CN111203715A - 金属表面加工方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种金属表面加工方法，包括：将待加工金属固定到车床上，控制位于车床的同一侧的激光器和复合能执行器沿车床的床面移动，并同时控制待加工金属转动；采用激光器对待加工金属的表面进行加工，以使待加工金属的表面呈微熔状态；采用复合能执行器对呈微熔状态的待加工金属的表面进行冲击滚压，以将呈微熔状态的待加工金属的表面冲击滚压平整；其中，复合能执行器用于输出温度高于室温的高温激活能形式的复合能。其通过采用将激光器和复合能执行器相结合的方式，利用激光技术和高能束的高频冲击滚压同步输出高温激活能形式的复合能的组合，对金属表面进行镜面加工，实现了金属表面的超镜面加工。

Description

金属表面加工方法和装置

技术领域

本公开涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种金属表面加工方法和装置。

背景技术

随着机械加工技术的进步，行业内更渴望得到加工精度更高的零部件，同时也对工件表面的处理工艺提出了更高的要求，以延长工件的使用寿命。其中，工件表面粗糙度和处理工艺对提高工件的抗疲劳强度和寿命有很大的关系。在相关技术中，通常采用磨床、抛光、放电、电镀、滚压和高能束的高频冲击滚压同步输出温度高于室温的高温激活能形式的复合能镜面加工技术等对工件表面进行处理加工。但是，采用相关技术中的加工工艺对工件表面进行加工处理时，所得到的工件表面的表面粗糙度还有待提高。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种金属表面加工方法，可以有效提高工件表面的表面粗糙度，提高加工效果和加工效率。

