激光可视对焦技术，确保发动机连杆生产“万无一失”

当前，中国新能源汽车产业发展如火如荼，年产“1000万辆”的小目标现已达成，标志着我国向汽车制造强国继续迈进。在汽车的整条生产链上，无论是新能源汽车的电动机还是燃油车的发动机，其在汽车制造中的核心部件的地位始终未变。而用于发动机生产的设备，也是集先进技术和高效加工为一身。

在本期内容，我们有幸邀请到了原上汽大众汽车有限公司发动机厂维修高级经理、党支部书记，现任上海市技师协会会长徐小平老师，就他在工作岗位上研制发明的激光可视对焦技术，进行了深入探讨。这项发明成果，不仅为大众汽车发动机厂的连杆生产节省了成本，也为实现可视化精细对焦技术方案和精细激光加工，提供了一种新路径。

徐小平老师在论坛上演讲

发动机的连杆加工
在发动机的运行过程中，连杆起到连接曲轴与活塞的作用。发动机运行后，连杆始终跟随活塞的往复运动而摆动，并承受巨大的交变负载。因此，发动机的连杆生产对于材料、精度、重量以及成组一致性的要求，非同一般。

在发动机连杆加工中，裂解（胀断）工艺是非常重要的一道工序。裂解工艺可以使连杆体和盖的定位精度及装配质量大幅度提高。由于断裂面的相互啮合，装配螺栓后再精加工大、小头孔，完成其他后续与传统工艺相同的加工工序，无需传统加工的切断、结合面的拉削与磨削等工艺，省去了螺栓孔的铰、镗等精加工。

汽车发动机连杆胀断工艺

连杆胀断后，在几乎不发生变形的情况下，可以实现连杆体与连杆盖的无屑断裂剖分，显著提高连杆的承载能力和抗剪能力，同时保证杆身与杆盖较高的吻合度，增强连杆的装配质量。综合来看，连杆裂解工艺通过提高承载能力、抗剪能力和定位精度，减少投资成本和占地面积，对提高发动机的整体性能和可靠性，具有重要意义。

经徐老师介绍，在没有引入激光切割技术前，需要通过机械拉槽的方式在连杆内壁“刻”出一道口子，方便之后的胀断加工。但这种方式的缺点很明显，就是刀片磨损特别快，增加了制造成本。在激光技术引入后，连杆加工的水平也得到了相应提高。

激光切割发动机连杆内壁的放大图像

相比常见的激光切割宏加工，在发动机连杆上采用激光加工更像是一种“微加工”。通过锻造成型的连杆毛坯件（连杆体与连杆盖未分离），需要通过激光在连杆内壁“划”出一道口子，就好比食品包装袋上的撕口一样。连杆内壁上的这道划口，目的是也是为了方便后续胀断工艺的顺利进行。

连杆胀断后，在放大镜下看激光加工后的内壁切口，可以发现是典型的脉冲激光加工特征。切口并非连续是排列均匀的小孔。每个小孔直径0.1mm，孔深0.5mm。凭借非接触式和高效，得以让激光技术在连杆生产中发挥了重要作用。但随着时间的推移，激光加工中的焦点失真情况时有发生，从而直接影响了连杆加工的进程。

难寻的焦点
徐老师解释说，在对连杆的内壁加工时，激光加工头会来回摆动，时间一久激光束的焦点就会容易走失。另外，激光头的维护保养、镜面污染、程序不当和光路上的零件掉落，都会造成焦点不准甚至会遮挡光路的情况发生。这时候就需要进行人工对焦，直到焦点再次对准，符合加工要求。

对连杆加工的激光器功率是3kW，在功率不高的情况下反而对焦点的要求就高了。大众汽车发动机生产车间在使用可见光代替不可见光实现激光对焦前，采用的是传统方法是烧斑法。这种方法的主要问题在于，由于激光束的不可见性，导致对焦过程中需要对其进行反复调试，才能实现符合胀断工艺要求的加工焦点。对焦耗时间、效率低是最大的问题。

激光束焦点在不同位置的加工效果对比

激光束的焦点浅（实际焦点在工件表面上方）就好比撕口太浅，就容易在胀断过程中产生变形，导致连杆报废；焦点深（实际焦点在工件内部）会留有深的切口，导致后续的精镗工艺中难以去除。因此，激光束的焦点需要完全与工件表面贴合，对精度的要求非常高。

徐老师在了解激光器工作原理后，采用发射一束可见光（偏绿光~600nm）与激光器光路的平行光路，并通过单色光折射率公式和焦距误差率公式，最后通过差值补偿，准确找到原激光器光束的准确焦点。从1994年的技术初探到1997年的申请专利落地，他“三年磨一剑”终于为发动机生产部门找到了一种可行性高、对焦速度快的方法，为大众汽车发动机厂节省了巨大成本。

在行外人看来，激光在连杆加工中的占比很小，充其量也只能算是预加工工艺艺。但事实上，一旦激光束的焦点失准，就会延误整个发动机的组装进程。以四缸机发动机为例，一台发动机需要使用4根连杆，当时生产车间的连杆生产节拍是17秒一根。而当时大众汽车发动机厂日产量大约是1500台。这在1990年代的国内已经是非常高的生产速度。可想而知，如果因激光器的对焦问题而产生的的损失，可以用分秒来计算。

2012年1月，由工程院林忠钦院士、上海光机所所长朱健强等专家组成的鉴定委员会发表结论：该发明为激光加工设备在对焦、检测技术上提供了一种高效、便捷的技术途径，并可广泛应用于现代化生产的激光加工设备，具有很高的经济和社会效益

未果的商业化之路
当时，为了更好地维修发动机生产设备，单位组织徐老师到德国总部参观学习了一段时间。期间，他在德国大众汽车的激光实验室也得到了进修机会。回国后，他在进修和自学激光知识的情况下，自主开发了这套可见光对焦系统，也为厂里开创了先例。

可视对焦仪

“当时，德国专家也不认可这种方法，但我还是把它做出来了。”徐老师回忆当年的情形时说道。2011年，这项激光可视对焦技术获得了“中国机械工业科学技术奖一等奖”和“上海市科技进步二等奖”。但因这项专利技术的归属权属于大众汽车，因此没有对其实现商业化。

徐老师表示，如果这项技术能嵌入到激光器内部，激光器制造商将对焦功能模块化，将很大提高激光束的对焦质量和效率，也为激光加工提供了便利。随着我国产业升级和智能化转型，激光也将在未来的制造业中扮演重要角色，而激光器和核心器件的国产化也是行业的共同需求。我们相信，伴随着我国激光产业的发展，类似激光可视对焦这样的技术，也将逐渐在国产激光器上有所体现。