CN102172798A - 聚甲醛支撑环的抗磨纹理加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚甲醛支撑环的抗磨纹理加工方法，属于表面工程技术领域。本方法采用由控制器、脉冲激光器、全反射镜、扩束镜、聚焦镜、聚甲醛支撑环、旋转台、X向平动装置、Z向平动装置、步进电机和计算机组成的脉冲激光表面处理装置。方法是：将聚甲醛支撑环去油处理后安装在旋转台上；通过Z向平动装置调节聚甲醛支撑环表面处于纹理加工的高度范围内；调节激光平均功率处于纹理加工的范围内，计算机通过控制X向平动装置和旋转台来控制激光焦点在聚甲醛支撑环表面的扫描轨迹；启动脉冲激光表面处理装置，对聚甲醛支撑环进行处理。优点是：加工精度高，加工方便、效率高，应用范围广，提高聚甲醛支撑环的减摩抗磨性能，增加其使用寿命。

Description

聚甲醛支撑环的抗磨纹理加工方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，具体是一种聚甲醛支撑环的抗磨纹理加工方法，采用激光加工技术在聚甲醛支撑环表面制备预定的表面几何形貌，可用于聚甲醛支撑环及其它材料的抗磨纹理加工。

背景技术

聚甲醛是一种表面光滑，有光泽的硬而致密的材料，它的耐磨性和自润滑性也比绝大多数工程塑料优越。聚甲醛以较低的成本，正在替代一些传统上被金属所占领的市场，如替代锌、黄铜、铝和钢制作许多部件。目前，聚甲醛被广泛应用于工业机械、汽车、电子电气、管件和灌溉用品等方面。

聚甲醛具有优良的综合性能，但也存在一些不足之处。如聚甲醛的冲击韧性低、缺口敏感性大、耐热性差、摩擦系数较高等，这些缺点极大地限制了聚甲醛在各个领域中应用范围的扩大。因此，对聚甲醛进行改性是提高其综合性能的有效措施。目前，聚甲醛改性主要集中在组份上，一般分两太类：一是添加剂及填料改性；二是其它树脂加入，人们称之为合金类改性。这两种方法都可以很大程度上提高其综合性能。但是，对于聚甲醛的特定应用场合，这两种方法不能满足其性能的要求。例如，聚甲醛已广泛应用于液压缸系统的支撑材料，因此对其减摩和抗磨性能提出了更高的要求。在日常的使用过程中，常因支撑材料的磨损而引起液压缸的拉缸和拉杆现象，从而导致整个液压缸的报废。而目前工程上又无合适的在线监测支撑环磨损的技术，因此只能靠提高支撑环的抗磨损性能来进一步增加其使用寿命。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种聚甲醛支撑环的抗磨纹理加工方法，解决现有聚甲醛支撑环存在的摩擦系数大、易磨损等问题，提高聚甲醛支撑环的耐磨性，有效提高其使用寿命。

本发明是以如下技术方案实现的：一种聚甲醛支撑环的抗磨纹理加工方法，采用脉冲激光表面处理装置；所述的脉冲激光表面处理装置包括一控制器，与控制器连接的脉冲激光器，在脉冲激光器的发射口处安装一全反射镜；全反射镜的下方安装有扩束镜，扩束镜的下方安装一聚焦镜，聚焦镜的下方安装有旋转台，旋转台上安装有X向平动装置，X向平动装置上安装有Z向平动装置；旋转台、X向平动装置和Z向平动装置各连接一步进电机；所有的步进电机均与计算机连接；具体加工方法如下：

1)将聚甲醛支撑环去油处理，去油处理后安装在旋转台上；

2)通过Z向平动装置和与其连接的步进电机实现聚甲醛支撑环表面在激光焦点高度方向上的调整，使其处于纹理加工的高度范围内；

3)计算机通过步进电机控制旋转台旋转，在计算机上设定旋转台的转速；计算机通过步进电机控制X向平动装置带动旋转台在X方向上运动；

4)将脉冲激光器打开，用控制器来调节脉冲激光功率，激光功率在零到最大范围内连续可调；调节激光平均功率处于纹理加工的范围内；计算机通过控制X向平动装置和旋转台来控制激光焦点在聚甲醛支撑环表面的扫描轨迹，从而实现可控的纹理制造；

5)关闭脉冲激光器，停止旋转台和X向平动装置，取出聚甲醛支撑环，然后对聚甲醛支撑环进行清洗、干燥处理。

本发明具有以下优点：

减摩耐磨性可控：通过调节激光的平均功率、X向平动装置的速度和旋转台的速度等条件，可以在聚甲醛支撑环表面制备具有不同深度、不同线宽的阵列微结构；不同阵列微结构的存在可以在不同程度上改善滑动表面的摩擦学性能，而在润滑介质条件下，滑动表面上分布的微结构能形成动压润滑膜，具有良好的减摩抗磨效应。

