CN109576484A - 一种复合尺度织构的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合尺度织构的加工方法，其特征在于，将加工对象固定在工业机器人的夹具上。固定在精密光学隔震平台上的激光器采用高功率调Q型Nd:YAG激光器且光斑形状为矩形。激光器发射的激光束通过光导装置照射至加工对象表面进行微米尺度的织构加工。纳米颗粒均匀覆盖在加工对象表面，在激光冲击压力作用下嵌入材料表面，再通过兆声波清洗的方法将纳米颗粒去除，以形成纳米尺度的表面织构。本发明提供的复合尺度织构的加工方法解决了现有减磨技术中织构尺度单一、减磨效果有限的不足。

Description

一种复合尺度织构的加工方法
技术领域
本发明涉及一种通过激光冲击微造型技术以及纳米颗粒加工复合尺度织构的方法，属于表面润滑技术领域。
背景技术
机械系统普遍存在着各种形式的摩擦副，这些摩擦副不仅影响着机械系统的工作性能和运行效率，而且还决定其使用寿命。据统计，摩擦导致的磨损是机械失效的最主要原因，大约有80％的零件损坏是由于磨损引起的。因此，控制摩擦、改善润滑与减少磨损已成为节约能源和原材料、综合提高机械系统运转效率和服役寿命的迫切需求。
传统的摩擦学理论认为，相互接触的两个表面越光滑磨损量越小。但近年来的摩擦学研究和工程实际应用发现，光滑表面由于缺少储油区域而容易引起粘着磨损。相反，具有表面织构的摩擦副反而表现出更优越的润滑减摩性能，这是因为表面织构具有充当微小动压润滑轴承、储存润滑油和磨屑的作用，能够有效改善表面的摩擦学性能。
目前，表面织构的加工方法多种多样，但在同一摩擦面上加工的表面织构大多局限于单一尺度规则织构。相对于单一尺度织构，复合尺度织构可以进一步提高油膜厚度，降低摩擦损耗，通过协同叠加形成局部高压油膜，从而缩小混合润滑范围。同时，通过复合尺度织构的协同互补，能够有效弥补空化区域油膜压力的衰减，增大有效承载面积。因此，为了进一步提高摩擦副表面的摩擦学性能，发明一种复合尺度织构的加工方法显得尤为必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光冲击微造型技术并利用纳米颗粒来加工复合尺度表面织构的方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种复合尺度织构的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对加工对象的待加工表面进行抛光、研磨处理，并进行清洗烘干，以获取平整光滑的表面，将该平整光滑的表面定义为待冲击表面，随后将加工对象固定在工业机器人的夹具上；
步骤2、在吸收层的一面上均匀覆盖一层高硬度纳米颗粒，并将吸收层贴覆于加工对象的待冲击表面。贴覆时，吸收层覆盖有纳米颗粒的一面面对加工对象的待冲击表面，通过吸收层隔绝激光辐照导致的热效应；
步骤3、在吸收层的另一面施加约束层，通过约束层限制激光冲击产生的等离子体，使其仅能向加工对象内部传播，从而提高冲击压力的幅值和作用时间；
步骤4、激光器发射的激光束通过光导装置照射至加工对象的待冲击表面进行织构加工，激光器采用高功率调Q型Nd:YAG激光器且光斑形状为矩形。
优选地，步骤2中，所述吸收层为黑色绝缘胶带，所述纳米颗粒均匀覆盖于绝缘胶带的胶面。
优选地，步骤3中，使用流动水形成所述约束层。
优选地，步骤4中，所述激光器固定在精密光学隔震平台上。
优选地，步骤4中，所述织构加工包括以下步骤：
步骤401、激光器发射的激光束在较小的激光能量密度下对加工对象的整个待冲击表面进行冲击，使纳米颗粒在瞬时高幅值冲击压力作用下嵌入待冲击表面；
