CN103521924B - 一种凸轮轴表面激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种凸轮轴表面激光加工方法。本发明利用聚焦激光束具有等效加工深度的特性，将凸轮的非圆异形轮廓曲线转化为若干同心圆弧的组合，对转化轮廓的激光加工与对原有凸轮轮廓的激光加工具有等同效果。本发明最终的有益效果是，将凸轮轴表面激光加工设备轴数（自由度）要求由四轴降低至三轴，且能够对凸轮轴任意位置加工，使得装置的复杂性、制造成本和编程难度大大降低。本专利方法尤其适用于对激光入射角度、加工质量一致性要求高的激光加工工艺。

Description

一种凸轮轴表面激光加工方法

技术领域

本发明方法涉及一种凸轮轴表面激光加工方法，属于的高能特种制造领域。

背景技术

凸轮因其结构简单、结构紧凑、设计方便，在自动化机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械、食品机械、包装机械和机电一体化产品均有广泛应用。它具有曲面或曲槽，使从动件按预期精确运动。凸轮轴上安置有多个凸轮，其面广量大，是汽车发动机的配气机构及喷油泵的关键部件，精确控制着进、排气门的启闭和供油起始时间、供油压力及供油规律。凸轮轴表面必须具有极优的抗磨性能以应对苛刻的工况条件，因此在生产中采用了大量的热处理及表面强化技术。

传统的凸轮轴表面热处理技术包括感应加热表面硬化处理技术、等温淬火表面硬化处理技术和碳氮共渗（或渗碳）技术等。近年来，随着高能激光技术的发展又衍生出了激光淬火技术、激光合金化技术以及激光熔凝或熔覆技术。激光对凸轮轴的表面强化不会使凸轮轴产生热变形，无需后续矫直工序，特别适合细长凸轮轴的加工。早期人们普遍认为相互接触的摩擦副表面越光滑磨损量越小。近年来大量理论研究和工程应用实践均表明：表面并非越光滑越好，事实上，具有一定微观几何形貌表面反而具有更好的抗磨性。上述结论已在世界范围内形成共识，由此诞生出了表面织构技术。激光表面织构技术，是指利用一定能量密度的激光束，在工件表面形成与润滑性能要求优化匹配的沟槽、纹路或凹腔。相关研究表明：表面织构有减磨效果，织构形貌周围区域晶向组织发生变化，材料硬度大幅上升；球墨铸铁凸轮轴在经过激光表面织构处理后能够达到优质45#钢凸轮轴相同的使用寿命。

虽然凸轮轴表面激光强化技术和凸轮轴表面激光织构技术具有上述诸多优势，但在产业化应用中却有诸多困难，至今尚未大规模使用。其中之一就是激光加工需同时满足激光法向入射工件表面和激光头与工件垂直距离保持恒定两个条件。因此，设备应至少是四轴（自由度）三联动的。四轴（自由度）分别实现调节激光头与凸轮轴竖直方向相对位置、激光头与凸轮轴水平方向位置、激光法向入射。

聚焦的激光束的一个重要特性往往被忽略，其由两方面构成。一方面激光束经过聚焦透镜（凸透镜），得到的焦点实际上并非为一个点，焦点的长度为焦深。焦深Z _focdepth 为两倍的瑞利距离，瑞利距离Z为激光束半径增加到两倍最小半径时到焦点的距离，其公式定义如下：

 其中，f为聚焦透镜的焦距，λ为激光波长，r为入射前的激光束半径，k为激光质量参数，在这里将激光束可近似认为理想激光束，故激光质量参数k=1。上式表明，通过增大f、λ，减小r，可增大焦深。另一方面聚焦光束某点与焦点中心的距离为该点的离焦量。在一定离焦量范围内，由于激光功率密度相近，功率密度为光束的平均功率比上光斑面积。综上，在激光加工中，激光头至工件表面距离存在一个10~100μm波动范围，在该范围内激光加工是等效的。

