CN100431767C - 一种基于液晶掩模技术的激光表面冲击加工的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及加工冲击加工领域，特指基于液晶掩模技术的激光冲击波加工的方法和装置，其在摩擦副表面加工出可以形成稳定均匀的液膜的表面微观形貌。本发明装置由激光发生器、激光发生器控制装置、散光系统、液晶显示屏及显示屏控制装置、聚焦系统、约束层、吸收层及工件夹具系统组成。由于使用液晶屏作为液膜，可以进行一次多点冲击加工，且因利用冲击波作为成形力源，避免了激光热效应对表面材料的影响，因而能够在不改变材料表面性能的基础上加工出改善摩擦性能的表面微观形貌。

Description

一种基于液晶掩模技术的激光表面冲击加工的方法和装置
技术领域
本发明涉及激光冲击加工领域，特指一种基于液晶掩模技术的激光冲击波加工的方法和装置，特别适用于摩擦副的表面加工。
背景技术
内燃机的汽缸与活塞之间以及进行密封的摩擦副之间在运动时依靠一层液膜来降低摩擦力，形成稳定均匀的液膜是减少摩擦力的关键。由于现代激光技术的发展，人们采用激光在表面光洁度很高的摩擦副表面加工出细密均匀的微观凹坑，用以储存液体并增加液体与摩擦副表面的结合力，从而形成良好的液膜。但这种方法是基于激光的热效应即利用激光束的能量使表面材料汽化、蒸发形成凹坑，由于激光热效应会改变工件表面材料的组织结构，影响材料的耐磨性能，因此其应用具有一定的局限性。
与本发明最为接近的技术是基于液晶掩模技术的表面微细加工技术。基于液晶掩模技术的表面微细加工技术是利用液晶显示屏作为掩模，激光通过显示屏后因显示屏上图形的阻断作用形成镂空的细束光斑，照射到工件表面使表面材料汽化蒸发形成凹坑。该法仍是基于激光的热效应，同样会影响材料的组织结构。
发明内容
本发明的目的是要提供一种用于摩擦副表面的激光冲击加工的方法和装置。它可以在工件摩擦副表面加工按一定方式布置的微观凹坑，用于存储液体以便在摩擦副表面形成稳定良好的液膜，从而改善摩擦性能。
本发明的特征在于利用液晶显示屏作为掩模，以激光诱导的冲击波作为成形力源，在工件表面加工出所需要形状和布置方式的微观凹坑。
实施该方法的装置包括依次相连的激光发生器控制装置、激光发生器、散光系统、聚焦系统、工件夹具系统，其特征在于在散光系统与聚焦系统之间设有液晶显示屏及显示屏图像控制装置，其中散光系统由一组凹透镜和一片大曲率的凸透镜组成；聚焦系统包括一组凸透镜和一片大曲率的凹透镜组成；工件夹具系统由设置在工件表面的约束层、吸收层与工件、夹具、工作台及工作台控制装置依次相连而成。
本发明的实施过程如下：
1.根据摩擦副表面微观形貌要求设计显示屏显示的图形。
2.根据工件表面要加工凹痕的深度、加工区域的尺寸优化激光光斑直径和能量等工艺参数。
3.在工件表面涂布吸收层材料，并把工件安装到夹具上。
4.根据激光能量和液晶屏损坏阈值调节散光系统焦距。
5.根据工件表面加工部位外形尺寸调节聚焦系统焦距。
6.由激光发生器控制装置控制激光发生器按优化好的参数产生的激光脉冲，经散光系统放大照射到液晶屏上，由于液晶屏上显示图象的阻断作用，使通过显示屏后的激光束成为与显示屏图像成反转关系的镂空图形光斑，经过聚焦系统的会聚形成与工件表面加工区域外形尺寸一致的镂空光斑，通过约束层照射到工件表面的吸收层上引起吸收层的汽化、电离形成冲击波，工件表面在冲击波的作用下发生变形形成微观凹坑。
7.根据工件表面要求的微观凹痕加工深度，可进行多次重复冲击，直到达到要求为止。
8.通过工作台控制装置控制工件移动，按区域分片加工，直到整个工件表面加工完成。
本发明的优点是由于采用液晶显示屏作为掩模，加工任意形状的凹坑，同时可一次多点冲击成形，提高了加工效率。另外利用冲击波作为成形力源，使用了具有保护作用的吸收层，避免了激光热效应对材料的影响，使材料保持原有的表面性能。
附图说明
下面结合图1对本发明作进一步说明：
图1为本发明提出的基于液晶掩模的激光微细加工装置的示意图。
1.激光发生器控制装置 2.激光发生器 3.激光束 4.散光系统 5.液晶显示屏
6.显示屏控制装置 7.聚焦系统 8.约束层 9.吸收层 10.工件 11.夹具
12.工作台 13.工作台控制装置 14.数字控制系统 15.计算机
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
用本发明进行激光表面微细加工的装置包括依次相连的激光发生器控制装置1、激光发生器2、散光系统4、液晶显示屏5及显示屏控制装置6、聚焦系统7以及工件夹具系统，及与激光发生器控制装置1、显示屏控制装置6、工作台控制装置13相连的数字控制系统14、计算机15。其中散光系统4由一组凹透镜和一片大曲率的凸透镜组成；聚焦系统7由一组凸透镜和一片大曲率的凹透镜组成；工件夹具系统包括约束层8、吸收层9、工件10、夹具11、工作台12及工作台控制装置13。
激光发生器产生能量在10～100焦尔、持续时间为8～80纳秒的激光脉冲，激光束3的光斑模式可以是基模、多模等多种模式，其由激光发生器控制装置1调节和控制。由激光发生器2产生的平行激光束通过散光系统，被散光系统中的凹透镜发散直径变大同时能量密度降低，再经凸透镜会聚成低能量密度的大直径平行光束并照射到液晶显示屏5上，液晶显示屏5显示着工件表面加工部位形状的反转放大图像，即工件上不需要加工的部位在显示屏上的图形显示黑色，需要加工的部位呈无色。激光束通过显示屏后由于显示屏图形的阻断作用，而形成形状与工件加工部位外形一致的镂空光斑，然后经过聚焦系统7，被聚焦系统中的凸透镜会聚光斑直径缩小，同时能量密度增加，再经凹透镜发散成与工件表面加工部位尺寸一致的平行镂空光斑，经过约束层8后照射到涂布在工件10表面的吸收层9表面。吸收层材料吸收激光能量并汽化、电离形成冲击波，工件表面在冲击波作用下发生变形形成微观凹痕。根据需要的凹坑深度不同可重复进行冲击加工。
由于液晶掩模可以显示任意形状的图形，因此可以在工件表面加工出不同形状的凹坑，以满足不同每层性能的要求。因为采用冲击波作为成形力源，使用了具有保护作用的吸收层材料，避免了激光的热效应对表面材料的影响，一次能够在保持材料原有表面性能的基础上加工出用以改善每层性能的微观形貌。

