CN105081577A - 一种激光仿生耦合导轨及其再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光仿生耦合导轨及其再生方法，该导轨工作面上的轻微磨损区和严重磨损区加工有抗磨损性能不同的仿生表面，根据导轨工作面严重磨损区与轻微磨损区的硬度梯度或应力梯度采用点条仿生表面组合形式、条网仿生表面组合形式或点、网仿生表面组合形式；本发明通过不同抗磨损性能仿生表面的组合形成整体抗磨损性能长期一致化的仿生表面，不仅使得力学性能分布不均的表面再次恢复均匀分布，还有效避免了由于局部受力较大所造成的局部磨损严重现象，以更适合其实际工作的角度，对经高频淬火的铸铁导轨的局部磨损表面直接实施多仿生耦合表面组合的非均匀再生修复方式，从根本上解决了该类报废导轨表面由于磨损不均所造成的难以再生问题。

Description

一种激光仿生耦合导轨及其再生方法

技术领域

本发明属于再生铸铁导轨技术领域，涉及一种多仿生耦合表面组合的激光仿生耦合的导轨及其再生方法。

背景技术

机床导轨是支承运动部件并保证运动精度的导向部分,它直接影响着机床的工作精度。当导轨面与载荷面之间发生相对运动时,若不是完全的液体摩擦,就必然会产生磨损。在沿着该导轨所架刀具的工作方向上，由于加工工件尺寸不一所致的多次不等的进给量，会造成局部磨损程度不一致现象。长此以往，导轨的导向精度也就逐渐下降，即导轨磨损后使刀架溜板产生偏移。最后将严重地影响着机床的工作性能，致使机床丧失工作能力。沿着刀具的进给方向，该类报废导轨的工作面明显存在着磨损程度不一致现象，即在承受较长时间磨损作用的严重磨损区域，表面的磨损沟壑深度可达到0.04mm。而承受较短时间磨损作用的轻微磨损区域，表面的磨损沟壑深度均小于0.02mm。与此同时，对两处区域进行硬度或应力检测，发现两处区域的硬度或应力存在差异，即报废后的导轨表面的硬度、应力存在分布不均现象。另外，一般铸铁导轨表面均经过高频淬火后才得以使用，而沿着报废导轨表面的淬火层深度的1～5cm处硬度或应力及抗磨损性能均呈梯度分布。如若在应力硬度分布不均的导轨表面应用同一种方法进行修复，则将导致修复后的导轨表面的抗磨损性能极其不稳定，则再生很难实现。然而，若要获得应力、硬度均匀的表面，则需要将导轨表面的1～5cm厚度除去。这将会导致导轨的高度尺寸无法达到使用标准，难以实现再生。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种服役期间抗磨损性能能够持久均匀分布，从而从根本上解决报废导轨表面由于磨损不均所造成的难以再生问题的激光仿生耦合导轨及其再生方法。

为了解决上述技术问题，本发明的激光仿生耦合导轨，其特征在于所述导轨工作面上的轻微磨损区和严重磨损区分别加工有I仿生单元体和II仿生单元体；设加工有I仿生单元体的轻微磨损区与未经处理的轻微磨损区相比单位时间内的磨损失重量减少Y₁，加工有II仿生单元体的严重磨损区与未经处理的严重磨损区相比单位时间内的磨损失重量减少Y₂，Y₁＜Y₂。

本发明利用仿生理论，根据轻微平整处理后的报废导轨表面硬度、应力分布情况，在沿着导轨实际工作时架于其上的刀具进给方向上，将导轨表面分为严重磨损区和轻微磨损区，并利用激光，在其表面加工形成抗磨损性能不同的仿生表面。即在两种磨损程度不同的区域分别加工出耦合有不同形状仿生单元体的仿生表面，进而获得硬度、应力分布均匀且抗磨损性能趋于均匀一致的多仿生耦合表面组合的导轨表面，实现其再生。本发明不仅使得力学性能分布不均的表面再次恢复均匀分布，还可以通过不同抗磨损性能仿生表面的组合形成整体抗磨损性能长期一致化的仿生表面。有效避免由于局部受力较大所造成的局部磨损严重现象。本发明打破了传统的对力学性能分布均匀的表面所进行的均匀修复方式，而是以更适合其实际工作的角度，对经高频淬火的铸铁导轨的局部磨损表面直接实施多仿生耦合表面组合的非均匀再生修复方式，从根本上解决了该类报废导轨表面由于磨损不均所造成的难以再生问题。