发明内容

本发明解决的技术问题是，现有凸轮轴表面激光加工装置复杂，不易实现复杂扫描路径的激光加工，编程繁琐，装置成本高。

本发明的一种凸轮轴表面激光加工方法的技术方案是，将凸轮的非圆异形轮廓曲线转化为若干与基圆圆心同心的圆弧组合，对转化轮廓的激光加工与对原有凸轮轮廓的激光加工具有等同效果。

本发明的一种凸轮轴表面激光加工方法对凸轮轴上每一个凸轮的加工原理是相同的，对单个凸轮的加工的具体技术方案包括四个步骤：

步骤1，划分轮廓，将凸轮轮廓划分为基圆轮廓和升程轮廓。基圆轮廓不需要等效转化，升程轮廓是转化的对象。

步骤2，定带宽，确定等效加工范围带的宽度。所述等效加工范围带的宽度即为激光头至工件表面距离存在的一个波动范围，在该波动范围带内激光加工效果是等效的。

步骤3，轮廓转化，在等效加工范围带内将凸轮的升程轮廓转化为与基圆同心的若干圆弧。所述轮廓转化的方法为：在凸轮轮廓图上作出宽度为等效加工范围的等效加工范围带，凸轮轮廓处在等效加工范围带中线位置；作若干与基圆同心圆弧，每一个圆弧均在等效加工范围带内，上述若干圆弧的圆心角不重叠且所有圆弧的圆心角之和等于升程轮廓开角。定义升程轮廓开角为升程轮廓曲线两端点与基圆圆心所连线段的夹角。基圆轮廓和圆弧的组成了等效加工轮廓。

步骤4，等效加工，以等效加工轮廓为对象进行激光加工。在加工的初始状态，满足条件：激光头至凸轮表面距离为特定值；激光束过基圆圆心；凸轮轴的旋转中心轴为基圆圆柱的中心轴。控制激光束的启闭与扫描路径，完成特定的激光加工。

本发明方法适合于各种凸轮轴表面激光加工工艺。实施本发明的一种三轴凸轮轴激光加工装置的技术方案为，包括夹具系统、运动执行系统、激光系统和控制系统。

夹具系统包括左顶针、右顶针、鸡心夹头、定位挡块、拨爪。左顶针和右顶针同轴，出射的激光束与左顶针和右顶针所在轴线垂直。

运动控制系统包括伺服电机、Z竖直导轨、Y水平导轨。

激光系统包括激光器、聚焦透镜，激光头。

控制系统包括激光控制模块、运动控制模块和计算模块。

本发明的有益效果是，在不影响激光加工质量的基础上，减少目前凸轮轴表面激光加工一个轴数的要求，使得编程、控制、操作难度以及制造成本大大降低。

附图说明

图1是凸轮a轮廓转化示意图。

图2是凸轮b轮廓转化示意图。

图3是激光功率密度-距离曲线。

图4是实施本发明方法的三轴加工装置示意图。

图中，1，基圆圆心；2，凸轮a；3，等效加工范围带；4，简化圆弧；5，加工起始点；6，凸轮轴；7，凸轮一；8，凸轮二；9，凸轮三；10，Y水平导轨；11，Z竖直导轨；12，伺服电机；13，定位挡块；14，激光头；15，鸡心夹头；16，拨爪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步详细说明。

实施例一。

图1为具有典型轮廓的凸轮a2的轮廓转化示意图。对凸轮a2的加工，具体包括四个步骤：

步骤1，划分轮廓，将凸轮a2的轮廓曲线按基圆轮廓和升程轮廓进行划分。基圆轮廓不需要等效转化，升程轮廓是转化的对象。

步骤2，定带宽，确定等效加工范围带3的宽度。所述等效加工范围带3的宽度即为激光头14至工件表面距离存在的一个波动范围，在该波动范围带3内激光加工效果是等效的。等效加工范围带3的宽度与激光器参数和外光路有关，这里列举三种确定等效加工范围带3宽度的方法。需要特别注意的是，实现与本发明相同目的和用途的确定等效加工范围带3宽度的方法均属本发明的保护范畴。

