CN104668780A - 一种激光毛化刻蚀形貌方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光毛化刻蚀形貌的方法，所述方法包括：经声光调制的高重频脉冲激光束，经45°反射镜(2)沿缸体轴线输入；该激光束经聚焦透镜(3)聚焦，并经可匀速旋转的45°反射镜(4)反射；聚焦后的所述激光束投射在缸壁表面上，从而在所述缸壁表面刻蚀出一个个微坑，所述可匀速旋转的45°反射镜(4)随着中空电机旋转，所述激光束可在所述缸壁园周方向上实现微坑刻蚀，再经所述聚焦透镜(3)和所述可匀速旋转的45°反射镜(4)整体性地上、下运动，完成缸壁表面激光微坑点阵的形貌刻蚀。本发明减小了缸体-活塞环间的魔法系数，改善了密封条件，提高了内燃机输出功率，减少了燃油、机油消耗，降低了内燃机尾气中微细颗粒物(PM)排放。

Description

一种激光毛化刻蚀形貌方法
技术领域
本发明属于激光加工领域，特别是内燃机缸体内壁可实现减小摩擦、提高密封的一种激光毛化刻蚀形貌方法。
背景技术
缸体(套)-活塞环是内燃机完成燃油燃烧到机械能转换的一对核心摩擦付，内燃机工作时活塞环在缸体内的高温、高压条件下要做高速往返运动，为克服缸体-活塞环之间的摩擦阻力，往往需要消耗燃油总量的6％，缸体、活塞环运动中若润滑油膜被局面破坏，缸体-活塞环直接接触，不仅增加了摩擦磨损，所产生的磨粒更加剧了缸体-活塞环表面的磨损，同时缸体、活塞环之间的密封条件被破坏，造成发动机输出功率下降，尾气污染物物排放增加。
目前，国内外内燃机缸体内壁主要采用砂条机械珩磨工艺，在缸壁形成深3-5微米，宽数十微米的沟槽，以贮存润滑机油，收集磨粒，减少缸体-活塞环间的摩擦磨损，这种连通式沟道结构虽然有利于磨粒收集，但存在着润滑油易被挤压排除的可能，在活塞环紧密接触缸壁局部部位处容易发生油膜破坏，增加摩擦磨损，同时当活塞环运动后，由于沟槽中还剩余机油较多，在高温气体环境下，机油部分挥发燃烧，还会加重尾气污染物排放。80年代产生的缸壁激光淬火技术可以提高缸壁耐磨性，但活塞环的磨损加剧，同时淬火缸体工作一段时间后，由于缸壁激光淬火软硬带磨损不一，还会出现缸壁表面沟槽结构。90年代后期，国外研究者进行了缸壁激光微造形的研究，主要在内燃机上止点部位采用激光刻蚀微沟槽为主，它能有利于在上止点区域保存有限润滑油和磨损收集，可减小摩擦磨损，但激光刻槽加工时间长，刻蚀形貌稳定性较差，还在研究之中。
发明内容
针对现有缸体内壁珩磨(机械、激光)存在的问题，本发明提出一种用高重频激光脉冲在缸壁表面刻蚀离散微坑点阵形貌以提高油膜承载力，减小内燃机摩擦磨损，改善密封的激光加工方法，可实现内燃机节油减排。
本发明公开了一种激光毛化刻蚀形貌方法，所述方法包括：
经声光调制的高重频脉冲激光束，经45°反射镜(2)沿缸体轴线输入；该激光束经聚焦透镜(3)聚焦，并经可匀速旋转的45°反射镜(4)反射；聚焦后的所述激光束投射在缸壁表面上，从而在所述缸壁表面刻蚀出一个个微坑，
所述可匀速旋转的45°反射镜(4)装在中空旋转电机动环上，随着中空电机旋转，所述激光束可在所述缸壁园周方向上实现微坑刻蚀，再经所述聚焦透镜(3)和所述可匀速旋转的45°反射镜(4)整体性地上、下运动，完成缸体轴向微坑刻蚀，从而最终完成缸壁表面激光微坑点阵的形貌刻蚀。
进一步地，所述缸壁表面的微坑阵列呈可控菱形分布状态。
进一步地，所述微坑刻蚀直径所述微坑的点距螺距
进一步地，所述微坑储存有润滑机油。
进一步地，所述缸壁表面的微坑呈球缺式微坑形状。
进一步地，所述微坑边缘的切入控制在θ＝5°－20°之间。
进一步地，所述缸壁表面的微坑分两区域以不同几何分布图形进行激光刻蚀。
进一步地，在第一区，活塞环运动速度低，所述微坑的点距螺距
进一步地，在第二区，活塞环运动速度快，所述微坑的点距螺距
进一步地，所述可匀速旋转的45°反射镜(4)整体性在滚珠丝杠上随伺服电机驱动在上、下方向上运动。
本发明的显著效果在于：脉冲激光束聚焦在缸体内壁表面刻蚀出一种菱形分布式微坑阵列微细形貌，改善了缸壁表面的储油能力，提高了缸体-活塞环这对关键摩擦付之间润滑油膜的完整性，减少了这对摩擦付之间的滑动摩擦系数，并且改善了密封条件，最终提高了内燃机输出功率，减少了燃油、机油消耗，降低了内燃机尾气中微细颗粒物(PM)排放。
附图说明
图1为缸体内壁激光刻蚀示意图；
图2为缸体内壁表面的微坑阵列呈可控菱形分布状态示意图；
图3为缸体内壁表面的微坑收集磨粒的示意图；
图4为缸壁激光刻蚀的微坑呈球缺式微坑形状的示意图；
图5为缸体内壁微坑分区域以不同几何分布图形进行激光刻蚀的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明公开的一种激光毛化刻蚀形貌方法的具体实施方式做详细说明，而非用以限制本发明的范围。
如图1所示，经声光调制的高重频脉冲激光束，经45°反射镜(2)沿缸体轴线输入，该激光束经聚焦透镜(3)聚焦，并经可匀速旋转的45°反射镜(4)反射，将聚焦光束投射在缸壁表面上，在缸壁表面刻蚀出一个个微坑，由于反射镜(4)装在中空旋转电机动环上，随着中空电机旋转(ω)，脉冲激光束可在缸壁园周方向上实现微坑刻蚀，再经聚焦透镜(3)和旋转反射镜(4)可整体性在滚珠丝杠上随伺服电机驱动在上、下方向上运动(v)，可完成缸体轴向微坑刻蚀，在计算机统一控制下，最终完成缸壁表面激光微坑点阵的形貌刻蚀。
