CN101376176A - 一种激光表面微造型顶尖及其制备方法 - Google Patents

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张华伟
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Abstract

本发明是一种激光表面微造型顶尖及其制备方法。所述的激光表面微造型顶尖，是顶尖表面有由微凹坑或交叉凹槽以及它们的组合组成的微观几何形貌的金相组织，其中，凹坑状微观几何形貌的几何参数为：凹坑半径rp＝20－80μm，凹坑深度hp＝2－20μm，相邻凹坑间距L＝50－200μm；交叉凹槽状微观几何形貌的几何参数为：凹槽宽度B＝50－150μm，凹槽深度H＝5－20μm，相邻凹槽间距D＝400－600μm，凹槽倾角A＝30°－75°。本发明经激光微造型处理的顶尖表面，显著提高了耐磨性能；改善了顶尖在工件中心孔内的润滑状况，降低摩擦噪声，同时储存的润滑油能够更有效的散热，提高了顶尖的使用寿命。

Description

一种激光表面微造型顶尖及其制备方法
技术领域
本发明涉及机械加工用机床的顶尖表面处理领域，特指在固定顶尖表面进行激光微观改性、改形处理的激光表面微造型顶尖及其制备方法。
背景技术
顶尖是机械加工中必不可少的工具，分为固定顶尖和回转顶尖。固定顶尖具有定位精度高，制造成本低等优点，故得到广泛应用。加工零件时，顶尖在中心孔内做高速的相对运动，使其与中心孔剧烈摩擦，产生高温，极易造成顶尖烧坏或中心孔咬毛，影响工件的加工精度。此外，在顶尖附近加的润滑油只能起到冷却顶尖体的作用，却无法改变顶尖与中心孔间干摩擦的性质，且磨损颗粒也易造成顶尖光滑表面的划伤。由此导致，固定顶尖的工作环境恶劣，顶尖磨损大，使用寿命短。因此，减少顶尖的磨损，提高顶尖的使用寿命是机械加工领域急需解决的问题。目前使用的回转顶尖，以钢球与滚道的滚动摩擦代替顶尖与中心孔的滑动摩擦，润滑条件得到改善，产生的摩擦热较少，顶尖寿命显著延长。中国专利ZL99258619.4授权了一种鼓型散热式机床回转顶尖，该顶尖结构能将产生的热量迅速散去，大大提高了顶尖的使用寿命；中国专利200510079747.1公开了一种双回转顶尖结构，该结构顶尖与工件之间无相对滑动，摩擦较小。但回转顶尖结构复杂，制造成本较高以及滚动轴承自身的游隙问题，导致结构的刚性较差和工件的定位精度不高，故回转顶尖仅用于精度质量要求不高的粗车、半精车加工工序。在顶尖的表面处理领域，传统意义上要求其表面精加工的非常光滑，超精加工不但提高了制造成本，且易受材料性质和加工精度的限制。随着微观粗糙表面摩擦学研究的发展和在工程中的应用发现，光滑表面因无存油区域而处于边界润滑状态，不能形成混合润滑或流体润滑；相反通过在光滑表面设置一定的微观几何形貌，能够改善摩擦副的润滑性能，这也为我们在顶尖光滑表面进行微观该形提供了有益的启迪。近几年来，激光表面微造型技术在改善润滑，减小摩擦方面得到了快速的发展，已在活塞环、缸套、机械密封的表面处理中得到广泛的应用。中国专利02138076.7公开了一种摩擦副表面的激光复合处理方法，该方法通过对内燃机气缸孔进行激光微观造型处理，改善了磨损最严重区域的润滑状况。受此启发，我们在顶尖表面进行激光微观改性、改形处理，既提高了耐磨性，又改善了润滑状况；同时还可以减小摩擦噪声，提高零件加工精度，这必将具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述传统顶尖制造与表面处理领域的不足，而提供一种激光表面微造型顶尖及其制备方法，即将激光表面微造型技术应用于顶尖表面的处理中，对其表面进行微观改性、改形处理，以期改善顶尖的摩擦状况，提高硬度和耐磨性能，延长顶尖的使用寿命，减小摩擦噪声，提高工件的加工质量和精度。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种激光微造型顶尖，顶尖表面有由微凹坑或交叉凹槽以及它们的组合组成的微观几何形貌的金相组织，所述的微观几何形貌的几何参数为：凹坑半径rp＝20-80μm，凹坑深度hp＝2-20μm，相邻凹坑间距L＝50-200μm；凹槽宽度B＝50-150μm，凹槽深度H＝5-20μm，相邻凹槽间距D＝400-600μm，凹槽倾角A＝30°-75°。在顶尖表面进行激光微造型处理，形成具有储存润滑油和磨损颗粒的微凹坑或交叉凹槽，同时对顶尖表面起到激光相变硬化的效果，提高其硬度。
