CN102198564B - 一种用于表面微造型的旋转激光头系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于表面微造型的旋转激光头系统，系统的垂直运动是由第一支架在导轨上垂直运动，同时传递给第一空心轴做垂直运动。旋转运动是由在第一支架上装伺服电动机，与同步带轮通过平键连接，经过同步带传递到同步带轮，同步带轮通过平键与第一空心轴连接，带动第一空心轴旋转，从而实现第一空心轴的旋转运动。同时激光头通过螺纹与空心轴连接，通过调节螺纹支架带动聚焦镜垂直移动改变焦点位置从而加工不同直径的内表面。另外还增加了辅助气体的传送的结构。该系统应用于工件固定、激光轴旋转时内表面激光微造型加工，可以获得比现有技术更好的加工效果。

Description

一种用于表面微造型的旋转激光头系统

技术领域

本发明涉及激光表面微造型领域，特别是发动机缸套-活塞环表面微造型领域。

背景技术

研究表明 ，活塞连杆系统的摩擦功耗可占到整个内燃机机械损失的75 % ，而缸套—活塞环的摩擦功耗又占活塞连杆系统的75 %。Riches M. F等人通过理论和实验研究指出，活塞环的摩擦影响着内燃机的效率 ，而缸套—活塞环的磨损则影响其使用寿命。由于缸套—活塞环摩擦副的工作环境恶劣，经常处于高温、 高压和高冲击负荷工作状态，因此，如何解决好这对摩擦副的耐磨和润滑问题，人们为此开展了大量的研究工作，取得了大批实用成果。如采用平台珩磨工艺和采用互溶性小并具有一定结构强度和疲劳强度的缸套、活塞环材料以及包括表面强化、 硬化处理 ,表面润化处理 ，表面复合处理在内的表面处理新工艺 。此外，还将流体动压润滑理论成功引进到活塞环组的设计中,有效地改善了缸套—活塞环的润滑状况。但是,这并没有从根本解决上、下止点处由于贫油等原因而出现的润滑油膜破裂 ,发生固体接触摩擦、磨损严重的问题。激光表面微造型技术是解决这类问题的一种有效方法。

激光微造型技术,就是利用具有一定能量密度的激光束,在工件工作表面上,形成与润滑性能要求优化匹配的、连续均匀的、并具有一定密度(间距) 、宽度、深度、角度及形状的贮存和输送润滑油的沟槽、纹路或凹腔。

在摩擦副表面加工出适当的表面微观形貌，可以显著改善摩擦副的润滑性能，提高摩擦副的使用寿命。为了达到这些要求，就必须保证形貌的表面加工质量；同时，为了能在工业生产领域推广应用，还必须尽可能的提高加工效率、降低成本。

激光微造型是珩磨技术与激光技术的结合，它与机械珩磨既有区别，又相互关联。传统的机械珩磨的主要目的，是提高表面光洁度和形成工件最终加工尺寸，在此过程中通过所形成的纹路改善润滑状况，但这属于附属效应，改善润滑有限。机械珩磨表面所构成的润滑系统缺陷很多，主要有：珩磨刀具本身的形位误差，导致形成的纹路宽度不一；传统珩磨过程属于触加工，压力载荷有时会使已经形成的纹路两侧材料塌陷，纹路断开，使润滑油路不连贯；传统珩磨工艺所形成纹路在气缸壁上分布均匀，但气缸内沿轴向各部分工况差异较大，尤其在接近上止点的区域，工况最恶劣，磨损最严重，这样就造成发动机工作中，润滑油分布事实上不均匀。而激光微造型的主要目的是加工出与实际工况要求相匹配的表面微造型形貌。

激光微造型具有很多优点： 

1、加工时间短，工件热应力小，可控性能好。 

2、由于是非接触无刀具加工，不存在刀具的损耗和折断等问题，不会引起工件的物理变形。 

3、在加工过程中，不需要润滑和工作液介质，对环境无污染。 

4、激光加工时，激光器和工件间有一定的距离，故可在其他加工方法不易达到的狭小空间实现。 

5、由于激光的能量密度高，几乎所有的材料都可以进行加工。 

6、利用超短脉冲激光加工可避免熔化材料，并可对其进一步精加工。 

7、加工出的网纹和凹腔均匀、致密，有利于储油，为提供润滑效果创造条件，有利于产生流体动压润滑。 

8、由于激光自身的特点，在微造型的同时，还能够起到淬火的作用，形成的硬化带不像机械珩磨、化学腐蚀或电火花等加工方法产生的硬化带那样在短期内就被磨平失效，而能长时间保持良好润滑及抗磨特性。