根据本公开的一方面，提供了一种金属表面加工方法，包括：

将待加工金属固定到车床上，控制位于所述车床的同一侧的激光器和复合能执行器沿所述车床的床面移动，并同时控制所述待加工金属转动；

采用所述激光器对所述待加工金属的表面进行加工，以使所述待加工金属的表面呈微熔状态；

采用所述复合能执行器对呈微熔状态的所述待加工金属的表面进行冲击滚压，以将呈所述微熔状态的所述待加工金属的表面冲击滚压平整；

其中，所述复合能执行器用于输出温度高于室温的高温激活能形式的复合能。

在一种可能的实现方式中，采用激光器对所述待加工金属的表面进行加工时，所述激光器的激光功率的取值范围为1000w～3000w；

所述激光器的焦距的取值范围为：150mm～200mm。

在一种可能的实现方式中，所述激光器的激光功率的取值为2200w。

在一种可能的实现方式中，所述待加工金属转动时的圆周面与所述车床的床面相垂直；

所述激光器与所述复合能执行器呈上下位置垂直设置；

其中，所述激光器的激光头与所述复合能执行器的冲击滚压头之间的垂直距离的取值范围为：10mm～20mm。

在一种可能的实现方式中，所述激光器的光斑与所述复合能执行器的高频冲击滚压激活点之间的距离的取值范围为：10mm～20mm。

在一种可能的实现方式中，所述激光器和所述复合能执行器沿所述车床的床面移动时的移动速率的取值范围为：0.01mm/s～0.05mm/s；

所述待加工金属转动时的线速度的取值范围为：50mm/s～100mm/s。

在一种可能的实现方式中，所述移动速率的取值为0.05mm/s；

所述线速度的取值为100mm/s。

在一种可能的实现方式中，所述复合能执行器的振动频率的取值为每秒3万次。

根据本申请的另一方面，还提供了一种金属表面加工装置，包括车床、移动机构、激光器、复合能执行器和工件固定机构；

所述移动机构安装在所述车床的旁侧，并可沿所述车床的床面移动；

所述激光器和所述复合能执行器固定安装在所述移动机构上，且

所述激光器和所述复合能执行器呈上下位置排列；

所述工件固定机构包括固定件；

所述固定件的主体呈柱状结构，且所述固定件的一端固定安装在所述车床的床面上；

所述固定件未与所述车床的床面相连接的一端设置有转动件，所述转动件与所述固定件的主体的中轴线垂直；

其中，所述转动件与所述固定件转动连接，以使所述转动件适用于固定安装待加工金属，并带动所述待加工金属转动；

其中，在所述待加工金属固定安装到所述转动件上时，所述待加工金属的表面朝向所述激光器和所述复合能执行器。

在一种可能的实现方式中，在所述转动件的转动方向朝向所述激光器和所述复合能执行器一侧时，所述激光器设置在所述复合能执行器的上方；

在所述转动件的转动方向背离所述激光器和所述复合能执行器一侧时，所述激光器设置在所述复合能执行器的下方。

本申请的金属表面加工技术，在进行金属表面加工过程中，先采用激光器对代加工金属的表面进行激光处理，使得待加工金属的表面状态呈半微流塑化状态后，再立即采用复合能执行器对呈半微流塑化状态的待加工金属的表面进行冲击滚压，将呈半微流塑化状态的待加工金属的表面冲击滚压平整，从而实现金属表面的镜面加工。其通过采用激光器和复合能执行器相结合的方式，利用激光技术和高能束的高频冲击滚压同步输出高温激活能形式的复合能的组合，对金属表面进行镜面加工，使得加工后的金属表面粗糙度达到了ra0.1以内，并且还有效解决了加工后刀纹遗留问题，从而实现了金属表面的超镜面加工。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出本申请实施例的金属表面加工方法的操作流程图；

图2示出采用本申请实施例的金属表面加工方法加工后的金属表面粗糙度检测结果图；

图3示出本申请实施例的金属表面加工装置的结构图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出根据本公开一实施例的金属表面加工方法的操作流程图。如图1所示，该方法包括：步骤S100，将待加工金属固定到车床上，控制位于车床的同一侧的激光器和复合能执行器沿车床的床面移动，并同时控制待加工金属转动。即，在控制激光器和复合能执行器沿车床的床面平移时，还控制待加工金属转动。其中，待加工金属转动时的圆周面与车床的床面相垂直。此处，还需要指出的是，激光器和复合能执行器设置在车床的旁侧，并位于车床的同一侧。本领域技术人员可以理解的是，激光器和复合能执行器沿车床的床面移动，指的是激光器和复合能执行器能够沿车床的边缘相对于待加工金属移动。

步骤S200，在控制激光器和复合能执行器移动并同时控制待加工金属转动的过程中，采用激光器对待加工金属的表面进行加工，使得待加工金属的表面温度升高，以使待加工金属的表面呈微熔状态。此处，需要解释说明的是，微熔状态指的是待加工金属的表面由固态向液态转换过程中处于固态与液态的临界状态。也就是说，本申请中的微熔状态指的是待加工金属的表面处于即将由固体转化成液态时的临界状态。此处，本领域技术人员可以理解的是，不同的金属其微熔状态的温度范围不同，此处不进行具体限定。

继而再通过步骤S300，采用复合能执行器对呈微熔状态的待加工金属的表面进行冲击滚压，以使呈微熔状态的待加工金属的表面冲击滚压平整。此处，需要说明的是，复合能执行器用于输出温度高于室温的高温激活能形式的复合能。也就是说，本申请中所提及到的复合能执行器指的是高能束的高频冲击滚压同步输出温度高于室温的高温激活能形式的复合能的设备。采用该设备进行镜面加工的方式可以称之为高能束的高频冲击滚压同步输出温度高于室温的高温激活能形式的复合能镜面加工技术，也可称之为超声波镜面加工技术。