第一种方法为仪器测量法。聚焦激光束经由激光头14垂直入射激光功率密度计，变化激光头14与激光功率密度计的相对距离，最小相对距离为0，最大相对距离6mm，相对距离变化间隔0.05mm。测量每次距离变化的激光功率密度，记录数据，得到如图3所示的激光功率密度-距离曲线，不同参数及设备下的曲线走势类似但不完全相同。所述曲线中，纵坐标为激光功率密度，横坐标为激光头与激光功率密度计的距离。C1值为激光功率密度的最大值，为1.32×10⁷w/cm²；C2值为满足等效加工条件的激光功率密度的最小值。定义值为等效加工的激光功率密度偏差，该值越小则实施本发明方法的激光加工效果越趋于一致，该值小于15%，则C2值为1.12×10⁷w/cm²。曲线上纵坐标为C2的两点对应横坐标S1值4.5mm和S2值5.5mm，S1和S2的差值为1mm即为等效加工范围带3的宽度。

第二种方法为实际加工法。在某平整式样的不同位置进行多个组别的加工，每次加工变化激光头14与试样表面的距离。检测每次加工的结果，加工结果相同的组别说明激光头14与式样表面在这些距离下为等效加工。等效加工组别中激光头14与式样表面距离的最大值为5.5mm，最小值为4.5mm，两者的差值为1mm即为等效加工范围带3的宽度。

第三种方法为光斑图像处理法。聚焦激光束经由激光头14入射图像接收器，变化激光头14与激光功率密度计的相对距离，记录多组图像数据。对图像数据进行改变灰度及降噪处理，获得每组数据的光斑图像，并计算各光斑面积。对数据进行统计，得到走势形如图3所示的驼峰形光斑面积-距离曲线。所述光斑面积-距离曲线中，纵坐标为光斑面积，横坐标为距离，曲线上纵坐标为满足等效加工条件的光斑面积最小值40um所对应横坐标的两点S1和S2，S1和S2的差值为等效加工范围带3的宽度。

步骤3，轮廓转化，在等效加工范围带3内将凸轮的升程轮廓转化为与基圆同心的简化圆弧4，包括圆弧R2~R16。所述轮廓转化的方法为：在凸轮轮廓图上作出宽度为等效加工范围的等效加工范围带3，凸轮轮廓处在等效加工范围带3中线位置；作若干与基圆同心的简化圆弧4，每一个简化圆弧4均在等效加工范围带内，且所有简化圆弧4的圆心角不重叠，所有简化圆弧4的圆心角之和等于升程轮廓开角。定义升程轮廓开角为升程轮廓曲线两端点与基圆圆心所连线段的夹角。基圆轮廓和简化圆弧4的组成了等效加工轮廓。汇总所有简化圆弧4信息，信息包括：R1~R16圆弧的半径，R1~R16圆弧的圆心角θ1~θ16。

步骤4，等效加工，确定加工起始点5，以等效加工轮廓为对象进行激光加工。在加工的初始状态，满足以下条件：激光头14至凸轮a2的距离为S1和S2的均值，为5mm；激光束过基圆圆心；凸轮轴6的旋转中心轴为基圆圆柱的中心轴。控制激光束的启闭与扫描路径，完成特定的激光加工作业。

实施例二。

图2所示的为具有典型轮廓的凸轮b轮廓转化示意图，凸轮b的轮廓曲线是轴对称的。对凸轮b进行轮廓转化，R2~R9圆弧和R2’~R9’关于凸轮b轮廓曲线的对称轴对称。其余步骤和对凸轮a的激光加工相同。

实施例一和实施例二叙述了单个凸轮的加工方法。实施例三具体介绍实现对含有上述凸轮a和凸轮b的凸轮轴6加工装置。需特别注意的是，采用本发明的方法的激光加工装置均在本发明专利的保护范围内。

