CN107931605B - 用于摩擦副表面微织构的3d打印制作方法 - Google Patents

用于摩擦副表面微织构的3d打印制作方法 Download PDF

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Abstract

一种用于摩擦副表面微织构的3D打印制作方法，所述方法是使用数控磨床对待加工元件摩擦副表面进行处理，由计算机三维CAD软件绘制所需摩擦副表面微织构的三维模型，对三维模型由小三角形进行近似处理，获得近似模型；将近似模型沿高度方向分成一系列厚度的薄片，提取并处理轮廓信息，生成数控程序；然后将数控程序导入机器手控制装置，夹持装置将待加工元件固定于工作台，在待加工元件表面铺上一定厚度的金属粉末，由机械手控制装置带动激光装置按照预定轨迹对待加工元件进行激光烧结处理，形成所需摩擦副表面微织构，有效地提高了摩擦面的耐磨擦和抗摩擦性能。

Description

用于摩擦副表面微织构的3D打印制作方法
技术领域
本发明涉及一种摩擦面减摩抗磨的制作方法，具体地是一种用于摩擦副表面微织构的3D打印制作方法。
背景技术
液压传动技术在工业领域中应用极为广泛， 叶片泵和叶片马达也是应用频繁的液压元器件，其中叶片与转子的摩擦副，还有柱塞泵的配流盘和缸体的摩擦副均是液压元器件的关键摩擦副，最容易磨损和失效部件，它的好坏直接影响液压泵和液压马达噪声、流量和容积效率。在重载情况下，滚柱轴承内外圈与滚柱所形成的摩擦副也是容易磨损破坏的摩擦副，它的好坏也直接影响轴承的使用寿命和承载能力。降低摩擦常采用的方法是加工零件时选用精密的加工制造设备和工艺，然后对零件进行合适的热处理，提高其接触表面的精度和硬度，来达到减摩抗磨的目的。分析现有技术，以提高接触表面的精度来减小摩擦和降低磨损的方式会受到生产条件和加工精度的限制，而加工精度越高，生产成本就会越高，而且减摩效果不明显。
发明内容
针对上述减摩抗磨方法存在的不足，本发明提供一种用于摩擦副表面微织构的3D打印制作方法，进一步提高摩擦面的耐摩擦和抗磨损性能。
为了使所述摩擦副表面具有所需的表面形貌结构，本发明所采取的具体措施如下。
一种用于摩擦副表面微织构的3D打印制作方法，其特征在于：所述制作方法是按下列步骤进行的：
（1）利用数控磨床对待加工元件的摩擦副表面进行处理，清洗待加工元件表面的氧化物及锈迹，使待加工元件表面光滑明亮；
（2）将待加工元件表面所需的微织构用计算机三维CAD软件进行等比例绘制，以得到微织构的三维模型，用一系列小三角形平面来逼近模型上的不规则曲面，从而得到微织构的近似模型，形成STL文件；
（3）将微织构的近似模型沿高度方向分成一系列厚度为0.02mm的薄片，提取层片的二维轮廓信息，并根据层片信息，生成层片加工数控代码，即加工程序文件，用以控制机械手控制装置的加工运动；
（4）夹持装置将待加工元件固定于工作台，在待加工元件表面上均匀铺上厚度为0.02mm的金属粉末，再用平整辊将金属粉末滚平、压实，并进行预热，温度设置为80~100℃；
（5）由机械手控制装置带动激光装置，使激光束在刚铺的金属粉末层上以1200mm/s的速度按照微织构的分层轮廓有选择地进行烧结，得到微织构的截面，一层完成后，再铺上新的一层金属粉末，有选择地再进行下一层烧结，并与下面已成型的部分连接，如此反复直到整个待加工元件表面微织构加工完毕；
（6）全部烧结完成后，去掉多余的金属粉末，将加工好的元件在W10镜像砂纸上打磨，消除加工熔渣；最后将元件在温度设置为50~60℃的超声波清洗机中清洗20min，去除打磨残留杂质。
还有所述特征在于：所述摩擦副表面布满微织构，所述微织构是用于改善摩擦副表面的润滑性能，提高摩擦副表面的抗磨损能力和承载能力；所述摩擦副表面可以是柱塞泵的配流盘、叶片泵或马达的叶片、滚柱（珠）轴承内外圈和滚柱（珠）接触的表面。
一种实现如上述的用于摩擦副表面微织构的3D打印制作方法，包括激光装置、工作台和机械手控制装置；其特征在于：所述激光装置是光纤激光器，功率设置为240W，扫描速度为1200mm/s，铺粉厚度为0.02mm，激光搭接为0.5mm，所述光纤激光器产生的光束由光纤传送，向待加工元件发射连续激光束，激光束的聚焦点垂直落在待加工元件的铺粉表面，在待加工元件表面产生高精度均匀的微织构，并在所述机械手控制装置的带动下按预设轨迹做前后上下左右移动和旋转运动，移动速度为1200mm/s；所述工作台包括铺粉装置和夹持装置，夹持装置上边固定有待加工元件。