由此，本申请的金属表面加工技术，在进行金属表面加工过程中，先采用激光器对待加工金属的表面进行激光处理，使得待加工金属的表面状态呈微熔状态后，再立即采用复合能执行器对呈微熔状态的待加工金属的表面进行冲击滚压，将呈微熔状态的待加工金属的表面冲击滚压平整，从而实现金属表面的镜面加工。其通过采用将激光器和复合能执行器相结合的方式，利用激光技术和高能束的高频冲击滚压同步输出高温激活能形式的复合能的组合，对金属表面进行镜面加工，使得加工后的金属表面粗糙度达到了ra0.1以内，并且还有效解决了加工后刀纹遗留问题，从而实现了金属表面的超镜面加工。

此处，需要说明的是，在本申请的金属表面加工方法中，其通过首先采用激光器对待加工金属的表面进行加工(即，采用激光技术对待加工金属的表面进行激光处理)，使得待加工金属的表面温度升高，从而将待加工金属的表面由固态转换为微熔状态。进而再采用复合能执行器对待加工金属的表面进行冲击滚压高温激活，从而使得已经处于微熔状态的金属表面由原来的微凹凸峰谷面被瞬间冲击滚压激活平整，同时把金属表面组织排列为晶粒组织纳米化，有效提高了金属表面加工后的表面纤维硬度，同时还形成了超镜面加工效果。相较于相关技术中直接采用高能束的高频冲击滚压加工技术，不仅使得加工后的金属表面粗糙度直接降低至ra0.1以内，同时还将金属表面纤维硬度提高洛氏8度～10度以上，消除了机加工产生的拉应力，同时预置为压应力，提升了疲劳强度，消除了加工后预留的刀纹，耐磨耐腐蚀得到更大提高，简化节省了加工流程，从而大幅度提高了加工效率和加工效果。

其中，在本申请的金属表面加工方法中，采用激光器对待加工金属的表面进行加工时，激光器的激光功率的取值范围可以设置为1000w～3000w；激光器的焦距的取值范围为：150mm～200mm。通过将激光器的激光功率设置为1000w～3000w，将激光器的焦距设置为150mm～200mm，能够较好的控制待加工金属的表面由固态转变为微熔状态的过程，既避免了激光功率过大导致待加工金属的表面直接由固态转变为液态的情况，同时还防止了激光功率过小使得待加工金属的表面进行状态的转变过程较长，从而影响后续复合能执行器对待加工金属的表面的再处理。此处，需要指出的是，在一种可能的实现方式中，激光器的激光功率可以设置为2200w。

进一步的，由于本申请的金属表面加工方法中，在对待加工金属的表面进行超镜面加工时，结合了激光技术和高能束的高频冲击滚压同步输出温度高于室温的高温激活能形式的复合能镜面加工技术。即，首先采用激光技术对待加工金属的表面进行加工，然后再立即采用复合能镜面加工技术对待加工金属的表面进行再处理。因此，按照激光技术和复合能镜面加工技术的执行先后顺序，可以对激光器和复合能执行器的安装位置进行设置。

其中，由于在对待加工金属的表面进行加工时，待加工金属处于转动状态。因此，激光器和复合能执行器的相对安装位置关系可以根据待加工金属的转动方向设置，只要保证在待加工金属的转动过程中，激光器和复合能执行器均能够对着待加工金属的表面，并能够按照先后顺序依次对待加工金属当前转到的表面进行处理即可。

如，在一种可能的实现方式中，在待加工金属转动时的圆周面与车床的床面相垂直时，激光器与复合能执行器呈上下位置垂直设置。更加具体的，在待加工金属的转动方向为朝向激光器和复合能执行器时，激光器设置在复合能执行器的上方。在待加工金属的转动方向背离激光器和复合能执行器时，激光器则设置在复合能执行器的下方。此处，需要指出的是，待加工金属的转动方向指的是处于面向待加工金属的悬空端的位置处所观察到的转动方向。