所述导轨工作面上的轻微磨损区加工有点状仿生单元体，严重磨损区表面加工有条状仿生单元体；其中点状仿生单元体间距为A_S1，A_S1＝3～4mm，条状仿生单元体间距为A_S2，且2.6<A_S2-A_S<3mm。

所述点状仿生单元体距表面深度为A_h1，A_h1＝1～1.5mm，条状仿生单元体距表面深度为A_h2，且A_h1-A_h2＝0.87mm。

所述导轨工作面上的轻微磨损区加工有条状仿生单元体，严重磨损区表面加工有网状仿生单元体；其中条状仿生单元体间距为B_S1，B_S1＝4～5mm，网状仿生单元体间距为B_S2，1<B_S2-B_S1<1.6mm。

所述条状仿生单元体距表面深度为B_h1，B_h1＝1～1.5mm，网状仿生单元体距表面深度为B_h2，且B_h1-B_h2＝0.58mm。

所述导轨工作面上的轻微磨损区加工有点状仿生单元体，严重磨损区表面加工有网状仿生单元体；其中条状仿生单元体间距为C_S1，C_S1＝5～7mm，网状仿生单元体间距为C_S2，0<C_S1-C_S2<1.6mm。

所述点状仿生单元体距表面深度为C_h1，C_h1＝1～1.5mm，网状仿生单元体距表面深度为C_h2，且C_h1-C_h2＝0.66mm。

上述激光仿生耦合导轨的再生方法，包括下述步骤：

步骤一、利用机械磨铣对经磨损后的报废铸铁导轨表面进行预处理，在清除表面各种污迹及氧化皮的同时平整表面，去除直径在0.01mm以上的孔洞及磨痕；

步骤二、对磨损的导轨表面进行硬度或应力检测，将硬度HV>640或应力ε<300，或者磨损沟壑深度小于0.02mm的区域确定为轻微磨损区；将硬度为HV<640或应力ε>300，或者磨损沟壑深度大于0.02mm的区域确定为严重磨损区域；

步骤三、根据导轨工作面严重磨损区与轻微磨损区的硬度梯度ΔHV或应力梯度Δε确定严重磨损区与轻微磨损区仿生表面的组合形式；当ΔHV<90或应力梯度Δε<130时，利用激光在导轨工作面的轻微磨损区和严重磨损区加工耦合形成点、条仿生表面组合形式，即在轻微磨损区加工点状仿生单元体，严重磨损区加工条状仿生单元体；当90<ΔHV<140或应力梯度130<Δε<290时，利用激光在导轨工作面的轻微磨损区和严重磨损区加工耦合形成条、网仿生表面组合形式，即在轻微磨损区加工条状仿生单元体，严重磨损区加工网状仿生单元体；当ΔHV>140或应力梯度Δε>290，时，利用激光在导轨工作面的轻微磨损区和严重磨损区加工耦合形成点、网仿生表面组合形式，即在轻微磨损区加工点状仿生单元体，严重磨损区加工网状仿生单元体。

当导轨工作面上的轻微磨损区加工有点状仿生单元体，严重磨损区表面制备有条状仿生单元体时，点状仿生单元体间距为A_S1，A_S1＝3～4mm，条状仿生单元体间距为A_S2，且2.6<A_S2-A_S<3mm；点状仿生单元体距表面深度为A_h1，A_h1＝1～1.5mm，条状仿生单元体距表面深度为A_h2，且A_h1-A_h2＝0.87mm。