上述一种用于摩擦副表面微织构的3D打印制作方法，与现有技术相比，具有的优点与积极效果如下。
本方法在摩擦副工作表面形成深度一致的微织构，并形成储油结构，增加了油膜厚度，提高了所需加工元件的耐磨性，并减小了摩擦。
本方法采用3D打印制作方法，使摩擦副表面微织构实现了任意形状、任意分布结构，并根据待加工元件的不同工作需求制作所需摩擦副表面的微织构。
本制作方法生产效率高，适用范围广。
附图说明
图1是本方法实施例1中叶片泵或马达的叶片结构示意图。
图2是本方法实施例2中柱塞泵的配流盘结构示意图。
图3是本方法实施例3中滚柱轴承的内圈结构示意图。
图4是本方法实施例3中滚柱轴承的外圈剖切结构示意图。
图中：1-具有鱼鳞微织构的叶片；2-具有圆柱形微织构的配流盘；3-具有菱形微织构的滚柱轴承内圈；4-具有菱形微织构的滚柱轴承外圈。
具体实施方式
本发明的具体实施方式是使用数控磨床对待加工元件摩擦副表面进行处理，由计算机三维CAD软件绘制所需摩擦副表面微织构的三维模型，对三维模型用小三角形进行近似处理，以得到近似模型。将近似模型沿高度方向分成一系列厚度的薄片，提取并处理轮廓信息，生成数控程序。然后将数控程序导入机器手控制装置，夹持装置将待加工元件固定到工作台，在待加工元件表面铺上一定厚度的金属粉末，由机械手控制装置带动激光装置按照预定轨迹对待加工元件进行激光烧结处理，形成所需摩擦副表面微织构；将加工好的元件在W10镜像砂纸上打磨，消除加工熔渣；最后将元件在温度设置为50~60℃的超声波清洗机中清洗20min，去除打磨残留杂质，完成待加工元件摩擦副表面所需微织构的加工，进一步提高了摩擦副表面的耐磨擦和抗摩擦性能。
其中用于摩擦副表面微织构的3D打印制作方法的制作设备，包括激光装置、工作台和机械手控制装置；其特征在于：激光装置是光纤激光器，功率设置为240W，扫描速度为1200mm/s，铺粉厚度为0.02mm，激光搭接为0.5mm，光纤激光器产生的光束由光纤传送，向待加工元件发射连续激光束，激光束的聚焦点垂直落在待加工元件的铺粉表面，在待加工元件表面产生高精度均匀的微织构，并在机械手控制装置的带动下按预设轨迹做前后上下左右移动；工作台包括铺粉装置和夹持装置，夹持装置上边固定有待加工元件，铺粉装置用于铺设一定厚度的金属粉末。
所实施的微织构形状结构为半球形、圆柱形、三棱柱形、四棱柱形和鱼鳞形中的一种或其中几种的组合。
下面结合附图和实施实例对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施例1
实施摩擦副表面微织构的3D打印方法应用于叶片泵或马达的叶片，微织构的形状为鱼鳞形，见附图1，1为具有鱼鳞微织构的叶片，叶片表面上布满鱼鳞微织构，其深度为0.04mm，宽度（激光束光斑直径）为0.2mm，两条织构的间隔为1.5mm。利用数控磨床对摩擦副表面进行处理，清洗叶片原材料板表面的氧化物及锈迹，使叶片原材料板表面光滑明亮；将叶片原材料板表面所需的鱼鳞微织构用计算机三维CAD软件进行等比例绘制，以得到鱼鳞微织构的三维模型，然后用一系列小三角形平面来逼近模型上的不规则曲面，从而得到鱼鳞微织构的近似模型，形成STL文件；将鱼鳞微织构的近似模型沿高度方向分成一系列厚度为0.02mm的薄片，提取层片的二维轮廓信息，并根据层片信息，生成层片加工数控代码，即加工程序文件，用以控制机械手控制装置的加工运动；夹持装置将待加工元件固定于工作台，在待加工元件表面上均匀铺上0.02mm的金属粉末，再用平整辊将金属粉末滚平、压实，并进行预热，温度设置为80~100℃；由机械手控制装置带动激光装置，使激光束在刚铺的金属粉末层上以1200mm/s的速度按照鱼鳞微织构的分层轮廓有选择地进行烧结，得到鱼鳞微织构的截面，一层完成后，再铺上新的一层金属粉末，有选择地再进行下一层烧结，并与下面已成型的部分连接，如此反复直到整个鱼鳞微织构加工完毕；全部烧结完成后，去掉多余的金属粉末，将加工好的元件在W10镜像砂纸上打磨，消除加工熔渣；将元件在温度设置为50~60℃的超声波清洗机中下清洗20min，去除打磨残留杂质；最后将叶片原材料板按照叶片的尺寸要求切制成所需的形状和大小。