其中，在激光器与复合能执行器按照上下位置关系设置时，激光器的激光头与复合能执行器的冲击滚压头之间的垂直距离可以设置在10mm～20mm之间。对应的，激光器发出的激光的光斑与复合能执行器发出的冲击滚压能的高频冲击滚压激活点之间的距离的取值范围在10mm～20mm之间。通过将激光器的激光头与复合能执行器的冲击滚压头之间的垂直距离设置在10mm～20mm之间，有效保证了采用激光技术对待加工金属的表面进行加工与采用复合能镜面加工技术对待加工金属的表面进行加工之间的时间间隙，从而在采用激光技术对待加工金属的表面加工之后，能够立即采用复合能镜面加工技术对待加工金属的表面进行再处理。

并且，由于在本申请的金属表面加工方法中，在对待加工金属的表面进行加工过程中，激光器和复合能执行器均处于运行状态，直至将待加工金属的表面全部处理完成之后才会停止。因此，通过将激光器的激光头与复合能执行器的冲击滚压头之间的距离设置在10mm～20mm之间，还有效避免了激光器与复合能执行器距离过近而导致激光器发出的激光与复合能执行器发出的冲击滚压光(即，复合能执行器所输出的高温激活能)混合的情况。从而既达到了激光器发出的激光与复合能执行器发出的冲击滚压光的互不干涉的目的，同时还保证了采用激光技术对待加工金属的表面进行处理与采用复合能镜面加工技术对待加工金属的表面进行处理之间的时间间隙尽量短的效果。

更进一步的，由于在本申请的金属表面加工方法中，在对待加工金属的表面进行超镜面加工过程中，待加工金属的转动速率、以及激光器和复合能执行器的移动速率对待加工金属的表面加工效果以及待加工金属的全表面加工至关重要。因此，在一种可能的实现方式中，激光器和复合能执行器沿车床的床面移动时的移动速率的取值范围可以设置为0.01mm/s～0.05mm/s，待加工金属转动时的线速度的取值范围可以设置为：50mm/s～100mm/s。

通过将激光器和复合能执行器的移动速率设置在0.01mm/s～0.05mm/s之间，并同时将待加工金属转动时的线速度设置在50mm/s～100mm/s，使得在结合激光技术和复合能镜面加工技术对待加工金属的表面依次进行处理过程中，既避免了激光器和复合能执行器移动过快或待加工金属转动过快，导致采用激光技术对待加工金属的当前表面位置加工处理后来不及采用复合能镜面加工技术对待加工金属的当前表面位置进行处理的情况，同时还避免了激光器和复合能执行器移动过慢或待加工金属转动过慢导致不必要的能源浪费的情况。

同时，通过将激光器和复合能执行器的移动速率设置在0.01mm/s～0.05mm/s之间，并将待加工金属转动时的线速度设置在50mm/s～100mm/s，使得激光器和复合能执行器的移动与待加工金属的转动达到适当的配合，从而保证在对待加工金属的表面进行加工处理时，待加工金属的表面的任一位置均能够被激光器和复合能执行器依次进行处理，从而也就更进一步地提高了金属表面的超镜面加工效果，提高了金属表面加工处理的均匀性和完整性。

其中，在一种可能的实现方式中，移动速率的取值可以设置为0.05mm/s；线速度的取值可以设置为100mm/s。

另外，还需要指出的是，在采用复合能执行器对呈微熔状态的待加工金属的表面进行再次加工处理时，复合能执行器的震动频率的取值可以设置为每秒3万次。

参见图2，为采用本申请的金属表面加工方法对某一工件的表面进行超镜面加工处理后，对该工件的表面进行表面粗糙度检测时的检测结果图。其中，根据图2所示的检测结果可以明确得出，采用本申请的金属表面加工方法对工件表面进行加工后，所得到的工件表面粗糙度有效减小到了ra0.13。同时，还可以观察到采用本申请的金属表面加工方法加工后的工件表面平整，无刀纹遗留，达到了超镜面效果。