当导轨工作面上的轻微磨损区加工有条状仿生单元体，严重磨损区表面制备有网状仿生单元体时，条状仿生单元体间距为B_S1，B_S1＝4～5mm，网状仿生单元体间距为B_S2，1<B_S2-B_S1<1.6mm；条状仿生单元体距表面深度为B_h1，B_h1＝1～1.5mm，网状仿生单元体距表面深度为B_h2，且B_h1-B_h2＝0.58mm。

当导轨工作面上的轻微磨损区加工有点状仿生单元体，严重磨损区表面制备有网状仿生单元体时，条状仿生单元体间距为C_S1，C_S1＝5～7mm，网状仿生单元体间距为C_S2，0<C_S1-C_S2<1.6mm；所述点状仿生单元体距表面深度为C_h1，C_h1＝1～1.5mm，网状仿生单元体距表面深度为C_h2，且C_h1-C_h2＝0.66mm。

本发明的技术效果：利用仿生原理，通过调整激光器，在高频淬火导轨表面设计出多形貌仿生单元体，并分别与母体相互耦合形成具有高力学性能的“软硬相间”仿生表面。本发明制备出两种仿生表面组合的非均匀仿生表面，不仅可以大幅度修复表面缺陷，还通过不同形状仿生单元体对母体的应力、硬度和抗磨损性能的改变情况，进行特定组合，以调节高频淬火层表面的不均匀的应力、硬度分布，使报废导轨表面的抗磨损性能恢复一致，实现报废导轨的再生，与此同时，还可以很好的应对导轨在实际工况中的非均匀磨损现象，使导轨在复杂的非均匀载荷作用下仍能保持其抗磨损性能的长期稳定，大大提高了再生导轨的使用寿命。从环保的角度上，由于本发明的加工方法无需整体去除表面的残余淬火层，避免了由于去除淬火层而需要额外添补材料来满足使用高度的情况，这大大的节约了使用材料，降低了对报废导轨修复再生的成本，相比于其他复杂的修复工艺，大大简化了操作，提高了生产效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是机床导轨表面磨损区域分布示意图。

图2a是点、条仿生表面组合形式的仿生耦合再生铸铁导轨俯视图，图2b是图2a中I处导轨的局部剖面图。

图3a是点、网仿生表面组合形式的仿生耦合再生铸铁导轨俯视图，图3b是图3a中I处导轨的局部剖面图。

图4a是条、网仿生表面组合形式的仿生耦合再生铸铁导轨俯视图，图4b是图4a中I处导轨的局部剖面图。

具体实施方式

在自然界的生物耦合中，几何耦合是指耦元间通过一维、二维或三维的几何偶联方式形成在平面、空间、宏观或微观上具有几何结构的生物偶联。例如。石鳖在温暖的地区多见于潮间带或浅水中，在较冷的地区生活于深海中，身体呈卵圆形，腹部扁平，两侧对称，背面中央突起，有呈覆瓦状排列的石灰质壳片。在壳片里面分布有直径约150μm的低平粒状突起，中间壳片峰部分布有纵肋，壳片周围有一圈外套膜，形成较宽的环带，密布有指状突起，其中分布有白色针束，石鳖壳片通过这些复杂的形态、材料、结构的耦合方式，形成了极强的耐冲蚀和磨损功能。很多自然界中的生物都具有类似石鳖壳片表面的多形态耦合，以形成自身良好的性能。

