CN103071931A - 一种飞秒激光对凸轮表面微造型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光对凸轮表面微造型方法，首先根据凸轮从动件运动规律将凸轮运动阶段分为近休止阶段，远休止阶段，推程回程阶段；飞秒激光对凸轮三阶段分别进行不同深度的微凹坑加工；利用三维形貌仪测量凹坑微凹坑深度，结合表面浸润性，得出对应的最佳材料润滑性能的三种凹坑微凹坑深度反馈给计算机；飞秒激光对凸轮三阶段分别进行不同微凹坑占有率微凹坑面积占有率的微凹坑加工；进行摩擦磨损试验，确定最佳微凹坑面积占有率并反馈给计算机；最后实施激光微造型加工控制微凹坑形貌。本发明不仅显着改善凸轮表面的润滑性能,提高凸轮耐磨性,还可以延长凸轮的寿命,提高发动机的整体性能。

Description

一种飞秒激光对凸轮表面微造型的方法

技术领域

本发明涉及表面微加工领域，具体涉及一种飞秒激光对凸轮表面微造型的方法。

背景技术

随着现代柴油、汽油发动机设计要求比功率和经济性增加，使得发动机所受交变载荷不断增加，燃油系统作为发动机的心脏，对其提出更高的要求。随着排放法规的日益严格，发动机所需的供油速率、喷油压力不断提高，最终使这些供油压力、运动惯性力落在凸轮和滚轮上，所以凸轮和滚轮的工作强度非常大，一旦发生疲劳损坏，燃油喷射系统就不能很好地正常工作，并影响发动机的性能。凸轮工作一段时间后，首先会在凸轮高负载荷区域内引起表面的拉痕、麻点、剥落。因此，提高凸轮使用寿命、保证其工作可靠性，耐久性，动力学性能成为重要的柴油/汽油发动机的一项重要的课题。研究表明通过在表面设置一定的微观形貌能够改善摩擦副的润滑减磨性能，同时扩大了流体动压润滑的载荷和速度。

现有技术里提供了一种对凸轮滚轮摩擦副表面的激光复合处理技术，如申请号为200810124318.5的中国专利《凸轮表面形貌的激光微造型方法》提供的凸轮表面形貌的激光微造型方法，首先确定凸轮表面微观几何形貌设计方案，再通过控制激光加工工艺参数，即功率密度（10⁵～10⁷W/cm）、脉冲宽度（25ns~200ns）、重复频率（5~15KHz）、扫描速度（0r/min~300r/min）和辅助气体（氮气或氧气）结合工件运动空间轨迹，实施不同形貌方案的激光微造型加工，在凸轮特定的局部表面形成硬度高，由微凹腔和微凹槽组成的微观几何形貌。上述的方法中，微凹腔与微凹槽组成的微观形貌会影响微观稳定性，增加了微造型的加工难度，降低生产效率。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种飞秒激光对凸轮表面微造型的方法；该飞秒激光对凸轮表面微造型的方法可以保证凸轮运转过程中的稳定性，降低微造型加工难度；提高凸轮表面的耐磨、润滑减磨性能，延长凸轮使用寿命。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种飞秒激光对凸轮表面微造型方法，包括如下步骤：

（1）根据凸轮受力状态将凸轮形貌轮廓行程分为近休止阶段，远休止阶段，推程回程阶段三个基本阶段；

（2）试验分析出在凸轮表面浸润性能最佳的情况下，三个基本阶段的最佳微凹坑深度；

（3）试验分析出在凸轮表面磨损最少的情况下，三个基本阶段的最佳微凹坑面积占有率；

（4）根据凸轮的外形尺寸、最佳微凹坑深度和最佳微凹坑面积占有率，设计待加工微凹坑的位置；

（5）根据待加工微凹坑的排布图形，设计激光焦点的扫描轨迹；

（6）将凸轮定位与夹紧，使凸轮只具有一个旋转自由度，凸轮近似静止缓慢运动；

（7）选择飞秒激光器的加工工艺参数，所述工艺参数包括功率密度10⁵~10⁷W/cm、脉冲宽度25~200ns、重复频率5~15KHz、扫描速度0~300r/min，结合激光焦点的扫描轨迹，对凸轮三个基本阶段的进行不同密度排布的激光加工。

本发明主要利用飞秒激光对凸轮承载接区域进行飞秒激光微造型处理，因为飞秒激光超短超强和高聚焦能力，可将能量全部快速准确集中在作用区域，并且具有能耗低、无热熔区、冷加工、高精度、高质量、对环境无特殊要求等优点。

