利用激光冲击方法改善气缸套掉台失效的研究.pdf

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1、内燃机与配件2014年第9期利用激光冲击方法改善气缸套掉台失效的研究UsingTheMethodofLaserShocktoImproveCylinderLi眦ro娌FailureStudy贺毅张亮亮秦小才(河南省中原内配股份有限公司)[摘要]气缸套支承肩断裂又称掉台，掉台失效是湿式气缸套的一种常见失效形式，其对发动机的危害性极大，利用激光冲击气缸套支承肩退刀槽槽底圆角所形成的弧面，有效地改善其表层组织及应力状态，从而有效地防止气缸套在使用期间因掉台而失效，提高气缸套的使用寿命。[关键词]气缸套离心铸造掉台失效激光冲击金相组织Keywords：cylinderlinercentrifhgal

2、castingoffthemachinefailurelasershockmetallographicstructure，1引言气缸套装人发动机机体后，气缸套的外圆圆柱面受到发动机底孑L的限制，此时气缸套“支承肩”下端面和发动机机体支承肩沉孔的底平面，两个平面形成一个夹角，造成气缸套“支承肩”下端面局部受力过大、受支承面积过小；气缸盖传来缸盖螺栓的作用力，传递给气缸套上端面的一侧，而受到支承的是气缸套中心线另一侧的下端面，这两个力在发动机运行过程中周期性地变化，使气缸套支承肩材料在低于屈服强度情况下发生疲劳断裂；气缸套是发动机的关键零件之一，处于发动机的“心脏”部位，气缸套与活塞、气缸盖共同

3、组成密闭的气缸工作空间。气缸套的可靠性直接决定发动机的可靠性，在气缸套失效模式中，支承肩断裂是一项很危险的失效，轻者损坏活塞及活塞环，重者连缸体、缸盖及连杆都损坏。为了防止气缸套在退刀槽处断缸问题，采用了激光冲击气缸套支承肩退刀槽工艺，气缸套支承肩退刀槽圆弧经激光冲击后，其表面晶粒被细化，且在退刀槽处形成应变硬化及残余压应力，使其机械性能显著提高，因此，对于改善气缸套掉台失效的研究有着极其重要的意义。2实验方法2．1实验缸套及其组织分析通过离心铸造生产的气缸套成份如下：C=(2．00—3．00)％，Si_(1．20—2．50)％，Mn=(0．50～1．00)％，S<0．12％，P<0．30％

4、，Ni、Mo适量。力学性能：抗拉强度曲≥400MPa，弹性模量E≥150Gpa，硬度为(280～320)HBw。金相组织：A型石墨+贝氏体+少量残奥，其金相组织如图2所示，该材质气缸套具有较高强度、耐磨性。图l气缸套基体组织离心铸造水冷金属型生产气缸套时，对于壁厚较大(大于15mm)的气缸套铸件易于形成倾斜状的柱状晶，且在机加工切削过程中，气缸套支承肩与上环带之间退刀槽圆弧表面常为残余拉应力，这些因素常使气缸套支承肩材料在低于屈服强度情况下容易发生疲劳断裂，传统工艺常采用滚压强化支承肩退刀槽方法，减少气缸套使用过程中支承肩断裂的发生。2．2实验设备及激光冲击过程贺毅张亮亮秦小才：利用激光冲击

5、方法改善气缸套掉台失效的研究21激光冲击原理(图3)是利用短脉冲、高峰值密度功率的激光辐射金属材料表面产生高压等离子体冲击波作用于金属表面并向里传播，使冲击波峰值超过材料动态屈服强度(灰铸铁是脆性材料，其动态屈服强度近似等于材料的抗拉强度)，即当冲击波峰值超过灰铸铁材料的抗拉强度时在材料表面产生应变硬化和残余压应力同时使材料发生一定的错位并细化晶粒，且使缸套冲击部位表层呈残余压应力状态，可以松弛材料内部的应力集中，使其机械性能显著提高。从而有效地避免了气缸套在退刀槽处断缸问题的发生。实验采用钕玻璃激光器，入射的激光束能够在气缸套随同夹具回转中心旋转时始终冲击气缸套支承肩与上环带之间的退刀槽处

6、，工作台旋转速度为3。／s，光斑搭接面积不超过激光束光斑面积的1／5。激光光斑直径为5mm，冲击前在冲击部位涂上黑漆，厚度0．2mm，采用水做约束层。利用激光对气缸套退刀槽进行表面冲击处理，如(附图一)所示。其装置主要由四个部分组成：(1)高功率钕玻璃激光系统；(2)激光电源系统；(3)激光能源系统；(4)导光臂与激光冲击头系统。激光装置技术参数：输出光发散度o≤1．7mrad，脉冲能量一42J，峰值功率≥2×109W，激光脉宽度FWHM一23ns，输出不稳定性≤±10％，ASE系统能量～15111J。激光冲击气缸套(图2)，采用波长为1054nm，脉冲宽度为23ns的钕玻璃激光，表面使用较

7、优的黑漆涂层，厚度为2mm，水层厚度为3mm，激光功率密度约为10．6GW／cm2，对气缸套支撑肩与上环带之间的退刀槽进行单次冲击，所述弧面3前，气缸套1先设置在旋转工作台上，进行激光冲击的激光冲击装置固定不动，工作台带动气缸套l转动，气缸套1的转速为3。／s。这样，使入射的激光束5能够在气缸套1随同工作台夹具回转中心旋转的同时始终冲击气缸套1支撑肩2与上环带之间的退刀槽4槽底弧面3处。并且激光冲击前，所述冲