上述激光微造型顶尖的制备方法是：采用二极管泵浦Nd:YAG激光器，对顶尖表面进行微观改性、改形处理，通过控制激光功率密度105-107W/cm2，脉冲宽度30-50ns，波长532nm，泵浦电流21-22.8A，脉冲频率7.8KHz，输入造型的顶尖尺寸参数，调整激光脉冲重复次数2-10次，进行激光微造型处理。当处理为凹槽时，还要调凹槽倾角A＝30°-75°。
由于采用上述技术方案，顶尖表面由均匀分布的凹坑或交叉凹槽状微观几何形貌组成，激光微造型微观几何形貌重复性能好，尺寸参数可根据预先设计要求，通过调整激光加工参数精确控制。其中，微观几何形貌的尺寸参数是根据机床顶尖的实际工况对雷诺方程数值求解，进行优化后得到，在此几何参数下，可以产生最优的动压润滑效果；激光加工参数根据
大量的工艺试验得到，可以避免激光造型过程中热效应的影响，提高微观几何形貌的加工质量。当使用这种激光微造型顶尖进行工件定位加工时，由于顶尖表面急冷急热的激光微造型处理过程，使顶尖表层材料微观上得到硬化，从而显著提高顶尖的耐磨抗磨性能；顶尖表面的微凹坑或微凹槽既能起到存储润滑油、保持良好动压润滑、减小顶尖与中心孔摩擦产生的噪声和散热的效果，又能起到收集磨损颗粒的作用，从而改善了顶尖表面的摩擦状况，起到了润滑减磨、清洗中心孔和降低顶尖表面烧坏的效果；同其它顶尖表面处理方式相比，激光表面微造型顶尖具有工艺简单、工人的劳动强度低、成本低、对环境无污染等优点。因此，本发明所提出的一种激光表面微造型顶尖，既减小了顶尖的磨损，提高了加工效率，同时又降低了处理过程中对环境的污染，具有非常重要的意义。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是顶尖激光表面微造型制备方法示意图
图2是具有微凹坑、交叉凹槽和二者组合结构的顶尖示意图
图3是微凹坑示意图
图4是凹槽示意图
图5是交叉凹槽顶尖的凹槽倾角示意图
附图的图面数字说明如下：
1-激光器；2-顶尖；3-机床工作台；a-凹坑造型顶尖；b-交叉凹槽造型顶尖；c、d、e-凹坑与凹槽组合顶尖；hp-凹坑深度；2rp-凹坑直径；L-相邻凹坑间距；B-凹槽宽度；H-凹槽深度；D-相邻凹槽间距；A-凹槽倾角
具体实施方式
下面以一固定顶尖为例说明本发明的具体实施过程。
激光微造型设备选用二极管泵浦Nd:YAG激光器。
顶尖为普通固定顶尖，其材料为硬质合金，表面研磨加工。
本发明实施例提供激光表面微造型顶尖的制备方法，其步骤为：
第一步：提供一二极管泵浦Nd:YAG激光器1，其基本参数为：激光功率3W，调Q脉冲重复频率7.8KHz，波长532nm，泵浦电流21-22.8A。
第二步：选取一固定顶尖2，其材料为硬质合金，表面研磨加工。
第三步：(1)凹坑形貌的加工。将固定顶尖2安装在机床工作台3上，调整激光功率密度105-107W/cm2，脉冲宽度30-50ns，波长532nm，泵浦电流21-22.8A，脉冲频率7.8KHz；在“锥体激光加工软件”界面下分别输入顶尖底部圆的直径28mm、造型的顶尖长度15mm、凹坑的轴向和径向间距50-200μm、工作台转速150rpm、激光脉冲重复次数2-10次；然后驱动激光器1，使高能量密度、高重复频率的脉冲激光照射到顶尖的表面，同时吹送辅助气体(如氮气)，从而在顶尖的表面加工出硬度高且均匀分布的凹坑状微观几何形貌，如图2a。(2)交叉凹槽形貌的加工。与凹坑形貌加工不同之处在于，在“锥体激光加工软件”界面下分别输入顶尖底部圆的直径28mm、造型的顶尖长度15mm、凹槽的点距2μm、线距400-600μm、工作台转速150rpm、凹槽倾角30°-75°，然后使高能量密度、高重复频率的脉冲激光照射到顶尖的表面，同时吹送辅助气体(如氮气)，从而在顶尖的表面加工出硬度高且均匀分布的交叉凹槽状微观几何形貌，如图2b。(3)凹坑与凹槽组合形貌的加工。与(1)、(2)类似，只需修改不同形貌区域长度对应的顶尖的长度，即可加工出凹坑与凹槽组合形式的微观几何形貌(图2c、2d、2e)。
经激光微造型处理后，顶尖表面形成的凹坑(图3)几何参数为：凹坑半径rp＝20-80μm，凹坑深度hp＝2-20μm，相邻凹坑间距L＝50-200μm；凹槽(图4)几何参数为：凹槽宽度B＝50-150μm，凹槽深度H＝5-20μm，相邻凹槽间距D＝400-600μm，凹槽倾角(图5)A＝30°-75°。
当用激光微造型后的顶尖进行工件定位加工时，需在顶尖和中心孔间添加润滑油，由于顶尖体与中心孔作高速的相对回转运动，同时顶尖表面微观几何形貌存储有润滑油，因此使二者之间形成了流体润滑或混合润滑状态；并且微观几何形貌能容纳磨损颗粒，这些都减缓了顶尖体的磨损，延长了其使用寿命。