加工精度高：激光经聚焦以后，焦点光斑大小达到微米甚至亚微米量级，因此，可以得到的纹理分辨率达亚微米尺度，形成图案自由设计、精度可控的表面微纳米结构制造；由于激光光斑内能量服从高斯分布，通过合理选择激光能量可以更进一步的提高加工精度，实现减摩抗磨的柔性控制。

加工方便、效率高：本发明构思新颖，工艺简单、易于控制，单次扫描即可，无需对制备的样品进行复杂的后处理工艺；图案化设计可以使用建模软件实现柔性化设计，通过计算机控制可以方便、高效的实现聚甲醛支撑环的纹理制造，无需制备专门的模具。

绿色制造：本发明是采用激光直接入射到聚甲醛支撑环的表面进行快速扫描，无需特定的气体环境和有害的化学氛围，制造过程中也没有有害气体和污染物出现。因此，该发明是一种高效的绿色制造技术。

无热影响：紫外脉冲激光与聚甲醛支撑环的相互作用是在局部区域内，通过高能光子促使聚甲醛内部化学键的断裂实现表面加工的，在这个过程中几乎没有热量的产生，因此属于冷加工的范畴，不会对聚甲醛产生热效应的影响。

应用范围广：紫外脉冲激光具有光子能量大、波长短的特点，可以对任何材料进行精密的纹理制造。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图是本发明结构示意图。

图中：1、控制器，2、脉冲激光器，3、全反射镜，4、扩束镜，5、聚焦镜，6、聚甲醛支撑环，7、旋转台，8、X向平动装置，9、Z向平动装置，10、步进电机，11、计算机。

具体实施方式

如附图所示，聚甲醛支撑环的抗磨纹理加工方法采用脉冲激光表面处理装置，脉冲激光表面处理装置有一控制器1，与控制器1连接的脉冲激光器2，在脉冲激光器2的发射口处安装一全反射镜3，全反射镜3的下方安装有扩束镜4，扩束镜4的下方安装一聚焦镜5，聚焦镜5的下方安装有旋转台7，旋转台7上安装有X向平动装置8，X向平动装置8上安装有Z向平动装置9；旋转台7、X向平动装置8和Z向平动装置9各连接一步进电机10；所有的步进电机10均与计算机11连接；工作时将聚甲醛支撑环安装在旋转台7上。其中：控制器1和脉冲激光器2构成脉冲激光模块，在控制器作用下，激光功率可在零和最大功率范围内连续调节。全反镜3、扩束镜4、聚焦镜5依次连接构成激光传输模块。旋转台7、X向平动装置8、Z向平动装置9、步进电机10、计算机11构成样品台模块。脉冲激光模块、激光传输模块和样品台模块构成脉冲激光表面处理装置。脉冲激光器2输出的激光束经激光传输模块聚焦到聚甲醛支撑环表面，聚甲醛支撑环相对于激光焦点的移动和旋转由样品台模块来实现，通过计算机控制步进电机来驱动样品台的旋转和平动，从而实现聚甲醛支撑环的旋转运动和平面运动。

脉冲激光器2为波长400nm以下，脉冲宽度小于10ns的脉冲激光器。以一种半导体端面泵浦电光调Q全固态激光器Nd:YVO4产生的波长为355nm的紫外激光为例，重复频率1KHz，平均功率10W，脉宽2ns，激光功率可以通过控制器在零和最大功率范围内连续调节。激光传输模块由全反镜3、扩束镜4、聚焦镜5依次连接而成。全反镜3的作用是根据需要改变光束方向；扩束镜4的作用是将激光束直径放大以实现聚焦后较小的光斑直径；聚焦镜5的作用是将脉冲激光聚焦于支撑环的外表面以实现该点的纹理加工。样品台模块由旋转台7、X向平动装置8、Z向平动装置9、步进电机10、计算机构11成。旋转台7可以实现聚甲醛支撑环6表面与激光焦点的高速相对运动，Z向平动装置9实现支撑环表面与激光焦点高度方向的调整，X向平动装置8可以实现样品轴向不同位置处纹理制造。通过计算机11控制步进电机来驱动Z向平动装置的平动、X向平动装置的平动和旋转台的高速旋转。

聚甲醛支撑环的抗磨纹理处理如下三个大步骤：

前期准备：脉冲激光表面处理装置的建立，聚甲醛支撑环的去油处理和在旋转台上的固定。建立脉冲激光表面处理装置，按照脉冲激光模块、激光传输模块、样品台模块依次连接。聚甲醛支撑环的去油处理：将其放入肥皂水中超声清洗10min，然后在清水中超声清洗5min，最后自然干燥。将去油处理后的聚甲醛支撑环固定在旋转台上，等待下一步骤。

表面纹理制造：调节激光的平均功率和Z向平动装置的高度，设定旋转台的速度，通过计算机控制激光焦点在聚甲醛支撑环表面的纹理加工。设定激光器处于100mW，通过计算机调节Z向平动装置的高度，使得聚甲醛支撑环的表面处于激光焦点的高度；样品台模块中的旋转台在计算机的控制下可以旋转，在计算机上设定旋转台的速度，调节激光的平均功率处于纹理加工的范围内。计算机通过控制X向平动装置和旋转台来控制激光焦点在样品表面的扫描轨迹，从而实现可控的纹理制造。激光的平均功率、X向平动装置的速度和旋转台的速度对表面加工结构的深度、宽度有很大影响；因此，激光的平均功率、旋转台的速度是纹理制造过程中必须优化的工艺参数。

