農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體如何修復(fù)的探討

莊月芹

【摘 要】農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體損壞是常見毛病，如何修復(fù)是拖拉機(jī)維修和修復(fù)工作中的最大難題，目前對(duì)這方面的研究還很少。為了實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的快速修復(fù)，提高修復(fù)效果，提出了一種基于激光熔覆的拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體修復(fù)技術(shù)，利用三維模型布爾操作和掃描輪廓技術(shù)實(shí)現(xiàn)了缺失部件的建模，利用分層切片處理與截面輪廓線填充實(shí)現(xiàn)了激光熔覆路徑規(guī)劃。為了驗(yàn)證激光熔覆技術(shù)的可行性，建立了激光熔覆修復(fù)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)一款重型拖拉機(jī)的缸體修復(fù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：采用激光熔覆技術(shù)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的凹陷部位基本恢復(fù)原貌，且修復(fù)后的強(qiáng)度和未修復(fù)部位基本一致，從而驗(yàn)證了激光熔覆修復(fù)的精度和可靠性，對(duì)激光成形維修技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】拖拉機(jī)；發(fā)動(dòng)機(jī)；缸體修復(fù)；激光熔覆；路徑規(guī)劃；

0 引言

隨著農(nóng)機(jī)化的快速發(fā)展，重型大馬力拖拉機(jī)在農(nóng)村的保有量逐年增加，而拖拉機(jī)的維修也出現(xiàn)了不少問題?，F(xiàn)在的修理廠只是簡(jiǎn)單地拆裝與換件，類似發(fā)動(dòng)機(jī)缸體磨損等問題無力解決，對(duì)重型拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用造成了很大的困擾。激光熔覆是目前廣泛使用的用于難修復(fù)金屬表面的高新技術(shù)，可以對(duì)復(fù)雜表面實(shí)現(xiàn)高精度的修復(fù)，且熱區(qū)對(duì)零部件整體的影響小，修復(fù)部位的可靠性好，通過數(shù)控技術(shù)還可以使激光熔覆技術(shù)操作更加簡(jiǎn)單。如果將其引入到拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體修復(fù)技術(shù)上，會(huì)大大提高修復(fù)效率和修復(fù)質(zhì)量，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和提高。

1 激光熔覆修復(fù)系統(tǒng)和工藝過程

激光熔覆技術(shù)比激光焊接技術(shù)在修復(fù)方面具有更好的優(yōu)越性，目前已經(jīng)被廣泛使用在各種金屬設(shè)備的制備、修復(fù)及表面強(qiáng)化上，取得了非常好的效果。激光熔覆修復(fù)技術(shù)的作業(yè)方式主要有兩種：一是采用預(yù)置供料的方法，將進(jìn)行激光熔覆的材料先涂在待修復(fù)的部位；二是采用送粉供料的方法，將熔覆材料直接融化后噴涂。激光熔覆修復(fù)系統(tǒng)主要由 5 部分組成，包括送粉裝置、分粉裝置、溫度傳感器、激光器和激光工作頭。當(dāng)激光器產(chǎn)生的激光通過工作頭作用在待修復(fù)部位時(shí)，金屬材料粉末迅速融化和冷卻，從而快速填充了凹陷部位。整個(gè)作業(yè)過程通過工作臺(tái)控制，工作臺(tái)上具有數(shù)控裝置，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，從而保證了作業(yè)的效率和精度。采用激光熔覆修復(fù)技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行修復(fù)時(shí)，首先需要對(duì)缸體進(jìn)行無損監(jiān)測(cè)，然后將損壞部位進(jìn)行表面清潔，再規(guī)劃激光熔覆修復(fù)的工作頭動(dòng)作路徑，最后進(jìn)行激光熔覆。激光熔覆初步完成后需要對(duì)表面進(jìn)行修正，使表面層恢復(fù)，最后通過質(zhì)量檢測(cè)驗(yàn)證激光修復(fù)的效果

2 零件缺失部模型重建和激光熔覆路徑規(guī)劃

對(duì)于激光熔覆部位的路徑規(guī)劃，首先需要對(duì)原始模型和破損的模型進(jìn)行建模。通過布爾操作將原始模型中刪掉破損后的模型，便可以得到待修復(fù)部位的模型，在缺失部分求解時(shí)，首先需要對(duì)原始部件和破損后部件進(jìn)行布爾減法操作，操作后的模型將面進(jìn)行規(guī)劃，路徑規(guī)劃過程主要是對(duì)掃描線和輪廓折線交點(diǎn)的求解。折線和掃描線相交一般分為兩種情況：一是折線和掃描線垂直，二是折線和掃描線相交但是不垂直。