1.它们都具有“软硬”相交替的结构；

2.该生物表面硬质单元自身可以有不同的分布形态；

3.硬质单元的分布形态通常非均匀分布于体表

4.硬质单元嵌入体表内部的深度通常不同。

5.相对为硬质单元的组织均来自其与柔性单元的组成材料或组织结构差别。这种形态、结构和组成材料的有机耦合使得生物具有优异的力学性能和抗磨损功能。

由此本发明提出了采用仿生学原理，通过控制激光器在报废的高频淬火铸铁导轨的接触面加工形成类似于生物体表的硬质单元，获得耦合有不同于母体，机械性能及抗断裂韧性均大大高于母体的特定的两种仿生单元体的多仿生表面组合形式(如图1所示)，其和其他激光仿生处理的发明(具有仿生非光滑表面的铁滚动机床导轨zl201110361581.8；具有仿生非光滑表面铸铁导轨zl201310003955.8)不同之处在于；一、本发明多仿生耦合表面组合的非均匀仿生表面再生报废铸铁导轨，并非在完全去除表面淬火层后的均匀表面加工完成，而是在经过非均匀磨损后的受力不均的导轨表面直接加工修复完成；二、本发明结合了报废导轨表面非均匀分布的应力、硬度情况，将导轨表面分为三个区域进行两种特定的仿生表面组合设计，分别为：点状仿生表面和条状仿生表面的组合、点状仿生表面和网状仿生表面的组合、条状仿生表面和网状仿生表面的组合(如图2a、图3a、图4a)。有别于过去单一一种形貌的仿生表面。三、本发明结合了报废导轨表面非均匀分布的应力、硬度情况，制定不同仿生表面组合，并通过调节单元体深度及间距变化，以最好的比例分布实现将应力、硬度分布不均的表面修复成为应力、硬度分布均衡，且抗磨损性能达到持久稳定的仿生表面。突破了以往在持有均匀力学性能的表面进行同一种仿生单元体加工形式。

本发明的激光仿生耦合导轨的再生方法具体如下：

导轨表面服役时所加工工件长度不同，致使刀具在导轨上以不同的进给距离多次来回滑动，致使导轨表面分为两种磨损程度。本发明通过对比报废导轨表面的磨损沟壑深度值判断出轻微磨损区和严重磨损区，即当磨损沟壑深度小于0.02mm时为轻微磨损区；当磨损沟壑深度大于0.02mm时为严重磨损区。另外，对两区域的硬度或应力检测发现，轻微磨损区的硬度HV>640，应力ε<300；严重磨损区域硬度为HRC<640，应力ε>300。

所述的不同的仿生表面，为不同仿生单元体耦合而成。其中点状仿生表面，为点状仿生单元体耦合而成；条状仿生表面，为条状仿生单元体耦合而成；网状仿生表面，为网状仿生单元体耦合而成。通过磨损实验得出，单位时间内，在轻微磨损区，耦合有点状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少17.5％，耦合有条状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少24.7％，耦合有网状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少35.4％；在严重磨损区处，耦合有点状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少20.1％，耦合有条状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少29.6％，耦合有网状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少40.7％。

由于报废导轨表面分布着轻微磨损区和严重磨损区，且两种磨损程度区域的抗磨损性能不同，因此，本发明为了获得表面抗磨损性能一致的表面，利用抗磨损性能不同的两种仿生表面组合的方式再生铸铁导轨。与此同时，根据两种磨损区域所存在的硬度梯度或应力梯度情况，制备出耦合有特定的两种形状仿生单元体的仿生表面组合。在导轨的严重磨损区和轻微磨损区的硬度梯度为ΔHV<90，应力梯度为Δε<130时，未经处理的轻微磨损区相比于未经处理的严重磨损区在单位时间内的失重量减少9.2％。由于轻微磨损区的点状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少17.5％，严重磨损区域的条状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少29.6％，二者的差值近似于9.2％。因此，该种情况，利用激光在导轨表面的轻微磨损区域加工耦合形成点状仿生表面和严重磨损区域加工耦合形成条状仿生表面的组合形式，称为点、条仿生表面组合(如图2a)；在导轨的严重磨损区和轻微磨损区的硬度梯度为90<ΔHV<140，应力梯度为130<Δε<290时，未经处理的轻微磨损区相比于未经处理的严重磨损区在单位时间内的失重量减少13.8％，由于轻微磨损区的条状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少24.7％，严重磨损区域的网状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少40.7％，二者的差值近似于13.8％。因此，该种情况，利用激光在导轨表面的轻微磨损区域加工耦合形成条状仿生表面和的严重磨损区域加工耦合形成网状仿生表面的组合形式，称为条、网仿生表面组合(如图3a)；在导轨的严重磨损区和轻微磨损区的硬度梯度ΔHV>140，应力梯度Δε>290时，未经处理的轻微磨损区相比于未经处理的严重磨损区在单位时间内的失重量减少19.6％，由于轻微磨损区的点状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少17.5％，严重磨损区域的网状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少40.7％，二者的差值近似于19.6％。因此，该种情况利用激光在导轨表面的轻微磨损区域加工耦合形成点状仿生表面和严重磨损区域加工耦合形成网状仿生表面的组合，称为点、网仿生表面组合(如图4a)；