如图2所示，缸体内壁表面的微坑阵列呈可控菱形分布状态。其中为微坑直径，微坑点距为d，螺距为n。微坑刻蚀直径 点距螺距这种菱形分布微坑可储存一定的润滑机油，当活塞运动到来时，由于活塞环对条缸壁的压力作用，微坑内的润滑机油在坑四周形成子油膜区。这些子油膜相互连接，可在缸体-活塞环之间形成完整的润滑油膜，以有降低缸体-活塞环间摩擦系数，改善密封。当活塞环运动过去后，活塞环对缸壁压力的消失。由于润滑油张力的作用，子油膜又收缩回原微坑把润滑机油储存起来，同时各微坑还有磨粒的一定收集能力(如图3所示)。这样的存储有一定润滑油的缸壁微坑阵列结构，尤如在缸体、活塞环之间存在的液体润滑轴承，可有效降低缸体、活塞环之间的运动摩擦系数，同时也改善内燃机内高压气室和外界的密封条件。
如图4所示，对缸壁激光刻蚀的微坑还可以呈球缺式微坑形状。这种微坑边缘的切入控制在θ＝5°－20°之间，以利于坑内储存的润滑机油在活塞环运动到来时，在活塞环压力作用下，容易被挤压出微坑形成油膜，在活塞环过去后，压力消失，油膜同于本身张力作用又收缩回坑内，对于负载较低的高速内燃机，润滑机油粘滞系数较低，θ角度可取较低值，对重载、低速内燃机，θ可取较高值，此时坑形深径比可高一些，有利收集磨粒，减少缸壁划伤。
如图5所示，根据缸体-活塞环往复滑动及工况特点，缸体内壁微坑可分两区域以不同几何分布图形进行激光刻蚀。第一区，缸壁上止点至以下20mm区域，在第一区域内，活塞环运动速度低、润滑油膜不易保存。微坑分布较密，以点距螺距为宜。较密的微坑分布，可增加收集磨粒能力，同时微坑的强化作用(硬度较高)，可减小缸壁和活塞环的磨损。第二区，这是活塞环高速运动区，在活塞环压力下润滑油膜容易形成，油膜承载力较强。微坑点阵密度可适当加大，以保证在有效润滑下，提高加工速度。参数选择范围是：点距螺距活塞运动到下止点，虽然运动速度低，由于润滑机油丰富，可包含在第二区域内，同样，在较轻负载的高转速内燃机中，由于润滑机油粘滞系数较低，点距d，螺距n可选较高值，在重载低速内燃机中，d，n可选较低值。
本发明在几种内燃机中(包括柴油机、汽油机)，通过缸壁微坑阵列的激光刻蚀形貌改性，与机同型号机械砂条珩磨相比，工业台架试验表明，本发明激光刻蚀形貌内燃机，提高了内燃机扭矩和输出功率，降低了燃油耗和机油耗，降低了尾气中颗粒物排放，有节能减排的综合效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，在上述说明书的描述中提到的数值及数值范围并不用于限制本发明，只是为本发明提供优选的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光毛化刻蚀形貌的方法，所述方法包括：
经声光调制的高重频脉冲激光束，经45°反射镜(2)沿缸体轴线输入；该激光束经聚焦透镜(3)聚焦，并经可匀速旋转的45°反射镜(4)反射；聚焦后的所述激光束投射在缸壁表面上，从而在所述缸壁表面刻蚀出一个个微坑，
所述可匀速旋转的45°反射镜(4)装在中空旋转电机动环上，随着中空电机旋转，所述激光束可在所述缸壁园周方向上实现微坑刻蚀，再经所述聚焦透镜(3)和所述可匀速旋转的45°反射镜(4)整体性地上、下运动，完成缸体轴向微坑刻蚀，从而最终完成缸壁表面激光微坑点阵的形貌刻蚀。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缸壁表面的微坑阵列呈可控菱形分布状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述微坑刻蚀直径 所述微坑的点距螺距
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述微坑储存有润滑机油。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缸壁表面的微坑呈球缺式微坑形状。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述微坑边缘的切入控制在θ＝5°－20°之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缸壁表面的微坑分两区域以不同几何分布图形进行激光刻蚀。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在第一区，活塞环运动速度低，所述微坑的点距螺距
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在第二区，活塞环运动速度快，所述微坑的点距螺距
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可匀速旋转的45°反射镜(4)整体性在滚珠丝杠上随伺服电机驱动在上、下方向上运动。
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