南车戚墅堰机车有限公司 刘建民 沈新建
摘要:
传统的机车柴油机曲轴修理一直以来是等级磨主轴颈、连杆颈,再采取匹配相应的等级轴瓦进行组装即可。早些年也曾探索过热喷涂和镀铁的方法,但终因结合强度低,可靠性较差而没有推广。本文提出了激光熔覆的新工艺,并就其特点在机车柴油机曲轴修理上的可能性进行探索。
关键词:机车柴油机 曲轴修理 新工艺
绪论:
进入二十世纪以来,随着计算机技术和互联网络的发展,制造领域的各种制造新工艺、新趋势让人目不暇接,比如不增不减、云制造、大数据等等,目前以3D打印、特种加工、绿色智能、全球网络为代表的先进制造技术引起了全社会的关注,如何在新工业革命中获取先机已成为各国的战略研究重点。
本文重点解绍了激光熔覆这个新工艺在轨道交通方面的运用之一,机车柴油机曲轴修理工艺的探索。由于尚处于试修阶段,试图抛砖引玉,以期引起更多专业人士的关注和帮助。
一、激光熔覆的工艺介绍
激光熔覆从广义上来说,是3D打印的一种延伸。激光表面熔覆是利用高能量密度光束,使材料表面成分、组织结构和性能实现预期变化的技术。以不同填料方式在被涂覆表面预先放置选择的熔覆材料,经激光照射使之和基体表面薄层同时熔化,并且快速凝固后形成稀释度极低的、与基体形成冶金结合的激光熔覆层,从而显著改善基体表面耐磨、耐腐、耐热、抗氧化和电气特性的一种工艺。
激光熔覆适用于易磨损、冲击、剥蚀、氧化腐蚀局部要求特殊性能的零部件表面涂层制备。也是近年来在多种领域使用的一种新工艺。
激光熔覆的技术特点是:输入热能量密度极高,可在极短的时间内使工件表面温度升到高达5500℃,而基体温度不超过80℃;故零部件只产生小变形、微变形甚至无变形,这是其他表面焊接技术所难以实现的。
二、内燃机车柴油机曲轴的传统修理工艺简介
内燃机柴油机曲轴的传统修理工艺一直是等级磨修曲轴的主轴颈连杆颈,然后再匹配相应等级的轴瓦进行组装即可。
其常规的修理工艺流程(主要工序)为:
工序 |
工序名称 |
工序内容 |
0 |
检查 |
检查曲轴各轴颈尺寸及外观等,确定检修等级 |
5 |
磨连杆颈 |
按大修要求磨连杆颈 |
10 |
磨主轴颈 |
按大修要求磨主轴颈 |
15 |
车连杆颈R |
车连杆颈圆弧 |
20 |
车止推面 |
按检查要求车止推面及抛光主轴颈R |
25 |
探伤 |
磁粉探伤各轴颈及止推面 |
30 |
钳 |
钳工抛光主轴颈、连杆颈油孔及其轴颈 |
35 |
检查 |
检查各轴颈尺寸、止推面开档及跳动、夹角、偏心距及全长跳动、检查各轴颈粗糙度及油孔孔口及表面状况等 |
40 |
清洗 |
清洗曲轴内、外表面 |
45 |
组装 |
组装齿轮、斜油孔及主油孔堵、平衡块等曲轴附件 |
50 |
泵油 |
按试验要求泵油 |
55 |
动平衡 |
按《曲轴动平衡作业指导书》进行动平衡并去重、复平衡,达到设计要求 |
60 |
入库 |
涂油防锈并包装入库 |
此工艺的缺陷是只要有一档主轴颈或连杆颈要磨修等级,其余各档均要磨修同等级尺寸。这样一则给修理带来了较大的工作量,二则也损耗了曲轴的使用寿命。
三、柴油机曲轴修理传统工艺外曾作的尝试
在80年代后期,在柴油机曲轴传统的修理工艺外,曾作了很多尝试。其主要原因是经常遇到曲轴在加工或运用过程中,某一主轴颈或连杆颈加工失误或在运用中遭到非正常的破坏(碾瓦等),这就提出了能否只修理一档主轴颈或连杆颈,使曲轴能恢复原有尺寸使用。
随着热喷涂和镀铁等工艺的出现,分别对钢轴和球铁曲轴进行了不同的尝试。也有一些成功的案例。但随着铁路运输的使用密度和牵引力的强化,这两项工艺都有相当比例的失效,终因造成直接经济损失巨大而没有进行大规模的推广应用。
四、激光熔覆在柴油机曲轴修理工艺上的探索