所述的点条，条网以及点网仿生表面组合中，虽然每一种仿生表面的组合都很大程度的降低了两个区域导轨表面的抗磨损性能分布不均的情况。但仍然存在略微差距，本发明通过调整两种仿生表面中的仿生单元体的间距来获得抗磨损性能一致的多仿生耦合表面组合的再生铸铁导轨。假设严重磨损区的仿生表面中仿生单元体间距为x，严重磨损区域的仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少Y，通过实验数据可以拟合出x与Y之间的关系式，当严重磨损区制备有条状仿生单元体时，x与Y之间的关系式为Y＝-0.009x+0.332。当严重磨损区制备有网状仿生单元体时，x与Y之间的关系式为Y＝-0.012x+0.455。在点、条仿生表面组合中，具有点状仿生表面试样的失重量相对未经处理轻微磨损区试样的失重量减少值与具有条状仿生表面试样的失重量相对未经处理严重磨损区试样的失重量减少值之差为29.6-17.5＝12.1，该值与未经处理的轻微磨损区相比于未经处理的严重磨损区在单位时间内的失重量减少值9.2相差2.9。此时，在轻微磨损区制备使该区域具有最佳抗磨损性能的点状仿生单元体，该点状仿生单元体的间距为A_S1，然后测定具有点状仿生表面试样的轻微磨损区在单位时间内的失重量，得到轻微磨损区的点状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少值Y_A-S1，然后根据关系式Y_A-S2＝-0.009A_S2+0.332和关系式Y_A-S2-Y_A-S1＝9.2计算得到严重磨损区的条状仿生单元体的间距A_S2。其中A_s2为严重磨损区的仿生表面中仿生单元体间距，Y_A-S2为严重磨损区域的仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少值。通过调整严重磨损区的条状仿生表面中的条状仿生单元体间的间距可以进一步使两个区域的抗磨损性能达到一致；在条、网仿生表面的组合中，具有条状仿生表面的试样失重量相对未经处理轻微磨损区试样的失重量减少值与具有网状仿生表面的试样失重量相对未经处理严重磨损区试样的失重量减少值之差为16.0％，该值与未经处理的轻微磨损区相比于未经处理的严重磨损区在单位时间内的失重量减少值13.8相差2.1％。此时，在轻微磨损区制备使该区域具有最佳抗磨损性能的条状仿生单元体，该条状仿生单元体的间距为B_S1，然后测定具有条状仿生表面式样的轻微磨损区在单位时间内的失重量，得到轻微磨损区的条状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少值Y_B-S1。然后根据关系式Y_B-S2＝-0.012B_S2+0.455和关系式Y_B-S2-Y_B-S1＝16.0计算得到严重磨损区的网状仿生单元体的间距B_S2。其中B_s2为严重磨损区的仿生表面中仿生单元体间距，Y_B-S2为严重磨损区域的仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少值。在点、网仿生表面的组合中，具有点状仿生表面试样的失重量相对未经处理轻微磨损区试样的失重量减少值与具网状仿生表面试样的失重量相对未经处理严重磨损区试样的失重量减少值之差为23.2％，该值与未经处理的轻微磨损区相比于未经处理的严重磨损区在单位时间内的失重量减少值19.6％相差3.6％。此时，在轻微磨损区制备使该区域具有最佳抗磨损性能的点状仿生单元体，该点状仿生单元体的间距为C_S1，然后测定具有点状仿生表面式样的轻微磨损区在单位时间内的失重量，得到轻微磨损区的点状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少值Y_C-S1。然后根据关系式Y_C-S2＝-0.012C_S2+0.455和关系式Y_C-S2-Y_C-S1＝23.2计算得到严重磨损区的网状仿生单元体的间距C_S2。其中C_s2为严重磨损区的仿生表面中仿生单元体间距，Y_C-S2为严重磨损区域的仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少值。

