CN105033461B - 一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法 - Google Patents

一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法，包括激光微冲击处理步骤；在工件表面涂覆吸收层，吸收层上覆盖约束层；调整激光器的工艺参数，使激光束经透镜聚焦后照射在工件表面冲击，得到微凹坑；激光微钻孔处理步骤：除去工件表面的吸收层和约束层，更换激光器，调整激光钻孔光束对准微凹坑的中心；调整激光器的工艺参数对工件进行微钻孔处理后得到微孔；微钻孔处理过程的激光光斑直径c与微冲击过程的激光光斑直径C间关系为c＝(0.15‑0.25)C；依据工件表面所需获得微孔的个数和间距加工出减摩耐磨的工件表面。本发明通过加工出大直径、大深度的微孔，在微孔中放置润滑剂来减小摩擦副接触表面的摩擦和磨损，进而提高摩擦副表面的耐磨性能。

Description

一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法
技术领域
本发明属于摩擦副润滑技术领域，尤其是涉及一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法，用于提高摩擦副表面的耐磨性能。
背景技术
摩擦副在机械运动中无处不在，近年来，随着对重要摩擦副功能表面润滑性能要求的逐步提高，表面微造型技术以其优异润滑性能得以快速发展。目前已有各种表面工程技术应用于表面纹理化处理，其中激光表面微造型工艺因其效率高，工艺性能良好而得到广泛应用。传统的激光表面微造型技术是依靠经聚焦后具有高能量密度的激光束，通过光热烧蚀效应来实现对摩擦副表面的加工，具有变形小、后续加工量小、加工效率高、加工形貌精确可控、无污染等优点。随着对传统激光微造型技术认识的加深，人们意识到传统激光微造型技术存在以下缺点：(1)烧蚀过程中摩擦副表面的完整性被破坏；(2)烧蚀过程中高温会在摩擦副表面产生残余拉应力，残余拉应力会缩短摩擦副表面的疲劳寿命；(3)加工出的微凹坑附近存在毛刺，和热影响区影响了摩擦副表面的粗糙度；(4)难加工出大直径、大深度的微凹坑，难以存储润滑剂，尤其是固体润滑剂。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法，通过改变微孔的加工工艺，提高润滑剂的润滑效果，来减小摩擦副接触表面的摩擦和磨损，进而提高摩擦副表面的耐磨性能。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法，包含如下步骤：
步骤A：激光微冲击处理；在工件表面涂覆吸收层，随后在吸收层上覆盖约束层；依据工件表面所需微孔的直径D调整好激光器的工艺参数，驱动激光器使激光束经透镜聚焦后照射在工件表面激光冲击，得到微凹坑；
步骤B：激光微钻孔处理：除去步骤A中工件表面的吸收层和约束层，更换激光器，调整激光钻孔光束对准步骤A中所述微凹坑的中心；依据工件表面所需微孔的深度H和微凹坑的深度h1调整激光器的工艺参数，对工件进行微钻孔处理，最终得到所述微孔；所述微钻孔处理过程的激光光斑直径c与步骤A中微冲击过程的激光光斑直径C间关系为c＝(0.15-0.25)C；
步骤C：依据工件表面所需获得微孔的个数和间距加工出减摩耐磨的工件表面。
进一步的，步骤A中所述吸收层为黑色绝缘胶布，厚度0.5mm；所述约束层为K9玻璃，厚度1mm。
进一步的，步骤A中所述激光微冲击采用的激光器为LASAG FLS 352A激光器。
进一步的，步骤A中所述激光微冲击的工艺参数为：激光波长1064mm，脉宽1m，重复频率50-70Hz，激光单脉冲能量2-3J，光斑直径500um，脉冲次数2-3次。
进一步的，步骤B中所述激光微钻孔采用的激光器为二极管泵浦固体光源YAG激光器。
进一步的，步骤B中所述激光微钻孔的工艺参数为：激光波长532mm，重复频率1.5-4.5KHz，电流强度18-20A，光斑直径100mm，脉冲次数15次。
进一步的，步骤B中所述微孔的形状为近阶梯状，直径为300～600μm，深度为40～70μm。
