CN101204755B - 金属构件表面微观形貌可控制造工艺实现方法 - Google Patents
金属构件表面微观形貌可控制造工艺实现方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种实现金属构件表面微观形貌可控制造的实现方法，其特征是基于激光的热效应在金属构件表面引发不均匀温度场，在不溶化的条件下使局部产生塑性变形生成微凸体；通过改变加工工艺参数、扫描线间断距离、每一段扫描线长度和相邻扫描路径间距，实现金属构件表面微观形貌的加工。该工艺的特点是：由于属于热态累积成形，不仅适于常规金属材料，而且也适合钛合金、镍合金、陶瓷和硅片等高硬脆难变形材料表面形貌的可控制造，可应用于不同材质轴承/轴瓦、缸套/活塞等摩擦副中，对于改善摩擦副的润滑状态具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属构件表面微观形貌可控制造工艺实现方法，属于机械制造和摩擦润滑技术领域，可应用于各种摩擦副的表面形貌制造。
技术背景
据估计，全世界约有1/3～1/2的能源以各种形式消耗在摩擦上，而摩擦导致的机械磨损所损耗的材料在我国每年高达几百亿元。摩擦副几乎是所有机械产品中最为关键和核心的部件，其摩擦学行为不仅影响到机械系统工作性能和运行效率，甚至是导致其失效的主要原因。最大限度地降低摩擦是人们长期追求的目标，因此减摩技术的开发和普及具有重要的经济和社会效益。
在摩擦学领域，很多摩擦学机理都与表面形貌有关，表面形貌的很多特征将直接进入摩擦学计算中，是当今摩擦学研究的热点问题。为了实现良好的润滑性能，对摩擦副工件表面进行微观形貌设计，改善润滑状况，提高耐磨减磨性能，对于延长摩擦副的使用寿命具有重要意义，而如何实现表面形貌的可控是制造领域的难点。
表面微观形貌技术研究中，出现了各种不同的加工方法，如喷丸技术、激光毛化技术、激光微造型技术以及基于激光冲击的微造型技术。喷丸技术工艺过程难以控制，表面形貌不易控制；激光毛化技术克服了传统喷丸技术不规则形貌难以控制的问题，可以使钢板表面获得可控的表面形貌，但激光毛化形貌主要为规则分布的“火山口”形貌。但是，从摩擦学设计角度分析，该种形貌并不利于形成动压润滑油膜，且“火山口”形貌边缘的应力集中容易使工件表面形成裂纹；激光微造型技术熔融金属的飞溅及重铸易造成切口内部堵塞、表面粗糙不平；基于激光冲击的微造型技术利用激光的力效应在金属构件表面形成微凹坑，加工效率较低，且不适于高硬度和高脆性材料的微观形貌制造。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种金属构件表面微观形貌可控制造工艺实现方法，可以在不同材质金属构件加工出规则或非规则、表面光滑、连续过渡、无微裂纹的可控微观形貌，有利于形成流体动压润滑效应。
本发明任务是这样完成的：采用连续激光器，在金属构件表面局部进行连续加热，产生不均匀温度场，诱发不均匀热应力。由于加热区域周围冷态材料的约束，而此时加热区域金属材料的屈服极限大大降低，在热应力的作用下，构件表面加热区域处的材料产生较大的塑性变形，导致板材的上表面出现材料的少量堆积，冷却后材料堆积不能复原，从而形成微凸体。通过改变激光光斑直径、激光功率和激光扫描速度等主要加工工艺参数，可调整金属构件表面连续加热时生成微凸体的形状，微凸体高度小于40μm。为了获得可控的表面形貌(包括规则与非规则形貌)，将连续扫描改为断续扫描，调整激光加工工艺参数、连续扫描长度和间断距离的距离获得一个方向的表面微观形貌；通过合理优化工艺参数和扫描间距获得另外一个方向的表面微观形貌，从而实现金属构件表面微观形貌的可控制造。
根据规则或非规则形貌目标形貌的要求，加工工艺参数可以通过建立以下基本关系数据库来获得：通过建立加工工艺参数与连续加热时微凸体形状基本关系数据库，根据微凸体形状反求出加工工艺参数，进而根据表面形貌要求确定出不同位置的加工工艺参数；通过建立扫描线间断距离与间断处形成凹坑形状基本关系数据库，根据所需凹坑形状确定间断距离；通过建立相邻扫描路径间的距离与两条扫描线之间形成的凹坑形状基本关系数据库，根据所需凹坑形状确定两条扫描线间的扫描间距。