后处理：关闭脉冲激光表面处理装置。聚甲醛支撑环进行清洗、干燥处理：聚甲醛支撑环在水浴中超声清洗5min，自然干燥。纹理制造后，聚甲醛支撑环的表面存在许多碎屑，采用超声水浴清洗去除碎屑防止使用过程中出现磨粒损坏油缸表面的问题；清洗后自然干燥。

采用附图中的脉冲激光表面处理装置，聚甲醛支撑环的抗磨纹理加工方法具体如下：

1)将聚甲醛支撑环去油处理后安装在旋转台上；

2)通过Z向平动装置和与其连接的步进电机实现聚甲醛支撑环表面在激光焦点高度方向上的调整，使其处于纹理加工的高度范围内；

3)计算机通过步进电机控制旋转台旋转，在计算机上设定旋转台的转速；计算机通过步进电机控制X向平动装置带动旋转台在X方向上运动；

4)将脉冲激光器打开，用控制器来调节脉冲激光功率，激光功率在零到最大范围内连续可调；调节激光平均功率处于纹理加工的范围内；计算机通过控制X向平动装置和旋转台来控制激光焦点在聚甲醛支撑环表面的扫描轨迹，从而实现可控的纹理制造；

5)关闭脉冲激光器，停止旋转台和X向平动装置，取出聚甲醛支撑环，然后对聚甲醛支撑环进行清洗、干燥处理。

通过上述方法处理的聚甲醛支撑环应用在液压缸上，减小支撑环与液压缸筒之间摩擦系数，提高支撑环的耐磨性，增加了液压缸系统的使用寿命。

工作过程：打开脉冲激光器2，采用控制器1调节激光的平均功率。激光束经全反射镜3进行一次反射，然后传输到扩束镜4，通过调节扩束镜中两个镜片的距离可以将激光束直径调节至合适的大小；扩束后的激光束入射到聚焦镜5上，然后聚焦在固定在样品台模块上的聚甲醛支撑环6表面。激光焦点在样品上运行的轨迹通过旋转台7和X向平动装置8来实现。激光焦点和聚甲醛支撑环表面的相对高度由Z向平动装置9来调节。旋转台7、X向平动装置8和Z向平动装置9通过计算机11控制步进电机10来驱动。最后，通过调节激光的平均功率、旋转台和X向平动装置的速度来实现聚甲醛支撑环表面的纹理制造。

Claims (4)

1.一种聚甲醛支撑环的抗磨纹理加工方法，其特征在于：采用脉冲激光表面处理装置；所述的脉冲激光表面处理装置包括一控制器(1)，与控制器(1)连接的脉冲激光器(2)，在脉冲激光器(2)的发射口处安装一全反射镜(3)，全反射镜(3)的下方安装有扩束镜(4)，扩束镜(4)的下方安装一聚焦镜(5)，聚焦镜(5)的下方安装有旋转台(7)，旋转台(7)上安装有X向平动装置(8)，X向平动装置(8)上安装有Z向平动装置(9)；旋转台(7)、X向平动装置(8)和Z向平动装置(9)各连接一步进电机(10)；所有的步进电机(10)均与计算机(11)连接；具体加工方法如下：

1)将聚甲醛支撑环去油处理，去油处理后安装在旋转台上；

2)通过Z向平动装置和与其连接的步进电机实现聚甲醛支撑环表面在激光焦点高度方向上的调整，使其处于纹理加工的高度范围内；

3)计算机通过步进电机控制旋转台旋转，在计算机上设定旋转台的转速；计算机通过步进电机控制X向平动装置带动旋转台在X方向上运动；

4)将脉冲激光器打开，用控制器来调节脉冲激光功率，激光功率在零到最大范围内连续可调；调节激光平均功率处于纹理加工的范围内；计算机通过控制X向平动装置和旋转台来控制激光焦点在聚甲醛支撑环表面的扫描轨迹，从而实现可控的纹理制造；

5)关闭脉冲激光器，停止旋转台和X向平动装置，取出聚甲醛支撑环，然后对聚甲醛支撑环进行清洗、干燥处理。

2.根据权利要求1所述的聚甲醛支撑环的抗磨纹理加工方法，其特征在于：聚甲醛支撑环的去油处理：将其放入肥皂水中超声清洗10min，然后在清水中超声清洗5min，然后自然干燥。

3.根据权利要求1所述的聚甲醛支撑环的抗磨纹理加工方法，其特征在于：聚甲醛支撑环进行清洗、干燥处理：将聚甲醛支撑环在清水中超声清洗5min，然后自然干燥。

4.根据权利要求1所述的聚甲醛支撑环的抗磨纹理加工方法，其特征在于：所述的脉冲激光器(2)是波长为400nm以下，脉冲宽度小于10ns的脉冲激光器。

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