CN108571572A - 一种仿生非光滑耐磨凸轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生非光滑耐磨凸轮，本发明运用仿生非光滑耐磨技术，恰当设计非光滑表面形貌，通过激光强化处理，使凸轮材料表面改性改形，极大改善凸轮机构工作时的润滑和磨损状态。在凸轮表面加工出仿生非光滑单元体后，与光滑表面凸轮比较，润滑条件得到极大改善，表面硬度明显提高，耐磨性提高3‑5倍。

Description

一种仿生非光滑耐磨凸轮

技术领域

本发明涉及凸轮技术领域，具体为一种仿生非光滑耐磨凸轮。

背景技术

凸轮是机械中应用较为广泛的零件之一，其自身质量和精度直接影响整台设备的性能。凸轮在工作过程中与推杆直接接触，因而凸轮型面受到推杆底部接触应力作用。由于滚子在凸轮型面不同区域角速度不同，引起推杆底部与凸轮型面间的摩擦，在凸轮型面上产生很大的剪切应力，造成凸轮表面的磨损。凸轮的失效形式有刮痕磨损、粘合磨损、滚动磨损、冲击磨损、腐蚀磨损和微动摩擦磨损等，这些失效形式使推杆不能按照预定的运动规律运动，造成了凸轮机构的失效。

在国内外，为提高凸轮表面的耐磨性，除寻找新型减磨耐磨材料、提高表面光洁度、添加润滑材料外，表面处理新工艺(离子硫化处理、金属处理剂、热喷涂纳米结构氧化物陶瓷涂层等)则是目前延长凸轮使用寿命、改善其耐磨性能的重要方法。

目前国内外常用的提高凸轮机构耐磨性的方法大多处理工期较长，费用较高，且硬化层厚度较薄，往往在使用中很快被磨损掉，降低了凸轮在各种工况条件下使用的有效性。而且，凸轮耐磨性的提高程度也是有限的，因为它不能有效改善凸轮机构的润滑问题，所以不能从根本上解决凸轮轮廓表面的磨损问题。

在各种减摩耐磨措施中，提高表面硬度和改善润滑状态是一种最简单易行，而且行之有效的方法。由于凸轮和推杆高副接触，相对运动时不易形成润滑油膜，所以很难建立起流体润滑状态；另外凸轮润滑是周期间断性的，凸轮和推杆每次接触时，都要重新建立润滑油膜，因而每次形成完整油膜的条件很差，经常处于边界润滑状态。本发明选定的仿生非光滑耐磨形态用激光加工技术复制到凸轮表面后，非光滑形态既可储存润滑油，又可存储小的金属碎屑。在凸轮和推杆接触过程中虽有压力作用，但各自独立分布的非光滑形态中的润滑油却不易流失，即使在压力较大的情况下仍能保持良好的润滑条件，形成一个缓冲，确保工作时的润滑效果，达到最佳的润滑状态。另外激光加工非光滑形貌时，由于熔凝速度非常快，可以使凸轮表面材料形成超细晶组织，其硬度远高于常温淬火所能达到的程度，软硬相间的表面组织亦有利于提高凸轮表面的耐磨性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生非光滑耐磨凸轮，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种仿生非光滑耐磨凸轮，包括如下步骤：

A、非光滑形貌及参数的设计；根据工程仿生学原理，以蜣螂、贝壳、穿山甲非光滑耐磨体表的几何形貌和非光滑尺寸为基准，通过计算机模拟，设计出凸轮表面具有耐磨效果的非光滑形貌及尺寸如下：

a、在凸轮工作表面加工出呈规律分布的凹坑单元体，单元体尺寸参数为：凹坑直径100-300微米，中心距250-350微米，坑深50-60微米；

b、在凸轮工作表面加工出呈规律分布的条纹状单元体，单元体尺寸参数为：条纹宽度100-300微米，间距250-350微米，深度50-60微米；

c、在凸轮工作表面加工出呈规律分布的网格状单元体，单元体尺寸参数为：网格宽度100-300微米，两网格之间间距250-350微米，网格深度50-60微米；

B、激光加工。

优选的，所述步骤B中激光加工方法包括如下步骤：

A、用丙酮清洗干净待加工凸轮；

b.将清洗后的凸轮放置恒温箱中在180-240℃保温40min-70min，

c.采用5KW横流二氧化碳激光器，激光束经抛物面反射聚焦镜聚焦后形成均匀光束，多模式光斑；调整聚焦镜与工件间距离，来确定光斑直径；方波的峰值功率为600-800W，脉冲频率为10HZ-80HZ，占空比为0.3-0.6；在功率密度p＝500-800w、扫描速度v＝20-30mm/s、光斑直径d＝2.5-3mm条件下进行激光熔凝处理；在加工过程中使用氦气侧吹保护激光熔凝部位。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明运用仿生非光滑耐磨技术，恰当设计非光滑表面形貌，通过激光强化处理，使凸轮材料表面改性改形，极大改善凸轮机构工作时的润滑和磨损状态。在凸轮表面加工出仿生非光滑单元体后，与光滑表面凸轮比较，润滑条件得到极大改善，表面硬度明显提高，耐磨性提高3-5倍。