假設(shè)掃描線和折線段的交點(diǎn)是 Pj 的 x 和 y 坐標(biāo)，則可以求出掃描線和折線段的交點(diǎn)。如果掃描線和折線段存在交點(diǎn)但不垂直，則其交點(diǎn)為k =yp0 - yp1，xp0 - xp1ypj = scan_yx，pj =yp0 - scan_yk+ xp0（2）

求出交點(diǎn)后，可以將路徑掃描分為兩步：第 1 步是將掃描點(diǎn)和路徑輪廓線的交點(diǎn)求出來；第 2 步是將求出的交點(diǎn)進(jìn)行分組，分組是按照 y 坐標(biāo)來分組的，將 y 坐標(biāo)相同的交點(diǎn)作為一組。分組步驟為：

1）初始化 i，將 i 值置為 0；

2）將掃描線的條數(shù) scan_num+1 和 i 值進(jìn)行比較，如果掃描線條數(shù)大于 i值，則可以進(jìn)行下一步；如果小于該值，則計(jì)算終止；

3）將計(jì)算變量 scan_y = m_scan[i].scan_y+ num引入到計(jì)算過程中，將 y 坐標(biāo)值賦值給 scan_y；

4）繼續(xù)初始化 j，將 j 值置為 0；

5）判斷 j 和 n 的大小，如圖 j 比 n 大，則進(jìn)行下一步，如果比 n 小，則返回到初始步驟；

6）運(yùn)用 CalScanPoint 函數(shù)對(duì)掃描線和折線段的點(diǎn)進(jìn)行求解，然后將 PointP 數(shù)據(jù)存到屬性中，J++轉(zhuǎn)入步驟 5）；

7）i++，轉(zhuǎn)入步驟 2）。

通過以上步驟，可以得到拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)激光熔覆修復(fù)的基本規(guī)劃路徑，然后根據(jù)路徑進(jìn)行數(shù)控編程后，可以實(shí)現(xiàn)激光熔覆的自動(dòng)化操作。

3 拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體修復(fù)技術(shù)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證激光熔覆技術(shù)對(duì)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體修復(fù)的可行性，以某款重型拖來機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體修復(fù)為例，對(duì)該技術(shù)的可行性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。重型拖拉機(jī)的作業(yè)負(fù)載較大，其作業(yè)情節(jié)為重型拖來機(jī)作業(yè)的環(huán)境一般比較惡劣，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于大功率作業(yè)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)積碳較多，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的傷害也比較大。將存在發(fā)動(dòng)機(jī)故障的拼接機(jī)進(jìn)行拆解，實(shí)驗(yàn)區(qū)域配備了激光熔覆裝置，可以直接進(jìn)行激光熔覆修復(fù)操作。首先將需要修復(fù)的部位進(jìn)行編號(hào)，假如缸體損壞的部位有兩處，則編號(hào)分別為修復(fù) 1 和修復(fù) 2。以一處損壞嚴(yán)重的地方為例，對(duì)激光熔覆修復(fù)的效果進(jìn)行驗(yàn)證。通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)：該裂紋部分的最大長(zhǎng)度為 8.5mm，最大寬度為

7.8mm，最大深度為 1.5mm。通過激光熔覆修復(fù)后，其樣貌和其他未發(fā)生損壞的樣貌一致，從而驗(yàn)證了激光熔覆修復(fù)技術(shù)的可行性。對(duì)修復(fù)部位和未破損部位的硬度進(jìn)行了測(cè)試，得到了如表 1 所示的結(jié)果為了進(jìn)一步研究激光熔覆修復(fù)技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體修復(fù)的可靠性，對(duì)未破損部位和修復(fù)部位進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：未破損部位和修復(fù)部位的硬度吻合程度較高，從而驗(yàn)證了該方法的可靠性。

4 結(jié)論

為了解決拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體修復(fù)技術(shù)的難題，提出了一種基于激光熔覆技術(shù)的缸體修復(fù)技術(shù)，并對(duì)其可行性和修復(fù)效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用三維模型布爾操作和掃描輪廓技術(shù)建立了缺失部件的模型，利用分層切片處理與截面輪廓線填充進(jìn)行了熔覆的路徑規(guī)劃，將路徑使用數(shù)控編程，實(shí)現(xiàn)了修復(fù)的自動(dòng)化作業(yè)。采用激光熔覆修復(fù)技術(shù)平臺(tái)對(duì)一款重型發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體進(jìn)行了修復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：激光熔覆修后的表面和未破損部位基本一致，且力學(xué)性能也符合機(jī)械作業(yè)的需求，對(duì)于拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體修復(fù)技術(shù)的研究具有重要的參考價(jià)值。

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（作者單位：徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院）