步骤402、激光器发射的激光束在较大的激光能量密度下，按照预先设计的织构排布方式，对待冲击表面的特定位置进行二次冲击，以形成微米级尺度的织构阵列；
步骤403、去除嵌入加工对象的纳米颗粒，从而在加工对象的待冲击表面形成同时具有纳米级尺度和微米级尺度织构的复合织构。
优选地，步骤403中，采用兆声波清洗法去除嵌入加工对象的纳米颗粒。
优选地，所述兆声波清洗是以高频的高能声波推动清洗液做加速运动，通过连续撞击材料表面实现清洗功能，同时，清洗剂与纳米颗粒进行化学反应，从而起到机械清洗和化学清洗的双重作用。
激光冲击微造型(Laser Peen Texturing，简称LPT)是一种基于激光冲击加工(Laser Peen Processing，简称LSP)技术的表面织构加工新工艺，通常用来加工微米级尺度的织构。用LPT制备的织构具有精准可控、环境适应性好、加工精度高等显著优点。同时，LPT的瞬时高幅值冲击压力能够在材料表面和次表层产生残余压应力和硬化层，显著提高材料的耐磨性、疲劳寿命及耐腐蚀性。纳米颗粒是指颗粒尺寸在纳米量级的微观颗粒。利用激光冲击压力的作用，可将纳米颗粒压印至材料表层，纳米颗粒去除后，便形成纳米级尺度的表面织构。因此，通过对LPT以及纳米颗粒的运用，能够制备出微米级尺度与纳米级尺度共存的复合尺度织构，从而为表面润滑领域提供了一种新的技术方法。
由于本发明提供的方法对材料的表面几何形貌和亚表面机械物理性能都产生显著影响，因此从以下两个方面对本发明的特点进行阐述：
1.在表面几何形貌方面，与表面没有制备微织构或仅有单一尺度微织构的材料相比，通过本技术方法加工的材料表面，由于大量纳米级织构的存在，有效减小了摩擦接触时的实际接触面积，使摩擦副之间的粘滞力减小，从而起到减摩抗磨的作用。同时，大量排布的不同尺度的织构，还可以作为润滑油的储存室，有利于维持润滑膜的完整性，在贫油条件下亦可保持油膜的流体润滑状态，从而降低摩擦磨损，延长摩擦副的使用寿命。更重要的是，每一个微小的织构都能充当一个微型的动压润滑轴承，有效提高摩擦副的承载力。而对于复合织构，由于不同尺度织构的协同作用，有利于进一步提高摩擦副的承载力。另外，由于摩擦过程中难免产生磨损颗粒，复合织构由于增加了织构的数量，更有利于对磨损颗粒的收集，从而降低磨粒磨损带来的危害，减少表面犁沟的形成，进一步延长摩擦副的使用寿命。
2.在材料亚表面微观结构方面，材料受到激光冲击作用时，晶粒位向最有利的晶粒将首先发生变形，由于晶粒的位向各不相同且晶界对晶粒变形具有制约作用，因此导致了晶粒变形的不均匀性，进而导致在激光冲击完成后，晶粒内部和晶粒之间都会产生残余压应力。残余压应力能够有效抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，对延长摩擦副的使用寿命效果显著。同时，由于高幅值激光冲击压力的作用，材料内部晶粒将发生破碎产生亚晶结构，形成晶粒细化效应和加工硬化层，从而能够显著提高材料的显微硬度、强度、耐磨性及耐腐蚀性。
附图说明
图1是本发明中所使用设备的结构示意图；
图2为本发明所加工的复合尺度织构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
结合图1，本发明提供的一种复合尺度织构的加工方法中，将加工对象8固定在工业机器人10(例如六轴工业机器人10)的夹具9上。固定在精密光学隔震平台1上的激光器2采用高功率调Q型Nd:YAG激光器且光斑形状为矩形。激光器2发射的激光束3通过光导装置4(例如光学透镜组件)照射至加工对象8表面进行织构加工。具体过程为：
步骤1、对加工对象8的待加工表面进行抛光、研磨处理，并进行清洗烘干，以获取平整光滑的表面，将该平整光滑的表面定义为待冲击表面。