由于严重磨损区仿生表面中仿生单元体间距与严重磨损区仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少值的关系是通过实验拟合得到的，拟合关系式会存在一定的误差，因此通过上述两个区域仿生单元体间距调整后，虽然两个区域抗磨损性能趋于一致，但仍然存在微小的差别。为了使两个区域的抗磨损性能更加接近，本发明在确定仿生单元体间距后进一步调整仿生表面中的仿生单元体的深度。经过间距调整后的点、条仿生表面组合中，轻微磨损区的点状仿生表面相比于严重磨损区的条状仿生表面的抗磨损性减少1.26％。以获得最佳抗磨损性能表面为准选取轻微磨损区处的点状仿生表面中的点状仿生单元体深度A_h1后，在轻微磨损区制备间距为A_s1，深度为A_h1的点状仿生单元体。测定失重量后，得到轻微磨损区的点状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少值Y_A-h1。根据关系式Y_A-h2＝-0.0078A_h2+0.301，Y_A-h2-Y_A-h1＝1.26计算得到严重磨损区的条状仿生表面中仿生单元体的深度A_h2；其中Y_A-h2为严重磨损区的仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少值。经过间距调整后的条、网仿生表面组合中，轻微磨损区的条状仿生表面相比于严重磨损区的网状仿生表面的抗磨损性减少0.6％，以获得最佳抗磨损性能表面为准选取轻微磨损区处的条状仿生表面中的条形仿生单元体深度B_h1后，在轻微磨损区制备间距为B_s1，深度为B_h1的点状仿生单元体。测定失重量后，得到轻微磨损区的条状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少值Y_B-h1。根据关系式Y_B-h2＝-0.0103B_h2+0.413，Y_B-h2-Y_B-h1＝0.6计算得到严重磨损区的网状仿生表面中网状仿生单元体的深度B_h2；Y_B-h2为严重磨损区的仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少值。经过间距调整后的点、网仿生表面组合中，轻微磨损区的点状仿生表面相比于严重磨损区的网状仿生表面的抗磨损性减少0.98％，为了使两个区域的抗磨损性能更加接近，以获得最佳抗磨损性能表面为准选取轻微磨损区处的点状仿生表面中的点状仿生单元体深度C_h1后，在轻微磨损区制备间距为C_s1，深度为C_h1的点状仿生单元体。测定失重量后，得到轻微磨损区的点状仿生表面试样的失重量相对该区域表面未经处理试样的失重量减少值Y_C-h1。根据关系式Y_C-h2＝-0.0103C_h2+0.413，Y_C-h2-Y_C-h1＝0.98计算得到严重磨损区的网状仿生表面中网状仿生单元体的深度C_h2。

所述的一种多仿生耦合表面组合的再生铸铁导轨，按以下步骤进行：

步骤一，利用机械磨铣对经磨损后的不平整的报废铸铁导轨表面进行预处理，在清除表面各种污迹及氧化皮的同时平整表面，去除较为明显的直径在0.01mm以上的孔洞及磨痕；

步骤二，对残留的非均匀磨损程度的导轨表面进行硬度或应力检测，从而区分轻微磨损区和严重磨损区(即当硬度HV>640或应力ε<300时，为轻微磨损区；当硬度为HV<640或应力ε>300处，为严重磨损区域)。由于轻微磨损区的表面抗磨损性能较严重磨损区的抗磨损性能好，因此将抗磨损性能一般的仿生表面分布于轻微磨损区，抗磨损性能较好的分布于严重磨损区。(如图1)。当应力ε<300，硬度HV>640时，为轻微磨损区；当应力ε>300，，硬度为HV<640处，为严重磨损区域。而后对磨损面的非对称多形貌仿生设计；