实施例三。

图4为实施本发明方法的三轴加工装置示意图。

实施本发明的一种凸轮轴表面激光加工三轴加工装置的技术方案为，包括夹具系统、运动执行系统、激光系统和控制系统。

本发明的一种三轴凸轮轴激光加工装置轴数（自由度）为三，定义轴一为凸轮轴6的旋转轴，轴二改变加工半径，轴三控制激光在凸轮轴6在长度的扫描位置。其中轴一的运动执行部件是伺服电机12，轴二的运动执行部件是Z竖直导轨11，轴三的运动执行部件是Y水平导轨10。

运动执行系统包括伺服电机12、Z竖直导轨11和Y水平导轨10；伺服电机12位于凸轮轴6的一端，与该端顶针固接；Z竖直导轨11垂直于地面，与激光头14连接，带动激光头14竖直移动；Y水平导轨10水平放置，其导轨方向与基圆圆柱的中心轴平行，夹具系统位于Y水平导轨10的工作台上，随其平动；

夹具系统包括左顶针、右顶针、鸡心夹头15、定位挡块13和拨爪16；所述左顶针和右顶针同轴，位于凸轮轴6两端，固定凸轮轴6在其轴向的位置；所述鸡心夹头15上具有销片，鸡心夹头15夹持在凸轮轴6上，两者位置相对固定；拨爪16固定在伺服电机12的运动输出端；销片与拨爪16固定，伺服电机12的旋转运动传递至凸轮轴6；所述定位挡块13的空间位置固定，在加工的初始状态下与凸轮轴6上的凸轮接触，确定加工起始点5；

激光系统包括激光器，聚焦透镜，激光头14；所述激光器产生的激光经聚焦透镜聚焦后从激光头14的末端射出用于加工作业，激光头14对聚焦透镜起承载与保护作用；

控制系统包括运动控制模块、激光控制模块和计算模块，所述运动控制模块控制凸轮轴6的空间位姿的变化，并将空间位姿变化信号经计算模块处理后传送给激光控制模块，激光控制模块控制激光光路的启闭。

图4中的凸轮轴6具有三个凸轮，分别是凸轮一7，凸轮二8，凸轮三9。对此凸轮轴6的加工包括以下步骤：

步骤（a），装夹凸轮轴6。将鸡心夹头14夹持在凸轮轴6的非凸轮圆周上；随后将鸡心夹头14的销片插入拨爪16并锁紧，拨爪16将伺服电机12的旋转运动准确的传递给凸轮轴6；左顶针和右顶针紧顶在凸轮轴6的两端，它们确定凸轮轴6的轴向位置和旋转轴；以上述旋转轴转动凸轮轴6，使得凸轮二8紧靠在定位挡块13上，随后伺服电机12将该位置锁死，此时激光在凸轮轴6上的作用位置为加工起始点5，凸轮轴6上的三个凸轮均可与定位挡块12配合，确定凸轮轴6的加工起始点5。定位挡块13收缩，给凸轮轴6转动提供空间。

步骤（b），根据各凸轮的表面加工区域、激光扫描路径及加工起始点5编写数控程序。凸轮轴6上不同的凸轮，加工起始点5是不同的。数控程序的控制对象为激光控制模块和运动控制模块，通过对Z竖直导轨11的控制改变加工半径以完成对不同半径的简化圆弧4的激光加工；通过对Y水平导轨10的控制，在凸轮一7、凸轮二8和凸轮三9选择当前加工的凸轮，并且改变激光在凸轮轴6轴向扫描位置；通过伺服电机12控制凸轮轴6的转速。

步骤（c），按照程序加工凸轮轴6，加工完毕后，卸下凸轮轴6，加工装置复位，等待下一次加工。

Claims (5)