本发明是利用激光热效应来实现金属构件表面微观形貌的可控制造，但加热区域并不熔化，最高温度小于1000℃，避免了激光毛化技术和激光微造型技术由于金属熔化所产生的金属重铸、残渣堆积、加工面粗糙和微裂纹问题，克服了基于激光冲击的微造型技术加工效率低、不能加工高硬脆材料的问题。该方法工艺简单，可以获得不同材质金属构件、规则或非规则、表面光滑、连续过渡、无微裂纹的可控表面的微观形貌，对于改善摩擦副的润滑状态，提高其使用寿命有着重要的理论意义和直接的经济效益。
附图说明
图1表面微观形貌激光加工过程示意图
图2冷却后形成的微凸体
图3表面微观形貌激光加工间断扫描策略
图4表面微观形貌激光加工相邻扫描线间距示意图
图5表面微观形貌激光加工工艺参数确定方法
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式加以说明。表面微观形貌激光加工过程如图1所示，工件固定于工作台上，激光束以恒定功率照射在工件表面并以恒定速度或变速度沿x方向移动，通过自然冷却、强制对流空冷或强制对流水冷对加热区域进行冷却。在激光扫描过程中，被扫描部位依次经历加热与冷却两个换热过程，其内部产生相应的应力及变形，在构件表面产生微凸体，如图2所示。
通过改变激光光斑直径、激光功率和激光扫描速度等主要加工工艺参数，可以获得不同形状的微凸体。为了获得可控的表面形貌(包括规则与非规则形貌)，将连续扫描改为断续扫描，调整激光加工工艺参数、连续扫描长度和间断距离获得x方向的表面微观形貌，扫描策略如图3所示，图中A、B、C、D、E为扫描线长度，a、b、c、d为扫描线间断距离；图4为表面微观形貌激光加工相邻扫描线间距示意图，其中，s为相邻扫描线距离，通过合理优化工艺参数和扫描间距获得y方向的表面微观形貌，从而实现金属构件表面微观形貌的可控制造。
根据规则或非规则形貌目标形貌的要求，确定激光光斑直径、激光功率、激光扫描速度、连续扫描长度、间断距离和相邻扫描线间距的方法如图5所示，具体步骤如下：
1、制定微凸体形状的简单表征方法。对于单条线连续扫描，用微凸体的长度、宽度和高度来描述其形状；对于不连续间断扫描，间断部分用凹坑的长度、宽度和深度来表示；对于相邻多条线扫描，用微凸体之间形成的凹坑的长度、宽度和深度来表示。
2、微凸体的长度近似等于扫描线长度，建立数据库时不考虑工艺参数对微凸体的长度的影响。由于建立数据库需要大量的数据，基于实验和数值分析相结合的方法，变化激光光斑直径、激光功率和激光扫描速度，建立激光加工工艺参数与微凸体的宽度和高度基本关系数据库。
3、基于实验和数值分析，建立扫描线间断距离与间断部分凹坑长度、宽度和深度基本关系数据库。
4、基于实验和数值分析，建立相邻扫描路径间距与两条扫描线之间形成凹坑长度、宽度和深度基本关系数据库。
5、根据上述基本关系数据库以及微观形貌要求，确定出合适的激光加工工艺参数、扫描线间断距离和相邻扫描路径间的距离。
Claims (1)
1.一种实现金属构件表面微观形貌可控制造的实现方法，基于激光的热效应在金属构件表面引发不均匀温度场，在不熔化的条件下利用激光单条线连续扫描、不连续间断扫描、相邻多条线扫描使激光加热区域材料产生堆积生成微凸体，其特征是利用微凸体在不同材质金属构件表面加工出表面光滑、连续过渡、无微裂纹、无残渣的波浪状微观形貌，具体实施步骤如下：
(1)制定微凸体形状的简单表征方法，对于单条线连续扫描，用微凸体的长度、宽度和高度来描述其形状；对于不连续间断扫描，间断部分用凹坑的长度、宽度和深度来表示；对于相邻多条线扫描，用微凸体之间形成的凹坑的长度、宽度和深度来表示；
(2)基于实验和数值分析相结合的方法，变化激光光斑直径、激光功率和激光扫描速度，不考虑工艺参数对微凸体的长度的影响，建立激光加工工艺参数与微凸体的宽度和高度基本关系数据库；
(3)基于实验和数值分析，建立扫描线间断距离与间断部分凹坑长度、宽度和深度基本关系数据库；
(4)基于实验和数值分析，建立相邻扫描路径间距与两条扫描线之间形成凹坑长度、宽度和深度基本关系数据库；
(5)根据上述基本关系数据库以及微观形貌要求，反求出合适的激光加工工艺参数、扫描线间断距离和相邻扫描路径间的距离，以实现微观形貌可控制造。
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