附图说明

图1为本发明蜣螂头部凸包形非光滑形态显微结构图；

图2为本发明贝壳表面凹坑形非光滑形态显微结构图；

图3为本发明蜣螂翅鞘条纹状非光滑形态显微结构图；

图4为本发明穿山甲体表鳞片非光滑形态显微结构图；

图5为本发明凹坑状非光滑表面形态示意图；

图6为本发明条纹状非光滑表面形态示意图；

图7为本发明网格状非光滑表面形态示意图；

图8为本发明磨损后凹坑状非光滑形态耐磨表面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种仿生非光滑耐磨凸轮，包括如下步骤：

A、非光滑形貌及参数的设计；根据工程仿生学原理，以蜣螂、贝壳、穿山甲非光滑耐磨体表的几何形貌和非光滑尺寸为基准，通过计算机模拟，设计出凸轮表面具有耐磨效果的非光滑形貌及尺寸如下：

a、在凸轮工作表面加工出呈规律分布的凹坑单元体，单元体尺寸参数为：凹坑直径100-300微米，中心距250-350微米，坑深50-60微米；

b、在凸轮工作表面加工出呈规律分布的条纹状单元体，单元体尺寸参数为：条纹宽度100-300微米，间距250-350微米，深度50-60微米；

c、在凸轮工作表面加工出呈规律分布的网格状单元体，单元体尺寸参数为：网格宽度100-300微米，两网格之间间距250-350微米，网格深度50-60微米；

B、激光加工。

本发明中，步骤B中激光加工方法包括如下步骤：

A、用丙酮清洗干净待加工凸轮；

b.将清洗后的凸轮放置恒温箱中在180-240℃保温40min-70min，

c.采用5KW横流二氧化碳激光器，激光束经抛物面反射聚焦镜聚焦后形成均匀光束，多模式光斑；调整聚焦镜与工件间距离，来确定光斑直径；方波的峰值功率为600-800W，脉冲频率为10HZ-80HZ，占空比为0.3-0.6；在功率密度p＝500-800w、扫描速度v＝20-30mm/s、光斑直径d＝2.5-3mm条件下进行激光熔凝处理；在加工过程中使用氦气侧吹保护激光熔凝部位。

激光加工时，由于光束只照射到凸轮表面的局部，加工部位虽然温度很高，但对非照射表面影响甚微，从而对凸轮材料的热影响区很小，凸轮基本无变形，不会影响凸轮的传动精度，而且激光加工时，由于熔凝速度非常快，可以使凸轮表面材料形成超细晶组织，其硬度远高于常温淬火所能达到的程度，软硬相间的表面组织亦有利于提高凸轮表面的耐磨性能。

本发明运用仿生非光滑耐磨技术，恰当设计非光滑表面形貌，通过激光强化处理，使凸轮材料表面改性改形，极大改善凸轮机构工作时的润滑和磨损状态。在凸轮表面加工出仿生非光滑单元体后，与光滑表面凸轮比较，润滑条件得到极大改善，表面硬度明显提高，耐磨性提高3-5倍；生产非光滑凸轮的加工成本仅提高30-40％左右，因而具有高的性能价格比。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种仿生非光滑耐磨凸轮，其特征在于：包括如下步骤：

A、非光滑形貌及参数的设计；根据工程仿生学原理，以蜣螂、贝壳、穿山甲非光滑耐磨体表的几何形貌和非光滑尺寸为基准，通过计算机模拟，设计出凸轮表面具有耐磨效果的非光滑形貌及尺寸如下：

a、在凸轮工作表面加工出呈规律分布的凹坑单元体，单元体尺寸参数为：凹坑直径100-300微米，中心距250-350微米，坑深50-60微米；

b、在凸轮工作表面加工出呈规律分布的条纹状单元体，单元体尺寸参数为：条纹宽度100-300微米，间距250-350微米，深度50-60微米；

c、在凸轮工作表面加工出呈规律分布的网格状单元体，单元体尺寸参数为：网格宽度100-300微米，两网格之间间距250-350微米，网格深度50-60微米；

B、激光加工。

2.根据权利要求1所述的一种仿生非光滑耐磨凸轮，其特征在于：所述步骤B中激光加工方法包括如下步骤：

A、用丙酮清洗干净待加工凸轮；

b.将清洗后的凸轮放置恒温箱中在180-240℃保温40min-70min，

c.采用5KW横流二氧化碳激光器，激光束经抛物面反射聚焦镜聚焦后形成均匀光束，多模式光斑；调整聚焦镜与工件间距离，来确定光斑直径；方波的峰值功率为600-800W，脉冲频率为10HZ-80HZ，占空比为0.3-0.6；在功率密度p＝500-800w、扫描速度v＝20-30mm/s、光斑直径d＝2.5-3mm条件下进行激光熔凝处理；在加工过程中使用氦气侧吹保护激光熔凝部位。