CN102618699A

CN102618699A - 机床导轨表面多点并行激光仿生强化方法及装置

Info

Publication number: CN102618699A
Application number: CN2012100892866A
Authority: CN
Inventors: 王义强; 袁修华; 郑堤; 王龙山; 华顺明; 王晓军; 邱红钰
Original assignee: Ningbo Institute of Technology of ZJU
Current assignee: Ningbo Institute of Technology of ZJU
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明提供一种机床导轨表面多点并行激光仿生强化方法及装置，该方法包括以下步骤：步骤1，针对机床导轨表面容易发生破坏的部位，设计平面或空间曲线骨架；步骤2，根据设计的曲线骨架，确定激光头的使用数目并选定各个激光头的相应位置；步骤3，利用激光加热的方法对机床导轨表面进行熔凝，以形成仿生单元体。本发明不但可以增强机床导轨表面抗磨损性能、抗疲劳性能，大幅度提高使用寿命，而且强化工艺简单、效率高、成本较低。

Description

机床导轨表面多点并行激光仿生强化方法及装置

技术领域

本发明涉及一种机床导轨表面激光仿生强化方法及装置，尤其涉及一种多点并行的机床导轨表面激光仿生强化方法及装置，属于金属材料加工技术领域。

背景技术

仿生学近年来在材料领域已经开始研究并应用，在金属材料的设计制造领域具有非常的前景。有许多金属零件因功能需要，既需要高的韧性又需要较高的硬度和强度，采用模仿生物表面软硬结合的组织可以实现所要求的性能。

通常强度与韧性之间存在着制约关系，材料强度增加，总伴随着材料韧性的降低。要求高强度的同时，又要求材料有较高的韧性，是很困难的。强韧化处理多种多样，但归结之后，基本都是通过高温淬火和高温回火、低温淬火等途径来取得强韧化效果的：充分利用板条马氏体和下贝体组织形态，尽量减少片状马氏体；细化钢的奥氏体晶粒和过剩碳化物，获得马氏体与具有良好塑性的第二相的复合组织。机床导轨表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、电火花表面强化法、渗硼法、TD法、CVD法、PVD法、BRN法、激光表面强化法、等离子喷涂法等。但是，这些传统处理方法常会在工件表面形成残余张应力，降低工件的使用寿命，同时由于是对表面整体处理，效率低，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机床导轨表面多点并行激光仿生强化方法及装置，直接利用激光对机床导轨表面进行熔凝，在导轨表面形成空间强化单元体骨架，改变熔凝区域的组织，达到强化的目的，对具有空间复杂型面的机床导轨表面进行数控加工，实现具有空间自由曲面的机床导轨表面的仿生强化，以解决现有技术存在的工艺复杂、成本高的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的机床导轨表面多点并行激光仿生强化方法包括以下步骤：步骤1，针对机床导轨表面容易发生破坏的部位，设计平面或空间曲线骨架；步骤2，根据设计的曲线骨架，确定激光头的使用数目并选定激光头的相应位置；步骤3，利用激光加热的方法对机床导轨表面进行熔凝，以形成仿生单元体。

为了实现上述目的，本发明提供的机床导轨表面多点并行激光仿生强化装置包括激光器，用于发射激光对机床导轨表面进行加热，应用时可以根据所设计的具体的曲线骨架选择激光头的个数及相对位置；五自由度联动设备，包括工作台、龙门和横梁，所述工作台在水平面内具有Y向平移自由度，所述横梁具有垂直于水平面的Z向平移自由度，所述横梁上设有滑动激光座，所述滑动激光座具有水平的X向移动自由度，所述滑动激光座上设有轴线竖直的第一旋转轴，所述第一旋转轴下端设有轴线可变的第二旋转轴。应用时，所述第一旋转轴的轴线和所述第二旋转轴的轴线夹角可根据实际加工需要自由设定。所述激光器的激光头设于第二旋转轴上并使激光束始终与机床导轨表面的法线一致；控制系统，与所述激光器和五自由度联动设备连接以控制、协调所述激光器和五自由度联动设备的动作，并根据预设的激光加工工艺参数和机床导轨的空间网格、工件的外形和尺寸、仿生单元体的几何形状对机床导轨表面进行激光强化。

