机床滑动导轨表面修复技术研究

王 超 石丽娟

（1.山西工程技术学院 机械工程系，阳泉 045000； 2.山西华阳集团新能源股份有限公司煤层气发电分公司，阳泉 045000）

在工业生产中，机床具有十分重要的作用[1]。滑动导轨作为机床中常用的导轨之一，要承受切削过程中的切削力和自身的重力[2]。在滑动导轨滑动过程中，导轨面之间产生相对摩擦进而产生磨损，直接影响加工质量[3-4]。

激光熔覆技术是一种表面修复技术，在修复领域占有重要地位。它主要是在受到磨损的材料表面添加相关熔覆材料，在激光束的作用下，通过快速融化、结合完成修复。国内学者对导轨激光熔覆修复进行了相关研究。范君从光纤激光修复入手，阐述光纤激光修复的成套设备，并利用设备进行了相关实验研究，实验结果表明光纤激光修复能提高导轨的多项机械性能，并证实了实验的可行性[5]。王玉琳等人对机床导轨再制造进行了深入研究，提出了导轨的主要失效形式和修复方法[3]。赵文强等人对光纤激光修复进行了有限元研究，介绍了激光熔覆的合金耐磨层涂覆材料，并取得了良好效果[6]。谭雁清等人对导轨疲劳磨损进行定量研究，测得了在干摩擦和边界润滑条件下的疲劳磨损指数[7]。董兵天对导轨表面激光熔覆修复技术进行探讨，总结了导轨表面激光熔覆修复技术的优势和工艺[8]。本文从导轨的表面修复技术着手，针对磨损问题对激光熔覆修复导轨进行相关研究。

1 机床导轨表面修复

随着发展循环经济的提出，再制造应运而生。它的核心内容是翻新旧设备，将旧设备重新投入使用。再制造不仅能节省材料、人力，而且可以延长设备的使用寿命。在旧设备中，最先要修复的是易磨损、腐蚀、变形和氧化的部件。机床滑动导轨在长时间相互摩擦过程中产生磨损，降低了性能。采用表面熔覆方式进行修复，可最大限度利用原导轨材料，且维修时间较短，可以满足生产需要。

1.1 激光表面熔覆技术

激光熔覆是一种主要采用激光技术对导轨进行表面修复的手段，常用于工业领域。它的应用范围主要集中在零部件的表面修复，修复后的表层有耐磨、耐腐蚀、耐高温特性。激光加工主要利用光的能量，经过透镜聚焦，在焦点上达到很高的能量，短时间内完成对材料的融化和加工。激光修复技术在此基础上发展起来，根据原理和材料供应方式的不同，分为预置式激光熔覆、同步式激光熔覆及光纤激光熔覆3种。

机床滑动导轨在使用中会产生磨损，导致加工产品质量下降甚至出现废品。当机床滑动导轨表面由于杂质和长时间工作产生划伤或者磨损时，会直接影响加工零件的质量。作为导轨快速修复技术，激光表面熔覆的优点主要表现在以下3个方面。第一，修复后，冷却速度比其他技术快。在采用激光表面熔覆技术进行加工时，冷凝速度快。修复后的组织较为致密、均匀，可以满足导轨的表面粗糙度要求。熔覆后的表面具有很高的强度、耐磨、耐蚀和耐热性能，能够满足导轨的耐磨要求。第二，修复过程速度快。激光熔覆需要的功率较大，升温速度快，加工速度快。它可以在短时间内融化熔覆材料，尤其在低熔点，金属材料熔覆高熔金属材料的性能更好。激光束在接触基体材料后很快离开，不会对基体材料产生热变形影响。应用中，激光熔覆可以做到对熔覆层的厚度、宽度和成分进行精准控制，大大节省了材料。第三，修复技术先进。激光熔覆比较安全环保，不会产生任何污染，可以与机器人和数控机床结合使用，工艺多变。此外，熔覆粉末选择局限小，可以以较为简单的方法完成激光熔覆。