1.一种凸轮轴表面激光加工方法，其特征在于，对凸轮轴（6）上单个凸轮的加工包括如下步骤：

A）划分轮廓，将凸轮的轮廓曲线按基圆轮廓和升程轮廓进行划分；

B）定带宽，确定等效加工范围带（3）宽度；所述等效加工范围带（3）宽度为激光头（14）至被加工表面距离存在的可波动范围，在该可波动范围内的激光加工是等效的；

C）轮廓转化，在等效加工范围带（3）内将凸轮的升程轮廓转化为与基圆同心的若干圆弧；所述轮廓转化的方法为：在凸轮轮廓图上作等效加工范围带（3），凸轮轮廓处在等效加工范围带（3）中线位置；作与基圆同心的多个简化圆弧（4），所述简化圆弧（4）均位于等效加工范围带（3）内；相邻简化圆弧（4）的圆心角不重叠分布，所有简化圆弧（4）的圆心角之和等于升程轮廓开角；升程轮廓开角为升程轮廓曲线两端点与基圆圆心所连线段的夹角；基圆轮廓和上述简化圆弧（4）组成等效加工轮廓；记录所有简化圆弧（4）信息，简化圆弧（4）信息包括：圆弧半径和圆弧圆心角；

D）等效加工，以等效加工轮廓为对象进行激光加工，加工初始状态满足：激光头（14）端面至凸轮表面的法向距离为特定值，激光束法向入射凸轮表面并过基圆圆心，凸轮轴（6）的旋转中心轴为基圆圆柱的中心轴。

2.根据权利要求1所述的一种凸轮轴表面激光加工方法，其特征在于：所述步骤B）中确定等效加工范围带（3）宽度的方法为仪器测量法，具体为聚焦激光束经由激光头（14）垂直入射激光功率密度计，变化激光头（14）与激光功率密度计的相对距离，测量每次距离变化的激光功率密度，记录数据，得到驼峰形功率密度-距离曲线，所述功率密度-距离曲线中，纵坐标为激光功率密度，横坐标为激光头（14）与激光功率密度计的距离，取曲线上纵坐标为满足等效加工条件的激光功率密度最小值所对应横坐标的两点S1和S2，S1和S2的差值为等效加工范围带（3）的宽度；所述步骤D）中，加工初始状态下，激光头（14）端面至凸轮表面的法向距离为S1和S2的均值。

3.根据权利要求1所述的一种凸轮轴表面激光加工方法，其特征在于：所述步骤B）中确定等效加工范围带（3）宽度的方法为实际加工法，具体为在某平整试样的不同位置进行多个组别的加工，每次加工变化激光头（14）与试样表面的距离，并检测表面形貌；表面形貌相同说明激光头（14）与试样表面在这些距离下为等效加工，等效加工组别中激光头（14）与试样表面距离的最大值S2和最小值S1之间的差值为等效加工范围带（3）的宽度；所述步骤D）中，加工初始状态下，激光头（14）端面至凸轮表面的法向距离为S1和S2的均值。

4.根据权利要求1所述的一种凸轮轴表面激光加工方法，其特征在于：所述步骤B）中确定等效加工范围带（3）宽度的方法为图像处理法，具体为聚焦激光束经由激光头（14）入射图像接收器，变化激光头（14）与图像接收器的相对距离，记录多组图像，对图像数据进行改变灰度及降噪处理，获得每组数据的光斑图像，并计算各光斑面积，统计数据，得到驼峰形光斑面积-距离曲线，所述光斑面积-距离曲线中，纵坐标为光斑面积，横坐标为距离，取曲线上纵坐标为满足等效加工条件的光斑面积最小值所对应横坐标的两点S1和S2，S1和S2的差值为等效加工范围带（3）的宽度；所述步骤D）中，加工初始状态下，激光头（14）端面至凸轮表面的法向距离为S1和S2的均值。

5.根据权利要求1所述的一种凸轮轴表面激光加工方法，其特征在于：所述凸轮为轴对称凸轮时，经轮廓转化后简化圆弧（4）关于凸轮轮廓曲线对称轴对称分布。