激光熔覆再制造缸筒內壁的軌跡規劃

劉旭輝， 李章東

（河南理工大學，河南 焦作454000）

0 引 言

激光熔覆技術是一種涉及光、機、電、計算機、材料、物理、化學等多門學科的跨學科高新技術。它是20世紀70年代逐漸興起的一種新型表面改性技術，與傳統的電鍍、熱噴涂、熱變形、冷變形、滲碳等技術相比，激光熔覆具有熔覆層組織致密、晶粒細小、良好的力學性能及很高的經濟效益等優點，廣泛應用于機械制造與維修、航空航天、模具、石油化工等領域[1]。

液壓油缸是各類機械中非常重要的一個部件，應用非常廣泛。在使用過程中常由于密封件磨損、缸筒磨損、內壁腐蝕、活塞或活塞桿劃傷等造成故障。在影響液壓油缸失效的眾多因素中，缸筒內壁的磨損是其失效的主要原因之一，能夠降低液壓缸的使用壽命，因此采用激光熔覆技術進行缸筒修復。由于缸筒內壁加工的復雜性，選擇合理的軌跡規劃是至關重要的。高質量的路徑規劃可以提高熔覆效率，縮短加工時間，并且能大大提高曲面的加工精度、光滑性，以減少后續加工的工作量。

針對零件內壁的激光熔覆試驗，國內外有許多成功的案列[2-3]。武漢理工大學的向家濤等[4]研究了激光熔覆技術在內燃機氣缸套內壁中的應用，研究表明，利用激光熔覆技術制備的合金涂層具有良好的綜合力學性能、耐腐蝕性能和耐磨損性能。河南交通職業技術學院的張俊等[5]研究了激光熔覆技術在發動機缸體內壁中的應用。而對于內壁激光熔覆技術，由于其工作環境的復雜性，熔覆軌跡的合理規劃成為影響熔覆層質量的主要因素之一。新疆大學的黃勇等[6]研究了復雜軸類零件的激光熔覆再制造軌跡規劃，并證明了NURBS曲線插補的可行性。

本文采用NURBS曲線等弧長插補方法，給出合理的節點矢量，通過一系列算法求解出等弧長插補曲線，并應用于缸筒內壁的激光熔覆試驗。

1 非均勻有理B樣條曲線

由于工程實際需要精確表示二次曲線弧與二次曲面，而貝奇爾方法、B樣條方法不能滿足這一需要，人們就提出了新的數學方法——NURBS方法。它是在B樣條方法的基礎上，引入了權因子與分母，看似簡單，卻導致了投影變換、幾何原理與算法、權因子的意義與作用、權因子與參數化等一系列新概念與性質[7]。

一條k次NURBS曲線的有理多項式函數表示如下：

式中：u為NURBS曲線的參數；vi為控制頂點；ωi為依附于相應控制多邊形頂點的權因子，i=0,1，…，n；Ni,k(u)為第i個k次B樣條基函數，定義在節點矢量U={u0,u1,…，un+k+1}上。

目前，在工程中應用最多的是三次NURBS曲線，因此在上述有理多項式函數的基礎上可以用矩陣表示為

令節點矢量U={u0,u1,…，un+5}兩端的節點重復度為4，u0=u1=u2=u3=0，un+2=un+3=un+4=un+5=1。其余節點可采用積累弦長參數化進行計算[8]。

2 激光等弧長插補

2.1 軸類零件激光熔覆原理

圖1 軸類零件激光熔覆原理

普通軸類零件的激光熔覆原理如圖1所示。激光束在零件表面進行螺旋線掃描。為了實現這一過程，在激光熔覆過程中，普通軸類零件需繞中心轉動，激光束沿著零件表面進行插補。假設激光束在零件表面的插補點為ki、ki+1、…，當零件轉動一周，激光束將插補一段長度為kiki+1，并且每次插補的長度都相同。由于插補的軌跡為直線，激光束的離焦量不需要變化，但此方法只適用于沿軸線做等步距的插補運動。對于液壓缸缸筒內壁來說，進行激光熔覆的工作面是一段弧，如圖2所示。若采用等步距的插補方法，在弧AB上，沿著X軸進給等距離的Δx，而激光束掃過的弧長Δs并不相等。為了解決這一問題，本文提出一種面向激光熔覆再制造的NURBS曲線等弧長插補方法。

圖2 等弧長插補

2.2 激光熔覆等弧長插補計算

3 激光熔覆試驗

試驗基體材料選用45鋼，并加工成內徑為80 mm、外徑為102 mm、長度為500 mm的空心圓筒來作為缸筒模擬件。基體材料的化學成分如表1所示。

表1 基體材料的化學成分質量分數 %

試驗設備是由一套專門適用于機床的激光頭夾具、激光器、送粉系統等組成。首先在試件中進行多次熔覆試驗，選出一組合理的工藝參數：激光功率為1600 W，掃描速度為6 mm/s，送粉速率為12 g/min，搭接率為50%。然后在MATLAB中編寫等弧長的插補計算程序，并結合工藝試驗調用仿真程序，模擬激光掃描路徑如圖3所示。采用螺旋徑向掃描方式對缸筒內壁進行激光熔覆。通過對缸筒內壁進行激光熔覆，得到的形貌圖如圖4所示。通過觀察分析可見，熔覆層組織結構致密，表面光滑，沒有明顯的宏觀裂紋與氣孔出現，形貌較好。

圖3 激光掃描路徑

圖4 激光熔覆后形貌

4 結 論

1）通過對激光熔覆在普通軸類零件的應用分析，得出在缸筒內壁中進行激光熔覆技術是可行的。2）為了得到形貌較好的熔覆層，提出一種面向激光熔覆再制造的NURBS曲線等弧長插補方法。3）對于熔覆后形貌的分析表明，在激光功率為1600 W、掃描速度為6 mm/s、送粉速率為12 g/min、搭接率50%下制備的熔覆層組織結構致密無缺陷，證明NURBS曲線等弧長插補方法是一種可行的軌跡規劃方法。