1.2 复印成型工艺

复印成型工艺通过调整溜板精度，保证导轨水平。在进行复印成型工艺之前，需清理导轨面，保证其清洁，铣去原有的导轨面铣去耐磨涂层。若还有余料，用手工方式刮掉，然后进行调胶、涂覆、扣模，避免出现气孔，并制造油槽。最后，跑和、扣合，检测其接触精度，保证出厂精度。修复后的机床导轨相关精度可以达到出厂精度，效果优良。

2 激光熔覆技术用于机床导轨表面修复

机床导轨受到载荷、速度的影响做表面往复运动。运动过程中，由于金属切削产生的切屑、杂质等会导致表面产生磨损与划伤，一旦导轨表面产生损伤，会严重影响导轨的加工质量。激光熔覆可以用于机床表面的修复，表面修复性能良好。熔覆层可以获得更加耐磨、耐腐蚀和耐热的表面层，可有效避免喷焊、电刷镀修复容易产生的咬边、裂纹、变形等缺陷。修复后各项指标有效提升，延长了导轨的使用寿命。

2.1 3种激光熔覆的介绍

预置式激光熔覆是修复滑动导轨副中常采用的一种方式，主要是将熔覆的合金材料置于被磨损、划伤的机床表面，采用激光照射加热，使合金粉末与基体材料融化为一体。此时停止激光辐射，合金粉末与导轨副基体材料逐渐凝固形成合金熔覆层。它的材料一般为粉末、丝和板材。这种方法需清洁划伤和磨损表面具体操作为将合金粉末置于被划伤和磨损表面熔覆。这种方法也有缺点，即涂覆材料一旦不均匀，便会影响涂覆效果。

同步式激光熔覆配有同步送粉或送丝机构。送料机构会把熔覆材料直接送到激光区，然后激光辐射同时融化基体与熔覆材料达到熔覆效果。这种方法的关键是掌握供料机构的方式。供料方式的好坏直接影响激光熔覆的效果，进而影响熔覆层的性能。

光纤激光熔覆需在熔覆前要做好工艺准备，了解导轨的熔覆位置、尺寸情况及熔覆后的性能要求，采用光纤作为激光传输系统，通过添加冷却水，对设备进行抽气和充气，完成激光的校准、聚焦、工艺参数调整进行加工。采用此种方法熔覆效果良好，表面变形好，可大大提高多项机械性能。

2.2 熔覆材料的选择

自熔性碳化复合粉末和自熔性合金粉末是激光熔覆的常用材料。自熔性碳化物复合粉末常用于硬质合金材料的熔覆，熔覆层不会出现裂纹。自熔性合金粉末常用于铸钢、碳钢和不锈钢等材质的熔覆，熔覆性能较好。镍基自熔粉末常用来作为机床滑动导轨的激光熔覆修复材料，熔覆后组织致密，无气孔夹杂等缺陷，不会出现裂纹，且耐磨、耐热和耐腐蚀性能较好。

3 复印成型工艺

复印成型技术对导轨的磨损修复是近几年提出的方法，方法新颖，具有创新性。它主要针对导轨的“一V一平”结构，在发生磨损后研究难以修复的问题。通过精度检验、涂层涂覆、扣模固化以及调整丝杠完成导轨修复，修复机理见图1。常用的涂覆材料为国产天山新材料TS316系列。涂覆前要根据导轨面积计算所用涂料体积，确保修复后的精度。TS316固化时间一般为24 h。检验导轨表面合格后，要经过跑和阶段，保证接触面完全接触。它解决了此类机床导轨长期依靠厂家维修、维修成本高的难题，具有重大意义。此外，耐磨材料的调胶比例、涂覆等问题还需进一步完善。

4 结语

激光熔覆、复印成型修复机床导轨有着重要的工业意义，可以减少维护成本，降低工人的劳动强度，是实现循环经济的重要手段。激光熔覆和复印成型在修复导轨方面各有优势，激光熔覆操作较为简单容易实现，复印成型操作较为复杂，但修复后可以达到出厂精度。随着人们对熔覆技术、复印成型研究的不断深入，将来会进一步提高这些技术的技术水平。