进一步的，步骤C中所述微孔的个数和间距确定的方法为：当工件表面的长宽尺寸为Amm×Bmm时，要在此接触区域加工出直径为Dmm、深度为Hmm、面积占有率为ρ，排布方式为方形排列的最终微孔，最终微孔的间距K可通过公式ρ＝πD2/4K2算出，得出K值后最终微孔在加工区域横纵方向上的个数分别为m＝A/K、n＝B/K，m、n都取结果的整数部分。
本发明的有益效果：
本发明所述利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法，通过首先对工件表面进行激光微冲击，获得大直径、小深度的微凹坑，避免了传统微钻孔加工过程中容易对摩擦副表面的完整性造成破坏、摩擦副表面存在热影响区、凹坑周围存在毛刺等问题，同时由于工件表面形成残余压应力和硬化层，从而提高了摩擦副接触表面的疲劳寿命；在此基础上，接着采用微钻孔技术对已经加工出的微凹坑再次加工，从而获得大直径、大深度的微孔，相比现有技术而言，其微孔近似呈阶梯状，有利于润滑剂的存储，且能在摩擦副运动接触表面快速形成高质量润滑膜，减小摩擦副接触表面的摩擦、磨损，进而提高摩擦副接触表面的耐磨性。
附图说明
图1为本发明所述激光微冲击过程示意图。
图2为本发明所述激光微钻孔过程示意图。
图3为本发明减摩耐磨的工件表面的示意图。
附图标记说明如下：
1-激光冲击光束，2-聚焦透镜，3-等离子体，4-约束层，5-吸收层，6-微凹坑，7-工件，8-激光钻孔光束，9-微孔。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法，包含如下步骤：
步骤A：激光微冲击处理；如图1所示，在工件7表面涂覆吸收层5，随后在吸收层5上覆盖约束层4，所述吸收层为黑色绝缘胶布，厚度0.5mm；所述约束层为K9玻璃，厚度1mm；依据工件7表面所需微孔9的直径D调整好激光器的工艺参数；之后驱动激光器使激光冲击光束1经聚焦透镜2聚焦后照射在工件7表面，得到微凹坑6，其直径即为D，深度为h1；通过这一步骤避免了传统微钻孔加工过程中容易对摩擦副表面的完整性造成破坏、摩擦副表面存在热影响区、凹坑周围存在毛刺等问题，同时由于工件表面形成残余压应力和硬化层，从而提高了摩擦副接触表面的疲劳寿命。
步骤B：激光微钻孔处理：如图2所示，除去步骤A中工件7表面的吸收层5和约束层4，更换激光器，调整激光器的激光头使得激光钻孔光束8位于微凹坑6的中心处，依据工件7表面所需微孔9的深度H以及微凹坑6的深度h1，调整激光器的工艺参数对工件7进行微钻孔处理，最终得到直径为D、深度为H为h1+h2的所述微孔9，所述微孔9的形状为近阶梯状，最终得到直径D为300～600μm、深度H为40～70μm的微孔9；有利于润滑剂的存储，且能在摩擦副运动接触表面快速形成高质量润滑膜，减小摩擦副接触表面的摩擦、磨损，进而提高摩擦副接触表面的耐磨性。
步骤C：当工件7表面的长宽尺寸为Amm×Bmm时，要在此接触区域加工出直径为Dmm、深度为Hmm、面积占有率为ρ，排布方式为方形排列的微孔9，微孔9的间距K可通过公式ρ＝πD2/4K2算出，得出K值后微孔9在加工区域横纵方向上的个数分别为m＝A/K、n＝B/K，m、n都取结果的整数部分。依据工件7表面所需获得微孔9的间距K、横纵方向上的个数m和n，进而加工出此排布微孔的减摩耐磨工件表面。
现要在材料为H13模具钢工件表面长宽尺寸为40mm×20mm的区域加工出直径D为350μm、深度H为40μm、面积占有率ρ为15％，排布方式为方形排列的最终微孔10，将上述数据带入公式ρ＝πD2/4K2可推得最终微孔10间距K为800μm，得出K值后将K、a、b的值带入公式m＝a/K、n＝b/K且计算结果取整数后得m＝50、n＝25。
要利用激光获得上述排布微孔的减摩耐磨工件表面，具体方法包括如下步骤：
步骤A：激光微冲击处理；如图1所示，在工件7表面涂覆吸收层5，随后在吸收层5上覆盖约束层4，所述吸收层5为黑色绝缘胶布，厚度0.5mm；所述约束层4为K9玻璃，厚度1mm；依据工件7表面所需微孔9的直径D为350μm，采用的激光器为LASAG FLS 352A激光器，调整好激光器的工艺如下参数：激光波长1064mm，脉宽1m，重复频率50-70Hz，激光单脉冲能量2-3J，光斑直径C为500um，脉冲次数2-3次；之后驱动激光器使激光冲击光束1经聚焦透镜2聚焦后照射在工件7表面，通过产生的等离子体3的作用得到微凹坑6，其直径即为D，深度为h1；
