驗的可行性[5]。王玉琳等人對機床導軌再制造進行了深入研究，提出了導軌的主要失效形式和修復方法[3]。趙文強等人對光纖激光修復進行了有限元研究，介紹了激光熔覆的合金耐磨層涂覆材料，并取得了良好效果[6]。譚雁清等人對導軌疲勞磨損進行定量研究，測得了在干摩擦和邊界潤滑條件下的疲勞磨損指數[7]。董兵天對導軌表面激光熔覆修復技術進行探討，總結了導軌表面激光熔覆修復技術的優勢和工藝[8]。本文從導軌的表面修復技術著手，針對磨損問題對激光熔覆修復導軌進行相關研究。

1 機床導軌表面修復

隨著發展循環經濟的提出，再制造應運而生。它的核心內容是翻新舊設備，將舊設備重新投入使用。再制造不僅能節省材料、人力，而且可以延長設備的使用壽命。在舊設備中，最先要修復的是易磨損、腐蝕、變形和氧化的部件。機床滑動導軌在長時間相互摩擦過程中產生磨損，降低了性能。采用表面熔覆方式進行修復，可最大限度利用原導軌材料，且維修時間較短，可以滿足生產需要。

1.1 激光表面熔覆技術

激光熔覆是一種主要采用激光技術對導軌進行表面修復的手段，常用于工業領域。它的應用范圍主要集中在零部件的表面修復，修復后的表層有耐磨、耐腐蝕、耐高溫特性。激光加工主要利用光的能量，經過透鏡聚焦，在焦點上達到很高的能量，短時間內完成對材料的融化和加工。激光修復技術在此基礎上發展起來，根據原理和材料供應方式的不同，分為預置式激光熔覆、同步式激光熔覆及光纖激光熔覆3種。

機床滑動導軌在使用中會產生磨損，導致加工產品質量下降甚至出現廢品。當機床滑動導軌表面由于雜質和長時間工作產生劃傷或者磨損時，會直接影響加工零件的質量。作為導軌快速修復技術，激光表面熔覆的優點主要表現在以下3個方面。第一，修復后，冷卻速度比其他技術快。在采用激光表面熔覆技術進行加工時，冷凝速度快。修復后的組織較為致密、均勻，可以滿足導軌的表面粗糙度要求。熔覆后的表面具有很高的強度、耐磨、耐蝕和耐熱性能，能夠滿足導軌的耐磨要求。第二，修復過程速度快。激光熔覆需要的功率較大，升溫速度快，加工速度快。它可以在短時間內融化熔覆材料，尤其在低熔點，金屬材料熔覆高熔金屬材料的性能更好。激光束在接觸基體材料后很快離開，不會對基體材料產生熱變形影響。應用中，激光熔覆可以做到對熔覆層的厚度、寬度和成分進行精準控制，大大節省了材料。第三，修復技術先進。激光熔覆比較安全環保，不會產生任何污染，可以與機器人和數控機床結合使用，工藝多變。此外，熔覆粉末選擇局限小，可以以較為簡單的方法完成激光熔覆。

1.2 復印成型工藝

復印成型工藝通過調整溜板精度，保證導軌水平。在進行復印成型工藝之前，需清理導軌面，保證其清潔，銑去原有的導軌面銑去耐磨涂層。若還有余料，用手工方式刮掉，然后進行調膠、涂覆、扣模，避免出現氣孔，并制造油槽。最后，跑和、扣合，檢測其接觸精度，保證出廠精度。修復后的機床導軌相關精度可以達到出廠精度，效果優良。

2 激光熔覆技術用于機床導軌表面修復

機床導軌受到載荷、速度的影響做表面往復運動。運動過程中，由于金屬切削產生的切屑、雜質等會導致表面產生磨損與劃傷，一旦導軌表面產生損傷，會嚴重影響導軌的加工質量。激光熔覆可以用于機床表面的修復，表面修復性能良好。熔覆層可以獲得更加耐磨、耐腐蝕和耐熱的表面層，可有效避免噴焊、電刷鍍修復容易產生的咬邊、裂紋、變形等缺陷。修復后各項指標有效提升，延長了導軌的使用壽命。

2.1 3種激光熔覆的介紹

預置式激光熔覆是修復滑動導軌副中常采用的一種方式，主要是將熔覆的合金材料置于被磨損、劃傷的機床表面，采用激光照射加熱，使合金粉末與基體材料融化為一體。此時停止激光輻射，合金粉末與導軌副基體材料逐漸凝固形成合金熔覆層。它的材料一般為粉末、絲和板材。這種方法需清潔劃傷和磨損表面具體操作為將合金粉末置于被劃傷和磨損表面熔覆。這種方法也有缺點，即涂覆材料一旦不均勻，便會影響涂覆效果。

同步式激光熔覆配有同步送粉或送絲機構。送料機構會把熔覆材料直接送到激光區，然后激光輻射同時融化基體與熔覆材料達到熔覆效果。這種方法的關鍵是掌握供料機構的方式。供料方式的好壞直接影響激光熔覆的效果，進而影響熔覆層的性能。

光纖激光熔覆需在熔覆前要做好工藝準備，了解導軌的熔覆位置、尺寸情況及熔覆后的性能要求，采用光纖作為激光傳輸系統，通過添加冷卻水，對設備進行抽氣和充氣，完成激光的校準、聚焦、工藝參數調整進行加工。采用此種方法熔覆效果良好，表面變形好，可大大提高多項機械性能。

2.2 熔覆材料的選擇

自熔性碳化復合粉末和自熔性合金粉末是激光熔覆的常用材料。自熔性碳化物復合粉末常用于硬質合金材料的熔覆，熔覆層不會出現裂紋。自熔性合金粉末常用于鑄鋼、碳鋼和不銹鋼等材質的熔覆，熔覆性能較好。鎳基自熔粉末常用來作為機床滑動導軌的激光熔覆修復材料，熔覆后組織致密，無氣孔夾雜等缺陷，不會出現裂紋，且耐磨、耐熱和耐腐蝕性能較好。

3 復印成型工藝

復印成型技術對導軌的磨損修復是近幾年提出的方法，方法新穎，具有創新性。它主要針對導軌的“一V一平”結構，在發生磨損后研究難以修復的問題。通過精度檢驗、涂層涂覆、扣模固化以及調整絲杠完成導軌修復，修復機理見圖1。常用的涂覆材料為國產天山新材料TS316系列。涂覆前要根據導軌面積計算所用涂料體積，確保修復后的精度。TS316固化時間一般為24 h。檢驗導軌表面合格后，要經過跑和階段，保證接觸面完全接觸。它解決了此類機床導軌長期依靠廠家維修、維修成本高的難題，具有重大意義。此外，耐磨材料的調膠比例、涂覆等問題還需進一步完善。

4 結語

激光熔覆、復印成型修復機床導軌有著重要的工業意義，可以減少維護成本，降低工人的勞動強度，是實現循環經濟的重要手段。激光熔覆和復印成型在修復導軌方面各有優勢，激光熔覆操作較為簡單容易實現，復印成型操作較為復雜，但修復后可以達到出廠精度。隨著人們對熔覆技術、復印成型研究的不斷深入，將來會進一步提高這些技術的技術水平。