Claims (2)

1、一种激光表面微造型顶尖，其特征在于，顶尖表面有由微凹坑或交叉凹槽以及它们的组合组成的微观几何形貌的金相组织，其中，凹坑状微观几何形貌的几何参数为：凹坑半径rp＝20-80μm，凹坑深度hp＝2-20μm，相邻凹坑间距L＝50-200μm；交叉凹槽状微观几何形貌的几何参数为：凹槽宽度B＝50-150μm，凹槽深度H＝5-20μm，相邻凹槽间距D＝400-600μm，凹槽倾角A＝30°-75°。
2、制备权利要求1所述的激光表面微造型顶尖的方法，其特征在于，采用二极管泵浦Nd:YAG激光器，通过控制激光功率密度105-107W/cm2，脉冲宽度30-50ns，波长532nm，泵浦电流21-22.8A，脉冲频率7.8KHz，输入造型的顶尖尺寸参数，调整激光脉冲重复次数2-10次，进行激光微造型处理；
或者是，采用二极管泵浦Nd:YAG激光器，通过控制激光功率密度105-107W/cm2，脉冲宽度30-50ns，波长532nm，泵浦电流21-22.8A，脉冲频率7.8KHz，输入造型的顶尖尺寸参数，凹槽倾角A＝30°-75°，进行激光微造型处理。
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