由此，本申请的金属表面加工方法，通过控制激光器和复合能执行器沿车床的床面移动，并同时控制待加工金属转动。在待加工金属转动过程中，先采用激光器对待加工金属的表面中当前正对激光器的位置进行激光处理，以使当前正对激光器的待加工金属的表面处温度升高呈微熔状态，进而再通过复合能执行器对呈微熔状态的待加工金属的表面处进行冲击滚压，从而达到待加工金属的超镜面加工效果。

其中，由于待加工金属在加工过程中一直处于转动的状态，同时，激光器和复合能执行器处于移动状态，通过激光器和复合能执行器的移动来实现对待加工金属的表面的各个位置处的加工处理，因此激光器和复合能执行器可以一直处于运行状态，不需要进行反复开关操作即可实现对待加工金属的全表面的加工处理。这也就有效简化了加工操作流程，进一步提高了加工效率。

并且，还需要指出的是，由于本申请的金属表面加工方法，通过采用激光器和复合能执行器先后对待加工金属的表面进行处理，利用激光技术和高能束的高频冲击滚压同步输出高温激活能形式的复合能的组合进行金属表面的超镜面加工，在这一加工过程中，只需要同时开启激光器和复合能执行器，并控制激光器和复合能执行器按照一定的速率移动，控制待加工金属按照一定的速率转动，使得待加工金属在转动状态下，按照一定的移动速度通过激光器的激光点和复合能执行器的冲击滚压点即可。在这一加工过程中，不仅实现了待加工金属的持续加工，同时没有任何废气废水的产生，实现了节能减排，降耗高效的效果。

此外，基于前面任一所述的金属表面加工方法，本申请还提供了一种金属表面加工装置。由于本申请提供的金属表面加工装置的工作原理与本申请提供的金属表面加工方法的原理相同或相似，因此重复之处不再赘述。

参阅图3，在本申请的金属表面加工装置中，包括车床110、移动机构120、激光器130和复合能执行器140、工件固定机构150。其中，激光器130复合能执行器140移动机构120固定安装在车床110的旁侧，并可沿车床110的床面111移动。激光器130和复合能执行器140固定安装在移动机构120上，并且激光器130和复合能执行器140呈上下位置排列。

其中，参阅图3，工件固定机构150包括固定件151；固定件151的主体呈柱状结构，且固定件151的一端固定安装在车床110的床面111上车床110床面111可移动连接。固定件151未与车床110的床面111相连接的一端设置有转动件152，转动件152与固定件151的主体的中轴线垂直，并与固定件151转动连接以使转动件152固定安装待加工金属200，并带动待加工金属200转动。在待加工金属200固定安装到转动件152上时，待加工金属200的表面朝向激光器130和复合能执行器140。

在一种可能的实现方式中，在转动件152的转动方向朝向激光器130和复合能执行器140一侧时，激光器130设置在复合能执行器140的上方；在转动件152的转动方向背离激光器130和复合能执行器140一侧时，激光器130设置在复合能执行器140的下方。

其中，需要指出的是，在本申请的金属表面加工装置中，由于车床110、激光器130、复合能执行器140均可以采用现有的设备来实现，因此此处不再对上述部件的具体结构进行阐述。

同时，还需要指出的是，参阅图3，在一种可能的实现方式中，工件固定结构中的固定件151可以直接采用一矩形块的工件来实现。其中，矩形块的工件的一端固定安装在车床110的床面111上。转动件152的一端插设在固定件151的第一端面上，并与该固定件151的第一端面转动连接，转动件152的另一端设置有用于固定夹持待加工金属200的夹持部。将待加工金属200的一端固定到夹持部上，进而再通过将电机的输出轴与转动件152进行连接，从而由电机控制转动件152转动，进而在转动件152的转动下带动待加工金属200转动。