对上述分析可知，本发明可以在机床导轨表面形成软硬结合的结构，激光强化部位硬度高（比基体组织高50-300HV），耐磨性好，基体组织硬度较低，保持良好的韧性，对提高工件耐磨损、抗疲劳性能十分有利，实验表明，强化后的机床导轨的寿命可提高1-3倍。本发明还可以针对不同的金属材料和不同的自由型面，通过选择不同的激光参数，获得不同宽度和深度的强化单元体，构成空间的强化曲线骨架，来满足被处理工件的性能要求，并且可以实现各种复杂网格式的激光仿生强化。本发明提供的装置包括五自由度联动设备，自动化程度高，生产效率高。

附图说明

图1为本发明装置优选实施例运行时的结构简图；

图2为本发明装置优选实施例的五自由度联动设备结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1和图2基本示出了本发明装置优选实施例的示意性结构，图1-图2所示的本发明机床导轨表面激光仿生强化装置优选实施例包括图中示出的激光器K₁、K₂中的激光头J₁、J₂、J₃和五自由度联动设备、控制系统。激光器的激光头J₁、J₂、J₃等用于发射激光以对机床导轨表面进行加热。由于激光器的结构及使用方法均为共知技术，在此不再赘述。

如图2所示，五自由度联动设备包括工作台5、床身1、滑动激光座2、横梁3、立柱4和X向进给机构X1、Y向进给机构Y1、Z向进给机构Z1、B轴向进给机构B2、C轴向进给机构C2。工作台5上放置机床导轨G。借此，工作台5在水平面内具有Y向平移自由度，立柱4上部设置的滑动激光座2具有水平的X向移动自由度。滑动激光座2上设有轴线竖直的旋转轴C，旋转轴C下端设有轴线不固定的旋转轴B，旋转轴C的轴线和旋转轴B的轴线角度可根据实际操作的需要设定，激光头J₁、J₂、J₃等通过连杆设于旋转轴B等的相应内盘和外盘上，并使激光束始终与机床导轨表面的法线一致。

控制系统与激光器和五自由度联动设备连接以控制、协调激光器和五自由度联动设备的动作，并根据预设的激光加工工艺参数和机床导轨的空间网格、工件的外形和尺寸、仿生单元体的几何形状对机床导轨进行激光强化。

下面结合本发明装置优选实施例的使用，对本发明方法优选实施例做进一步说明。

本发明对机床导轨G表面进行仿生强化是模仿生物“软硬”结合的结构，在机床导轨G表面通过激光熔凝加工形成一系列规律分布的仿生单元体，这些单元体在机床导轨表面形成空间曲线骨架Q，而且具有与基体截然不同的组织，它们在工件表面会起到提高工件耐疲劳和耐摩擦磨损性能的作用。

在本发明装置优选实施例运行时，将待处理的机床导轨安装在工作台5之上。

首先，针对机床导轨G表面容易发生破坏的部位，设计空间曲线骨架Q，根据空间曲线骨架Q选定要使用的激光头及相应参数，并预设在控制系统中。

接着，在机床导轨G表面，根据设计的空间曲线骨架Q，利用激光头J₁等加热，进行仿生单元体的加工，根据不同的工件材料，需要设置的激光参数包括离焦量、电流、脉冲宽度、频率、速度和路径方向以及激光头的数目和相应位置等。空间曲线骨架Q的宽度优选为0.01-12mm，深度为0.01-10mm，硬度（HV）比金属基体材料可高达50-400。激光头J₁等按照空间曲线骨架Q对机床导轨表面加热时，通过控制系统的控制，工作台5由Y向进给机构驱动进行Y方向的运动，滑动激光座2由X向进给机构驱动进行X方向的运动；激光头J₁等经由B轴向进给机构B2与C轴向进给机构C2驱动，其具有两个旋转自由度（此外，J₁、J₃所在的外盘也具有B2轴向的旋转自由度），再者横梁3具有Z向自由度，这样激光头J₁等发射的激光束既可以在复杂的机床导轨G的表面任一点以与该点法线一致的方向加热，也可以实现机床导轨简单平面上复杂网格的多点同时与相应点法线一致的方向加热。