步骤三，对耦合有不同形状的仿生单元体的仿生表面进行组合分布设计。在导轨的严重磨损区和轻微磨损区的硬度梯度ΔHV<90或应力梯度Δε<130，时，利用激光在导轨表面的轻微磨损区域加工耦合形成点状仿生表面和严重磨损区域加工耦合形成条状仿生表面的组合形式，称为点、条仿生表面组合(如图2a)；在导轨的严重磨损区和轻微磨损区的硬度梯度90<ΔHV<140或应力梯度130<Δε<290，时，利用激光在导轨表面的轻微磨损区域加工耦合形成条状仿生表面和的严重磨损区域加工耦合形成网状仿生表面的组合形式，称为条、网仿生表面组合(如图3a)；当导轨的严重磨损区和轻微磨损区的硬度梯度ΔHV>140或应力梯度Δε>290，时，利用激光在导轨表面的轻微磨损区域加工耦合形成点状仿生表面和严重磨损区域加工耦合形成网状仿生表面的组合，称为点、网仿生表面组合(如图4a)。

步骤四，控制激光器以合适的激光参数在对称工作面进行激光熔凝，使表面形成有特殊的两种形貌仿生单元体，其硬度要求达到700HV～1100HV，且分别与硬度较小的母体相互耦合形成“软硬相间”的两种形貌仿生表面组合形式。其激光加工参数为：所述激光器功率为300W，离焦量±12mm，激光电流90～350mA，激光脉宽3～15ms，激光出光频率为7Hz，激光光束驻留时间为1～4s，激光扫描速度为1～20mm/s。

步骤五，对经激光仿生耦合再生修复后的表面进行后续加工，以获得精度在100～500μm的使用精度。

表1.CA6140车床导轨再生应用实例

注：寿命提高率均是再生机床与新机床导轨的使用寿命比较所得。

表中所示的试验实例采用的激光熔凝参数均为如下参数：所述激光器功率为300W，离焦量±12mm，激光电流90～350mA，激光脉宽3～15ms，激光出光频率为7Hz，激光光束驻留时间为1～4s，激光扫描速度为1～20mm/s。

Claims (8)

1.一种激光仿生耦合导轨，其特征在于所述导轨工作面上的轻微磨损区和严重磨损区分别加工有I仿生单元体和II仿生单元体；设加工有I仿生单元体的轻微磨损区与未经处理的轻微磨损区相比单位时间内的磨损失重量减少Y₁，加工有II仿生单元体的严重磨损区与未经处理的严重磨损区相比单位时间内的磨损失重量减少Y₂，Y₁＜Y₂。

2.根据权利要求1所述的激光仿生耦合导轨，其特征在于所述导轨工作面上的轻微磨损区加工有点状仿生单元体，严重磨损区表面加工有条状仿生单元体；其中点状仿生单元体间距为A_S1，A_S1＝3～4mm，条状仿生单元体间距为A_S2，且2.6<A_S2-A_S<3mm。

3.根据权利要求2所述的激光仿生耦合导轨，其特征在于所述点状仿生单元体距表面深度为A_h1，A_h1＝1～1.5mm，条状仿生单元体距表面深度为A_h2，且A_h1-A_h2＝0.87mm。

4.根据权利要求1所述的激光仿生耦合导轨，其特征在于所述导轨工作面上的轻微磨损区加工有条状仿生单元体，严重磨损区表面加工有网状仿生单元体；其中条状仿生单元体间距为B_S1，B_S1＝4～5mm，网状仿生单元体间距为B_S2，1<B_S2-B_S1<1.6mm。