激光表面微造型技术是一种易控制、高效率的现代化加工方法。中国专利CN200610039758.1公开了一种激光表面微造型方法，主要是利用半导体泵浦YAG激光器，通过声光调Q产生脉冲激光，并结合“单脉冲同点间隔多次”的激光加工新工艺，在工件表面加工出可控制深度的微凹腔和微凹槽。但这种加工方法激光轴做垂直移动，工件旋转时工件内表面的激光微造型，对于工件固定时其内表面不能加工（如四缸汽缸体的四个汽缸内表面的激光微造型加工只能采用激光轴旋转的方案），对于激光轴旋转和辅助气体的传送方案没有解决。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足而设计出一种用于表面微造型旋转激光头系统，增加了激光轴的旋转功能，同时辅助气体的传送的方案，应用于工件固定、激光轴旋转时内表面激光微造型加工。

本发明的技术方案是：

一种用于表面微造型的旋转激光头系统，在一导轨上安装有垂直运动的第一支架，在第一支架上装有伺服电动机、同步带传动系统和第一空心轴。伺服电动机通过同步带传动系统连接带动第一空心轴旋转。所述第一空心轴顶端通过第一轴承与圆筒连接，圆筒固定在第二支架上，第二支架固定在第一支架上，底端通过第二轴承与套筒连接，所述套筒下面装有旋转编码器。所述圆筒侧面开孔用来传送辅助气体，顶端与第二空心轴通过法兰连接；第二空心轴中装有平面透镜，第二空心轴顶端与第三空心轴间隙配合，第三空心轴固定，第二空心轴可相对垂直运动；所述第三空心轴上端设置第一全反镜。

所述第一空心轴下端连接激光头，所述激光头由筒状壳体、聚焦镜、第二全反镜、螺纹支架和固定支架组成；所述聚焦镜通过螺纹支架和固定支架安装在筒状壳体上端，聚焦镜装在螺纹支架上，螺纹支架通过螺纹连接在固定支架上，固定支架固定在筒状壳体内，固定支架上开有一系列轴向孔；所述第二全反镜装在筒状壳体的下端，在筒状壳体下端的侧壁上对应全反镜的反射光路开由出光口。

 激光器产生的激光通过第一全反镜使光线沿第三空心轴垂直下传至平面透镜，经过平面透镜下传至聚焦镜，经聚焦镜聚焦在第二全反镜上，经第二全反镜平行射出。

本系统的技术关键有：支架上安装的伺服电动机、同步带传递空心轴旋转运动，同时支架在导轨上垂直运动；激光头通过螺纹与空心轴连接，通过调节螺纹支架带动聚焦镜垂直移动改变焦点位置从而加工不同直径的内表面；空心轴上部的圆筒开孔用来传送辅助气体，上部有平面透镜，阻止辅助气体上传；同时空心轴可以垂直移动，保证旋转激光头的垂直运动。其采用声光调Q技术的半导体泵浦YAG激光器，它具有泵浦效率较高、光束质量好、重复频率高、系统紧凑等优点，为精确去除材料，形成高质量表面造型奠定了基础。同时调整脉冲激光作用时间和形貌空间之间的关系，即采用 “单脉冲同点间隔多次”的工艺，这种工艺方法采用先进控制原理，实现激光器脉冲发出时间和激光轴旋转时间耦合，即在两个或多个脉冲的空隙时间内正好走过工件上两个加工点之间的旋转距离，完成在工件表面规定位置上的激光单脉冲输出，这样可以充分保证加工时的效率。

本发明具有的优点：

1、实现了激光轴的旋转运动和垂直运动的合成，实现了工件固定时其内表面激光微造型的加工；

2、实现了辅助气体传送的新设计，保证了加工质量，解决了旋转时气体的传送；

3、聚焦镜螺纹支架垂直移动可以调节焦点位置，保证加工不同直径内表面；

4、其利用半导体泵浦YAG激光器，通过声光调Q产生脉冲激光，结合单脉冲同点间隔多次的激光微加工工艺，即通过在同一个点处，间隔反复地打多个激光脉冲，在工件表面加工出微凹腔和微凹槽。

本系统适用于工件固定、激光头旋转加工工件的内表面（如多缸汽缸体）的情况。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为激光头及其内部聚焦镜安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本系统的结构及工作方式：

如图1所示，在导轨1上安装有垂直运动的第一支架2，在第一支架2上装有伺服电动机4、同步带传动系统和第一空心轴17。

同步带传动系统包括第一同步带轮3、同步带5和第二同步带轮7，伺服电动机4与第一同步带轮3通过平键连接，第一同步带轮通过同步带5连接第二同步带轮7，第二同步带轮7通过平键与第一空心轴17连接，带动第一空心轴17旋转。

第一空心轴17顶端通过第一轴承8与圆筒9连接，圆筒9固定在第二支架6上，第二支架6固定在第一支架2上，底端通过第二轴承15与套筒14连接，所述套筒14下面装有旋转编码器16。