进一步的，移动机构120沿车床110的床面111的移动可以通过在车床110的床面111或车床110的边缘位置处上设置一导轨(图中未示出)，移动机构120的主体同样采用一矩形块来实现。其中，矩形块结构的移动机构120与车床110的床面111相连接的一端处设置一滚轮(图中未示出)，该滚轮安装在导轨上，通过滚轮与导轨的相配合，滚轮在电机的驱动下即可带动移动机构120在导轨上的移动，从而实现移动机构120在车床110的床面111上的可移动连接。

其中，还需要指出的是，在车床110的床面111或边缘位置处设置导轨时，导轨的长度应当大于或等于待加工金属200的长度。并且，导轨的起点设置在待加工金属200的固定安装端(即，待加工金属200与转动件152相连接的一端)处；或者是，导轨的起点设置在固定件151与车床110的床面111固定连接的位置处。导轨的终点则可以设置在待加工金属200的悬空端末端位置处。从而使得导轨的长度大于待加工金属200的长度，以保证激光器和复合能执行器在移动机构的移动下能够对待加工金属200的表面的所有位置均进行加工处理。

此处，需要说明的是，激光器130和复合能执行器140在移动机构120上的固定安装结构、电机对转动件152的驱动以及电机对移动机构120的驱动，转动件152固定安装待加工金属200的结构等均可以采用本领域的常规技术手段来实现。因此此处不再进行赘述。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种金属表面加工方法，其特征在于，包括：

将待加工金属固定到车床上，控制位于所述车床的同一侧的激光器和复合能执行器沿所述车床的床面移动，并同时控制所述待加工金属转动；

采用所述激光器对所述待加工金属的表面进行加工，以使所述待加工金属的表面呈微熔状态；

采用所述复合能执行器对呈微熔状态的所述待加工金属的表面进行冲击滚压，以将呈所述微熔状态的所述待加工金属的表面冲击滚压平整；

其中，所述复合能执行器用于输出温度高于室温的高温激活能形式的复合能。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用激光器对所述待加工金属的表面进行加工时，所述激光器的激光功率的取值范围为1000w～3000w；

所述激光器的焦距的取值范围为：150mm～200mm。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光器的激光功率的取值为2200w。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待加工金属转动时的圆周面与所述车床的床面相垂直；

所述激光器与所述复合能执行器呈上下位置垂直设置；

其中，所述激光器的激光头与所述复合能执行器的冲击滚压头之间的垂直距离的取值范围为：10mm～20mm。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激光器的光斑与所述复合能执行器的高频冲击滚压激活点之间的距离的取值范围为：10mm～20mm。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述激光器和所述复合能执行器沿所述车床的床面移动时的移动速率的取值范围为：0.01mm/s～0.05mm/s；

所述待加工金属转动时的线速度的取值范围为：50mm/s～100mm/s。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述移动速率的取值为0.05mm/s；

所述线速度的取值为100mm/s。

8.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述复合能执行器的振动频率的取值为每秒3万次。

9.一种金属表面加工装置，其特征在于，包括车床、移动机构、激光器、复合能执行器和工件固定机构；

所述移动机构安装在所述车床的旁侧，并可沿所述车床的床面移动；

所述激光器和所述复合能执行器固定安装在所述移动机构上，且

所述激光器和所述复合能执行器呈上下位置排列；

所述工件固定机构包括固定件；

所述固定件的主体呈柱状结构，且所述固定件的一端固定安装在所述车床的床面上；

所述固定件未与所述车床的床面相连接的一端设置有转动件，所述转动件与所述固定件的主体的中轴线垂直；

其中，所述转动件与所述固定件转动连接，以使所述转动件适用于固定安装待加工金属，并带动所述待加工金属转动；

其中，在所述待加工金属固定安装到所述转动件上时，所述待加工金属的表面朝向所述激光器和所述复合能执行器。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，在所述转动件的转动方向朝向所述激光器和所述复合能执行器一侧时，所述激光器设置在所述复合能执行器的上方；

在所述转动件的转动方向背离所述激光器和所述复合能执行器一侧时，所述激光器设置在所述复合能执行器的下方。

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