5.根据权利要求4所述的激光仿生耦合导轨，其特征在于所述条状仿生单元体距表面深度为B_h1，B_h1＝1～1.5mm，网状仿生单元体距表面深度为B_h2，且B_h1-B_h2＝0.58mm。

6.根据权利要求1所述的激光仿生耦合导轨，其特征在于所述导轨工作面上的轻微磨损区加工有点状仿生单元体，严重磨损区表面加工有网状仿生单元体；其中条状仿生单元体间距为C_S1，C_S1＝5～7mm，网状仿生单元体间距为C_S2，0<C_S1-C_S2<1.6mm。

7.根据权利要求6所述的激光仿生耦合导轨，其特征在于所述点状仿生单元体距表面深度为C_h1，C_h1＝1～1.5mm，网状仿生单元体距表面深度为C_h2，且C_h1-C_h2＝0.66mm。

8.一种如权利要求1所述激光仿生耦合导轨的再生方法，包括下述步骤：

步骤一、利用机械磨铣对经磨损后的报废铸铁导轨表面进行预处理，在清除表面各种污迹及氧化皮的同时平整表面，去除直径在0.01mm以上的孔洞及磨痕；

步骤二、对磨损的导轨表面进行硬度或应力检测，将硬度HV>640或应力ε<300，或者磨损沟壑深度小于0.02mm的区域确定为轻微磨损区；将硬度为HV<640或应力ε>300，或者磨损沟壑深度大于0.02mm的区域确定为严重磨损区域；

步骤三、根据导轨工作面严重磨损区与轻微磨损区的硬度梯度ΔHV或应力梯度Δε确定严重磨损区与轻微磨损区仿生表面的组合形式；当ΔHV<90或应力梯度Δε<130时，利用激光在导轨工作面的轻微磨损区和严重磨损区加工耦合形成点、条仿生表面组合形式，即在轻微磨损区加工点状仿生单元体，严重磨损区加工条状仿生单元体；当90<ΔHV<140或应力梯度130<Δε<290时，利用激光在导轨工作面的轻微磨损区和严重磨损区加工耦合形成条、网仿生表面组合形式，即在轻微磨损区加工条状仿生单元体，严重磨损区加工网状仿生单元体；当ΔHV>140或应力梯度Δε>290，时，利用激光在导轨工作面的轻微磨损区和严重磨损区加工耦合形成点、网仿生表面组合形式，即在轻微磨损区加工点状仿生单元体，严重磨损区加工网状仿生单元体；

当导轨工作面上的轻微磨损区加工有点状仿生单元体，严重磨损区表面制备有条状仿生单元体时，点状仿生单元体间距为A_S1，A_S1＝3～4mm，条状仿生单元体间距为A_S2，且2.6<A_S2-A_S1<3mm；点状仿生单元体距表面深度为A_h1，A_h1＝1～1.5mm，条状仿生单元体距表面深度为A_h2，且A_h1-A_h2＝0.87mm；

当导轨工作面上的轻微磨损区加工有条状仿生单元体，严重磨损区表面制备有网状仿生单元体时，条状仿生单元体间距为B_S1，B_S1＝4～5mm，网状仿生单元体间距为B_S2，1<B_S2-B_S1<1.6mm；条状仿生单元体距表面深度为B_h1，B_h1＝1～1.5mm，网状仿生单元体距表面深度为B_h2，且B_h1-B_h2＝0.58mm；

当导轨工作面上的轻微磨损区加工有点状仿生单元体，严重磨损区表面制备有网状仿生单元体时，条状仿生单元体间距为C_S1，C_S1＝5～7mm，网状仿生单元体间距为C_S2，0<C_S1-C_S2<1.6mm；所述点状仿生单元体距表面深度为C_h1，C_h1＝1～1.5mm，网状仿生单元体距表面深度为C_h2，且C_h1-C_h2＝0.66mm。