实施例2
实施摩擦副表面微织构的3D打印方法应用于具有圆柱形微织构的配流盘2，微织构的形状为圆柱形，见附图2，配流盘与缸体的接触表面上布满圆柱形微织构，其深度为0.02mm，面积为0.1mm2，所占面积率为15%。配流盘表面的圆柱形微织构贮存有一定量的油液，以增加油膜厚度，增大油膜的支撑力，从而减小摩擦，降低磨损，所需摩擦副表面的圆柱形微织构的制造方法与实施例1相同。
实施例3
实施摩擦副表面微织构的3D打印方法应用于滚柱（珠）轴承内外圈和滚柱（珠）接触的表面，微织构的形状为菱形，见附图3和附图4，3是具有菱形微织构的滚柱轴承内圈，4是具有菱形微织构的滚柱轴承外圈，滚柱轴承内外圈与滚柱形成摩擦副，摩擦副表面布满有菱形微织构，所占面积率为15%，微织构的面积为0.2mm2，深度为0.02mm，所需摩擦副表面的菱形微织构的制造方法与实施例1中相同。
综上实施所述，本方法提供的一种用于摩擦副表面微织构的3D打印制作方法，克服了背景技术中摩擦副的一些不足与限制，改善了摩擦副的润滑性能，提高了摩擦面的耐磨性，减小了摩擦，提高了相应摩擦副元件的使用寿命，而且这种制造装置生产效率高，适用性广。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，当然不可以此来限定本发明之权利范围，因此本发明申请专利范围所做的的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种用于摩擦副表面微织构的3D打印制作方法，其特征在于：所述摩擦副表面为液压柱塞泵的配流盘、滚珠轴承内外圈或滚柱接触表面，其制作方法是按下列步骤进行的：
（1）利用数控磨床对待加工元件摩擦副表面进行处理，清洗待加工元件摩擦副表面的氧化物及锈迹，使待加工元件摩擦副表面光滑明亮；
（2）将待加工元件的摩擦副表面所需的微织构由计算机三维CAD软件进行等比例绘制，再用一系列小三角形平面来逼近模型上的不规则曲面，获得微织构近似模型，并形成STL文件；
（3）将微织构近似模型沿高度方向分成一系列厚度为0.02mm的层片，提取层片的二维轮廓信息，并根据层片信息，生成层片加工数控代码，即加工程序文件，用以控制机械手控制装置的加工运动；
（4）夹持装置将待加工元件固定于工作台，在待加工元件摩擦副表面均匀铺厚度为0.02mm的金属粉末，再用平整辊将金属粉末滚平压实，并进行预热，温度设置为80~100℃；
（5）由机械手控制装置带动激光装置，使激光束在铺设的金属粉末层上以1200mm/s的速度按照微织构的分层轮廓有选择地进行烧结，得到微织构截面，然后再铺设一层金属粉末，有选择地再进行下一层烧结，并与下面已成型的部分连接，如此反复直到整个待加工元件的摩擦副表面微织构所占面积率为15%，则加工完毕；
（6）全部烧结完成后，去掉多余的金属粉末，将加工好的元件在W10镜像砂纸上打磨，消除加工熔渣；最后将元件在温度为50~60℃的超声波清洗机中清洗20min，去除打磨残留杂质。
2.如权利要求1所述的用于摩擦副表面微织构的3D打印制作方法，其特征在于：所述摩擦副表面微织构是用于改善摩擦副表面的润滑性能，提高摩擦副表面的抗磨损能力和承载能力。
3.根据权利要求1所述的用于摩擦副表面微织构的3D打印制作方法，其特征在于：所述微织构的形状结构是半球形、圆柱形、三棱柱形、四棱柱形和鱼鳞形中的一种或其中几种的组合。
4.一种实现如权利要求1所述的用于摩擦副表面微织构的3D打印制作方法，包括激光装置、工作台和机械手控制装置；其特征在于：所述激光装置是光纤激光器，功率为240W，扫描速度为1200mm/s，铺粉厚度为0.02mm，激光搭接为0.5mm；所述光纤激光器产生的光束由光纤传送，向待加工元件发射连续激光束，激光束的聚焦点垂直落在待加工元件的铺粉表面，在待加工元件表面产生高精度均匀的微织构，并在所述机械手控制装置的带动下按预设轨迹做前后上下左右移动；所述工作台包括铺粉装置和夹持装置，夹持装置上边固定有待加工元件。
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