步骤2、采用黑色绝缘胶带作为吸收层6，在黑色绝缘胶带的胶面上均匀覆盖一层硬度大于加工对象8的高硬度纳米颗粒7，并贴覆于加工对象8的待冲击表面，以隔绝激光辐照导致的热效应。
步骤3、使用流动水作为约束层5，以限制激光冲击产生的等离子体，使其仅能向加工对象8内部传播，从而提高冲击压力的幅值和作用时间。
步骤4、激光器2发射的激光束3通过光导装置4照射至加工对象8的待冲击表面进行织构加工。织构加工包括以下步骤：
步骤401、激光器2发射的激光束3在较小的激光能量密度下对整个待冲击表面进行冲击，使纳米颗粒7在瞬时高幅值冲击压力作用下嵌入加工对象8的表面。
步骤402、激光器2发射的激光束3在较大的激光能量密度下，按照预先设计的织构排布方式，对待冲击表面的特定位置进行二次冲击，以形成微米级尺度的织构阵列。
步骤403、采用兆声波清洗法去除嵌入加工对象8的纳米颗粒，从而在材料表面形成同时具有纳米尺度和微米尺度织构的复合织构，如图2所示。所述的兆声波清洗是以高频(800～1000kHz)的高能声波推动清洗液做加速运动，通过连续撞击材料表面实现清洗功能。同时，清洗剂能够与纳米颗粒进行化学反应。因此，兆声波清洗能同时起到机械清洗和化学清洗两方面的作用。

Claims (7)

1.一种复合尺度织构的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对加工对象(8)的待加工表面进行抛光、研磨处理，并进行清洗烘干，以获取平整光滑的表面，将该平整光滑的表面定义为待冲击表面，随后将加工对象(8)固定在工业机器人(10)的夹具(9)上；
步骤2、在吸收层(6)的一面上均匀覆盖一层硬度大于加工对象(8)的高硬度纳米颗粒(7)，并将吸收层(6)贴覆于加工对象(8)的待冲击表面，贴覆时，吸收层(6)覆盖有纳米颗粒(7)的一面面对加工对象(8)的待冲击表面，通过吸收层(6)隔绝激光辐照导致的热效应；
步骤3、在吸收层(6)的另一面施加约束层(5)，通过约束层(5)限制激光冲击产生的等离子体，使其仅能向加工对象(8)内部传播，从而提高冲击压力；
步骤4、激光器(2)发射的激光束(3)通过光导装置(4)照射至加工对象(8)的待冲击表面进行织构加工，激光器采用高功率调Q型Nd:YAG激光器且光斑形状为矩形。
2.如权利要求1所述的一种复合尺度织构的加工方法，其特征在于，步骤2中，所述吸收层为黑色绝缘胶带，所述纳米颗粒(7)均匀覆盖于绝缘胶带的胶面。
3.如权利要求1所述的一种复合尺度织构的加工方法，其特征在于，步骤3中，使用流动水形成所述约束层(5)。
4.如权利要求1所述的一种复合尺度织构的加工方法，其特征在于，步骤4中，所述激光器(2)固定在精密光学隔震平台(1)上。
5.如权利要求1所述的一种复合尺度织构的加工方法，其特征在于，步骤4中，所述织构加工包括以下步骤：
步骤401、激光器(2)发射的激光束(3)在较小的激光能量密度下对加工对象(8)的整个待冲击表面进行冲击，使纳米颗粒(7)在瞬时高幅值冲击压力作用下嵌入待冲击表面；
步骤402、激光器(2)发射的激光束(3)在较大的激光能量密度下对待冲击表面的特定位置进行二次冲击，以形成微米级尺度的织构阵列；
步骤403、去除嵌入加工对象(8)的纳米颗粒(7)，从而在加工对象(8)的待冲击表面形成同时具有纳米尺度和微米尺度织构的复合织构。
6.如权利要求5所述的一种复合尺度织构的加工方法，其特征在于，步骤403中，采用兆声波清洗法去除嵌入加工对象(8)的纳米颗粒(7)。
7.如权利要求6所述的一种复合尺度织构的加工方法，其特征在于，所述兆声波清洗是以高频的高能声波推动清洗液做加速运动，通过连续撞击材料表面实现清洗功能，同时，清洗剂与纳米颗粒进行化学反应。
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