本发明提出了依据不同承载面的承载力需求提出了将承载面按力的变化进行分类的解决方案，在保证提高摩擦性能的前提下同时保证加工微微凹坑的目的更加明确。

由于上述技术方案的采用，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、在凸轮三种局部工作表面形成硬度高，且按对承载力分布的、由三种不同微凹坑阵列平均分布各段表面组成的微观形貌及金相组织。

2、本发明由于采用对凸轮进行分段式讨论激光加工微凹坑，有利于根据对不同段的所受承载力，平均分布微凹坑阵列。

3、本发明各段凸轮段都是由一系列微凹坑均匀分布，重复性好，稳定性高。

4、本发明在凸轮表面微造型参数的选择上，不仅能起到很好的润滑作用还改善承载力的分布。

5、本发明在凸轮表面形成的微凹坑有利于收集磨粒，避免磨粒磨损。

附图说明

图1为飞秒激光对凸轮表面微造型的方法的流程图；

图2为激光加工设备示意图；

1、计算机；2、飞秒激光器；3、激光束；4、45°全反镜；5、聚焦镜；6、凸轮轴；7、工作台；8、凸轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1、2所示，本发明提供了一种飞秒激光对凸轮表面微造型的方法，包括以下步骤：

（1）利用计算机1根据从动件运动规律即将凸轮8形貌轮廓到凸轮轴6距离分为近休止阶段（距离最近且不变化），远休止阶段（距离最远且不变化），推程回程阶段（距离不断变化）三个基本阶段；

（2）采用飞秒激光器2对凸轮8三阶段分别进行不同深度的微凹坑加工，同种阶段的深度相同，微凹坑深度范围为2μm~20μm；

利用三维形貌仪测量微凹坑深度，结合表面浸润性，得出表面浸润性能最佳即接触角值最大时的三种阶段的最佳微凹坑深度；并将三种阶段的最佳微凹坑深度反馈给计算机1；

（3）飞秒激光器2对凸轮8三阶段分别进行不同微凹坑面积占有率的微凹坑加工，同种阶段的微凹坑面积占有率相同；微凹坑面积占有率范围为20%-45%；其中，微凹坑面积占有率计算公式为：r＝πd²/s，d为微凹坑直径，s为凸轮三阶段的面积；

结合凸轮8不同阶段微凹坑面积占有率，进行摩擦磨损试验，磨损最少时的微凹坑面积占有率参数为最佳微凹坑面积占有率；并将三阶段的最佳微凹坑面积占有率反馈给计算机1；

（4）根据凸轮8的外形尺寸、最佳凹坑深度和最佳微凹坑面积占有率，设计待加工凹坑的位置；

（5）根据待加工凹坑的排布图形，设计激光焦点的扫描轨迹；

（6）将凸轮8定位与夹紧在工作台7上，使凸轮8只具有一个旋转自由度，凸轮8近似静止缓慢运动；

（7）选择飞秒激光器2加工工艺参数，所述工艺参数包括功率密度10⁵~10⁷W/cm、脉冲宽度25~200ns、重复频率5~15KHz、扫描速度0~300r/min和辅助气体（氮气或氧气），结合激光焦点的扫描轨迹，对凸轮8三个基本阶段的进行不同密度排布的激光加工；即飞秒激光器2发出激光束3，激光束3经过45°全反镜4反射和聚焦镜5后聚焦在凸轮8表面，实现激光加工。

Claims (1)

1.一种飞秒激光对凸轮表面微造型方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）根据凸轮受力状态将凸轮形貌轮廓行程分为近休止阶段，远休止阶段，推程回程阶段三个基本阶段；

（2）试验分析出在凸轮表面浸润性能最佳的情况下，三个基本阶段的最佳微凹坑深度；

（3）试验分析出在凸轮表面磨损最少的情况下，三个基本阶段的最佳微凹坑面积占有率；

（4）根据凸轮的外形尺寸、最佳微凹坑深度和最佳微凹坑面积占有率，设计待加工微凹坑的位置；

（5）根据待加工微凹坑的排布图形，设计激光焦点的扫描轨迹；

（6）将凸轮定位与夹紧，使凸轮只具有一个旋转自由度，凸轮近似静止缓慢运动；

（7）选择飞秒激光器的加工工艺参数，所述工艺参数包括功率密度10⁵~10⁷W/cm、脉冲宽度25~200ns、重复频率5~15KHz、扫描速度0~300r/min，结合激光焦点的扫描轨迹，对凸轮三个基本阶段的进行不同密度排布的激光加工。

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