所述圆筒9侧面开孔用来传送辅助气体，顶端与第二空心轴10通过法兰连接。第二空心轴10中装有平面透镜13，隔断第二空心轴10。

第二空心轴10顶端与第三空心轴11间隙配合，第三空心轴11固定，第二空心轴10可相对垂直运动。所述第三空心轴11上端设置第一全反镜12。 

如图2所示，第一空心轴17下端连接激光头，所述激光头由筒状壳体19、聚焦镜18、第二全反镜20、螺纹支架21和固定支架22组成。

聚焦镜18通过螺纹支架21和固定支架22安装在筒状壳体19上端，聚焦镜18装在螺纹支架21上，螺纹支架21通过螺纹连接在固定支架22上，固定支架22固定在筒状壳体19内，固定支架22上开有一系列轴向孔。

第二全反镜20装在筒状壳体19的下端，在筒状壳体19下端的侧壁上对应第二全反镜20的反射光路开有出光口23。

半导体泵浦YAG激光器产生的激光通过第一全反镜12使光线沿第三空心轴垂直下传至平面透镜13，经过平面透镜13、圆筒9、第一空心轴17、螺纹支架21下传至聚焦镜18，经聚焦镜18聚焦在第二全反镜20上，经第二全反镜20平行射出。

同步带传动系统与伺服电动机装有减震垫片，能有效降低振动。

本系统的垂直运动是由第一支架2在导轨1上垂直运动，同时传递给第一空心轴17做垂直运动。旋转运动是由在第一支架2上装伺服电动机4，与同步带轮3通过平键连接，经过同步带5传递到同步带轮7，同步带轮7通过平键与第一空心轴17连接，带动第一空心轴17旋转，从而实现第一空心轴17的旋转运动。

本系统的第一空心轴17顶端通过轴承8与圆筒9连接，圆筒9固定在第二支架6上，第二支架6固定在第一支架2上，底端通过轴承15与套筒14连接，可以保证空心轴的旋转精度。

套筒14下面装旋转编码器16，可以控制转动的角度。

圆筒9侧面开孔用来传送辅助气体，第二空心轴10装有平面透镜13可以阻止辅助气体向上运动。

第二空心轴10顶端与第三空心轴11间隙配合，第三空心轴11固定不动，第二空心轴10可相对垂直运动。

激光头可以通过调节螺纹支架21相对固定支架22螺旋运动调整聚焦镜焦点位置，根据加工工件直径调整聚焦镜18位置，使激光焦点打在内表面上。

在固定支架22上开有一系列孔，是为了保证辅助气体的传送。 

本发明采用了激光头旋转，工件固定的加工方法，并实现辅助气体的传送。

以上所述，是本发明的较佳实施例，凡依本发明方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的范围。

Claims (3)

1.一种用于表面微造型的旋转激光头系统，其特征在于：在一导轨（1）上安装有垂直运动的第一支架（2），在第一支架上装有伺服电动机（4）、同步带传动系统和第一空心轴（17）；伺服电动机通过同步带传动系统连接带动第一空心轴（17）旋转；所述第一空心轴顶端通过第一轴承（8）与圆筒（9）连接，圆筒固定在第二支架（6）上，第二支架固定在第一支架上，底端通过第二轴承（15）与套筒（14）连接，所述套筒下面装有旋转编码器（16）；所述圆筒侧面开孔用来传送辅助气体，顶端与第二空心轴（10）通过法兰连接；第二空心轴中装有平面透镜（13），第二空心轴顶端与第三空心轴（11）间隙配合，第三空心轴固定，第二空心轴可相对垂直运动；所述第三空心轴上端设置第一全反镜（12）； 

所述第一空心轴下端连接激光头，所述激光头由筒状壳体（19）、聚焦镜（18）、第二全反镜（20）、螺纹支架（21）和固定支架（22）组成；所述聚焦镜通过螺纹支架和固定支架安装在筒状壳体上端，聚焦镜装在螺纹支架上，螺纹支架通过螺纹连接在固定支架上，固定支架固定在筒状壳体内，固定支架上开有一系列轴向孔；所述第二全反镜装在筒状壳体的下端，在筒状壳体下端的侧壁上对应全反镜的反射光路开有出光口（23）；

半导体泵浦YAG激光器产生的激光通过第一全反镜（12）使光线沿第三空心轴垂直下传至平面透镜（13），经过平面透镜（13）下传至聚焦镜（18），经聚焦镜（18）聚焦在第二全反镜（20）上，经第二全反镜（20）水平射出。

2.根据权利要求1所述的用于表面微造型的旋转激光头系统，其特征在于：所述同步带传动系统包括第一同步带轮（3）、同步带（5）和第二同步带轮（7），所述伺服电动机与第一同步带轮通过平键连接，第一同步带轮通过同步带连接第二同步带轮，第二同步带轮通过平键与第一空心轴连接，带动第一空心轴旋转。

3.根据权利要求1或2所述的用于表面微造型的旋转激光头系统，其特征在于：所述同步带传动系统与伺服电动机装有减震垫片。

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