步骤B：激光微钻孔处理：如图2所示，除去步骤A中工件7表面的吸收层5和约束层4，选择二极管泵浦固体光源YAG激光器进行激光钻孔过程。调整激光器的激光头使得激光钻孔光束8位于微凹坑6的中心处，依据工件7表面所需微孔9的深度H为40μm以及微凹坑6的深度h1，调整激光器的工艺参数如下：激光波长532mm，重复频率1.5-4.5KHz，电流强度18-20A，光斑直径c为100mm，脉冲次数15次，此处，激光微钻孔中脉冲次数n与孔深度h2的关系式如下：h2＝△×n，对金属材料△＝1.5～2；对工件7进行微钻孔处理，最终得到直径为D、深度为H为h1+h2的所述微孔9，所述微孔9的形状为近阶梯状，最终得到直径D为350μm、深度H为40μm的微孔9；
步骤C：依据工件7表面所需获得微孔9的间距K为800μm，横纵方向上的个数分别为m＝50、n＝25，进而加工出此排布微孔的减摩耐磨工件表面。
对处理后的H13模具钢工件表面进行检测，其表面无破坏现象发生，表面残余压应力可达350～400MPa，硬化层深度可达1～1.5mm，表面疲劳寿命可提高50％以上。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤A：激光微冲击处理；在工件(7)表面涂覆吸收层(5)，随后在吸收层(5)上覆盖约束层(4)；依据工件(7)表面的所需微孔(9)的直径D调整好激光器的工艺参数，驱动激光器使激光冲击光束(1)经聚焦透镜(2)聚焦后照射在工件(7)表面激光冲击，得到微凹坑(6)；
步骤B：激光微钻孔处理：除去步骤A中工件(7)表面的吸收层(5)和约束层(4)，更换激光器，调整激光钻孔光束(8)对准步骤A中所述微凹坑(6)的中心；依据工件(7)的表面所需微孔(9)的深度H和微凹坑(6)的深度h1调整激光器的工艺参数，对工件(7)进行微钻孔处理，最终得到所述微孔(9)，微孔(9)的形状为近阶梯状，直径D为300～600μm，深度H为40～70μm；所述微钻孔处理过程的激光光斑直径c与步骤A中微冲击过程的激光光斑直径C间关系为c＝(0.15-0.25)C；
步骤C：依据工件(7)表面所需获得微孔(9)的个数和间距加工出减摩耐磨的工件表面。
2.根据权利要求1所述的一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法，其特征在于，步骤A中所述吸收层(5)为黑色绝缘胶布，厚度0.5mm；所述约束层(4)为K9玻璃，厚度1mm。
3.根据权利要求1所述的一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法，其特征在于，步骤A中所述激光微冲击采用的激光器为LASAG FLS 352A激光器。
4.根据权利要求1所述的一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法，其特征在于，步骤B中所述激光微钻孔采用的激光器为二极管泵浦固体光源YAG激光器。
5.根据权利要求4所述的一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法，其特征在于，步骤B中所述激光微钻孔的工艺参数为：激光波长532mm，重复频率1.5-4.5KHz，电流强度18-20A，光斑直径100mm，脉冲次数15次。
6.根据权利要求1所述的一种利用激光获得减摩耐磨工件表面的方法，其特征在于，步骤C中所述微孔的个数和间距确定的方法为：当工件(7)的表面长宽尺寸为Amm×Bmm时，要在此接触区域加工出直径为Dmm、深度为Hmm、面积占有率为ρ，排布方式为方形排列的微孔(9)，微孔(9)的间距K可通过公式ρ＝πD2/4K2算出，得出K值后微孔(9)在加工区域横纵方向上的个数分别为m＝A/K、n＝B/K，m、n都取结果的整数部分。
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