柴油机曲轴的工作状态受力较复杂,除承受气体压力、惯性力、离心力外,还承受着由于扭转振动而引起的附加载荷。此外抗腐蚀和耐磨也是曲轴使用过程中的重要指标。
随着材料工艺和制造工艺的发展,激光熔覆这一新工艺以其鲜明的特点引起了加工制造业的关注。激光熔覆的熔覆层材料可以超过母体材料的强度,结合力也可达到母体材料力学性能,尤其是抗腐蚀和耐磨的性能更是激光熔覆的优点。
除此,最重要的是可以修复曲轴的设计原形,使得轴瓦的匹配更为简单可靠。也使修复工艺简化,从理论上来说是完全可行的,从实际操作上也是简单可行的。
2014年初,我公司和江苏斯普瑞科技有限公司联合对HXN5机车柴油机曲轴进行了试修,并对相关工艺进行了探索。
用曲轴材料制成对接焊接试板,检测对接焊缝拉伸试验强度为826MPa,断焊缝,焊缝强度值达到母材的要求值,并表明其熔合线结合强度大于该值。对试样熔覆部位进行渗透探伤,未发现线状和点状缺陷。对焊缝和热影响区进行硬度检测,结果如下表。在曲轴实体上进行的焊接试验表明,焊缝与氮化区的交接部位存在毛细裂纹。
激光熔覆曲轴试修图一
试修工艺如下:
工序 |
工序名称 |
工序内容 |
0 |
检查 |
检查曲轴各轴颈尺寸及外观等,确定检修轴颈 |
5 |
车 |
车所要试修的主轴颈或连杆颈 |
10 |
表面预处理 |
清洗处理试修轴颈及相关部位并探伤 |
15 |
激光熔覆 |
激光熔覆所要试修的轴颈 |
20 |
熔覆后检验 |
检查熔覆层硬度、表面缺陷及尺寸等 |
25 |
磨熔覆轴颈 |
磨熔覆轴颈到原形 |
30 |
车熔覆轴颈R |
车熔覆轴颈R |
35 |
车止推面 |
按检查要求车止推面及抛光主轴颈R |
40 |
探伤 |
磁粉探伤熔覆轴颈等 |
45 |
检查 |
检查熔覆轴颈尺寸、止推面开档及跳动、夹角、偏心距及全长跳动、检查各轴颈粗糙度及油孔孔口及表面状况等 |
50 |
清洗 |
清洗曲轴内、外表面 |
55 |
组装 |
组装齿轮、斜油孔及主油孔堵、平衡块等曲轴附件 |
60 |
泵油 |
按试验要求泵油 |
65 |
动平衡 |
按《曲轴动平衡作业指导书》进行动平衡并去重、复平衡,达到设计要求 |
70 |
入库 |
涂油防锈并包装入库 |
以上工序中,有些是可以省略的,但每根曲轴的修理不一样,再者目前处于试验状态,暂且保留。
在试修中我们发现,激光熔覆的材料与母体材料结合牢固,表面抗腐蚀、耐磨性能良好,表现在磨削时抗磨极强,也没有剥落现象,磨后粗糙度也可达到Ra0.4以上,这是相当完美的。
五、激光熔覆在柴油机曲轴修理中要解决的难题
但是,由于HXN5机车柴油机曲轴采用调质、去应力、氮化的热处理工艺,在试修中发现,在轴颈R和轴颈油孔处还有氮化层的局部过渡区,和激光熔覆的结合极易产生裂纹,这主要是在激光熔覆的过程中,氮化层与激光熔覆层的冷却收缩不一致而引起,或许也是激光熔覆材料本身的物理性质的差异所引起,而采用中频淬火的热处理工艺,这种现象就基本可解决(江苏斯普瑞科技有限公司在其他种类的曲轴修理上也试验过)。
但相当多的机车柴油机曲轴采用氮化工艺,要推广应用激光熔覆的新工艺,这也是避不开的一个拦路虎。下一阶段,将在激光熔覆材料和工艺上着手,重点解决这一疑难问题。
六、激光熔覆工艺在轨道交通零部件修理上的前景
激光作为一种强力、非接触、清洁的热源进入加工制造领域后,解决了许多常规方法无法加工和很难加工的技术难题,极大地提高了生产效率和加工质量,因而被称为是未来制造系统的先进加工手段。
在轨道交通方面,尤其是在机车柴油机的主要零部件如机体、曲轴、凸轮轴、连杆等都可以进行强化和修复,当然有些还要做相应的试验,并进行论证后才能推广应用。
作者简介:
南车戚墅堰机车有限公司 刘建民 主任工艺师 高级工程师
沈新建 主任工艺师 教授级高工