本发明装置实施例的控制系统包括计算机及其他信号转换、连接部件，该计算机可嵌入“激光仿生强化工艺数据库”。“激光仿生强化工艺数据库”的重要组成部分是加工工艺参数数据库，该数据库可以是对大量实验数据的总结和优化。数据库中，每一条数据记录可以包括材料、激光和单元体的参数三部分，材料参数包括机床导轨材料的牌号、原始显微组织，硬度；激光参数包括激光器的频率、电流强度、脉宽、扫描速度，单元体参数包括单元体的分布规律、宽度、深度、硬度、处理后的显微组织。因此，本发明装置实施例的控制系统一方面可以根据用户要求的单元体尺寸，设置激光加工工艺参数；另一方面可以根据用户输入的信息，包括工件的外形和尺寸、单元体的几何形状，设计好的空间网格，自动形成数控强化加工程序。

本发明装置实施例在制造表面具有封闭框形强化单元分布形态的导轨时，根据导轨基材和表面工作应力分布情况，对导轨易于发生损坏的部位进行表面激光仿生强化，导轨材料为铸铁HT200，根据几何表面曲率信息，用电流180A、脉宽8ms，频率5HZ、离焦量6.5mm、速度0.5mm/s、单点能量密度为418J的激光束垂直扫描导轨表面；形成强化单元体宽度为0.8mm、强化深度为0.9mm为空间曲线骨架。加工测试后单元体硬度为600HV，比基体材料高90~120V，耐磨性、疲劳显著提高，具有激光仿生表面的导轨使用寿命比强化前提高了1倍。

本发明装置实施例在制造表面具有矩形强化单元分布形态的导轨时，根据导轨基材和表面工作应力分布情况，对导轨易于发生损坏的部位进行表面激光仿生强化，导轨材料为铸铁HT300，根据几何表面曲率信息，用电流150A、脉宽8ms，频率5HZ、离焦量5.0mm、速度0.6mm/s、单点能量密度为333J的激光束垂直扫描导轨表面；形成强化单元体宽度为0.7mm、强化深度为0.8mm为空间曲线骨架。加工测试后单元体硬度为590HV，比基体材料高80~100V，耐磨性、疲劳显著提高，具有激光仿生表面的导轨使用寿命比强化前提高了0.8倍。

综上所述，本发明通过提供一种能有效提高机床导轨表面抗疲劳性和耐磨性的工艺方法及装置，可以针对不同的金属基体材料，采用合适的工艺参数，利用激光加热，使机床导轨表面形成强化单元体形态为空间曲线骨架的工艺方法，强化单元分布符合仿生学原理，既保证了基材的韧性又提高了型腔表面的强度。借此，本发明可以有效提高金属表面抗疲劳性和金属表面耐磨性，且性能价格比好，生产效率高。本发明提供的方法和装置相结合可以方便实现机床导轨表面强化轨迹可控及激光参数的自适应调节，从而形成与金属基体组织结构不同的仿生强化单元，使导轨使用寿命延长0.5-1.5倍，大大降低了生产成本。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims

1.一种机床导轨表面多点并行激光仿生强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，针对机床导轨表面容易发生破坏的部位，设计平面或空间曲线骨架；

步骤2，根据设计的曲线骨架，确定激光头的使用数目并选定激光头的相应位置；

步骤3，利用激光加热的方法对机床导轨表面进行熔凝，以形成仿生单元体。

2.根据权利要求1所述的机床导轨表面激光仿生强化方法，其特征在于，所述曲线骨架的宽度为0.01-12mm，深度0.01-10mm。

3.一种机床导轨表面多点并行激光仿生强化装置，其特征在于，包括：

激光器，用于发射激光对机床导轨表面进行加热；

五自由度联动设备，包括工作台、龙门、横梁，所述工作台在水平面内具有Y向平移自由度，所述横梁具有垂直于水平面的Z向平移自由度，所述横梁上设有滑动激光座，所述滑动激光座具有水平的X向移动自由度，所述滑动激光座上设有轴线竖直的第一旋转轴，所述第一旋转轴下端设有轴线可变的第二旋转轴，所述激光器的激光头设于第二旋转轴上并使激光头发射的激光束始终与机床导轨表面的法线一致；

控制系统，与所述激光器和五自由度联动设备连接以控制、协调所述激光器和五自由度联动设备的动作，并根据预设的激光加工工艺参数和机床导轨的空间网格、工件的外形和尺寸、仿生单元体的几何形状对机床导轨表面进行激光强化。