Claims (3)

1.基于液晶掩模技术的激光冲击波加工的方法，其特征在于利用液晶显示屏作为掩模，以激光诱导的冲击波作为成形力源，在工件表面加工出所需要形状和布置方式的微观凹坑；其中由激光发生器控制装置控制激光发生器按优化好的参数产生的激光脉冲，经散光系统放大照射到液晶显示屏上，使通过液晶显示屏后的激光束成为与液晶显示屏图象成反转关系的镂空图形光斑，经过聚焦系统的会聚形成与工件表面加工区域外形尺寸一致的镂空光斑，通过约束层照射到工件表面的吸收层上引起吸收层的汽化、电离形成冲击波，工件表面在冲击波的作用下发生变形，形成微观凹坑。
2.根据权利要求1所述的基于液晶掩模技术的激光冲击波加工的方法，其特征在于根据工件表面要求的微观凹痕加工深度，可进行多次重复冲击，直到达到要求为止；同时通过工作台控制装置控制工件移动，按区域分片加工，直到整个工件表面加工完成。
3.实现权利要求1所述的基于液晶掩模技术的激光冲击波加工的方法的装置，其特征在于包括依次相连的激光发生器控制装置(1)、激光发生器(2)、散光系统(4)、聚焦系统(7)、工件夹具系统，其特征在于在散光系统(4)与聚焦系统(7)之间设有液晶显示屏(5)及显示屏控制装置(6)，其中散光系统(4)由一组凹透镜和一片大曲率的凸透镜组成；聚焦系统(7)包括一组凸透镜和一片大曲率的凹透镜组成；工件夹具系统由设置在工件表面的约束层(8)、吸收层(9)与工件(10)、夹具(11)、工作台(12)及工作台控制装置(13)依次相连而成。
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Assignor: Jiangsu University

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