CN1254100A - 一种实施无补偿角激光网格扫描的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新的实施无补偿角网格扫描的方法。依据设置的与工件自身特性、网格自身特性和激光淬火工艺参数相关连的六个参数,求出供数控系统操作的四项执行参数。采用数控系统实施时,设置的六个参数在界面上显示,按本发明方法由计算机求出四项执行参数,直接进行网格扫描,从而实现了采用任意设定的激光淬火工艺参数实施任意设定网格的无补偿角扫描,整个操作过程也更为简化。

Description

一种实施无补偿角激光网格扫描的方法

本发明属于激光技术应用领域中的一种激光加工方法。

激光网格扫描通常是指对发动机缸体、缸套等内孔件和曲轴等轴类件表面进行激光硬化处理的最常采用的方式。从原理讲，这种方法是通过激光束相对于工件表面转动和进给合成单条扫描螺旋线的，借助于两组各将园围均分并且旋向相反的螺旋线相互交叉形成的均匀硬化带网格，从而十分有效的提高工件的耐磨性。

所谓无补偿角网格扫描法，是指在激光束相对工件的转向不变的条件下，通过n次往返扫描形成两组各为n条螺旋线相交的均匀网格时，每次往返扫描的转角(即扫描起点与终点同工件横截面园心所构成的园心角)恰好符合将园围分成n等份的要求，因而无需进行角度平移补偿即可形成均匀网格的扫描方法。

无补偿角扫描网格特征如图1所示，图中两条硬化带交叉所构成的角α，定义为硬化带交角。

采用数控系统实施无补偿角网格扫描，所需设置的最基本参数，即执行参数是激光束相对工件表面的旋转角速度β、激光束相对工件的轴向进给速度V_进、激光束扫描往返次数n、激光加工区长度L。只要这四项参数匹配适当，即可形成均匀网格。

以往的无补偿角网格扫描方法，通常是通过设置上述四项执行参数实施的。这四项待设置参数在数控系统的界面上显示，由于这四项参数需要一定的匹配，因此，只能有三项任意设置，而另一项需计算确定后再输入。这给操作带来很大不便。更主要的是这种参数设置方法即未同硬化面积比和硬化带交角这两项网格自身特性参数相关连，也未同激光扫描速度和硬化带宽度这两项激光硬化处理参数相关连，因而也给网格的设计和淬火工艺参数的选择带来很大的不便。

为了克服上述缺点，本发明的目的在于寻找一种新的实施无补偿角网格扫描方法，使网格扫描设置参数与网格自身特性和激光淬火工艺参数相关连，并且借助于数控技术可方便的予以实施，从而可根据实际需要任意设定网格和激光扫描工艺参数，操作过程也可得到极大的简化。

本发明的详细内容是：首先设置六个参数，它们是：

(1).被扫描工件的内孔或外园的直径D；

(2).被扫描的工件的激光加工区长度L；

(3).激光硬化带宽度W；

(4).激光扫描速度V；

(5).激光硬化面积比η；

(6).激光硬化带交角α；

D和L是被扫描工件的自身参数，W和V是与激光硬化工艺相关连的参数，η和α是与激光硬化网格自身特性相关连的参数，这六个设置的参数，除了第(3)项激光硬化带宽度W需根据激光淬火工艺条件实际测量外，其他五个参数均可自由赋值。

第二、是利用所设置的六个参数，求出满足与无补偿角网格扫描相关的执行参数，具体方法是：

①引入有效参数a，此处有效参数a是指可大于往返次数n(正整数)，且与其互质(即没有公约数)的正整数，其意义为每次往返扫描转角只要符合于

则经n次往返扫描即可形成n条螺旋线相交的无补偿角网格；

②求往返扫描次数n的参考值n′，表示式为： $n^{\′}=\frac{\mathrm{\πD\η}.\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}}{2w}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

③求有效系数a的参考值a′，表示式为： $a^{\′}=\frac{L.\mathrm{\η}.\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}{w}\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

④确定往返扫描次数几和有效系数a的值

  n和a分别取最接近n′和a′的正整数，取值后的n和a要满足互质，即没有公约数的条件

⑤求扫描激光束相对工件旋转的角速度β，表示式为：

⑥求扫描激光束相对工件轴向的进给速度V_进，表示式为：

  V_进＝V·cosα/2……(5)

上述计算所用参数均是首先设置的六个参数。

第三、确定的四项执行参数n、L、β、V_进，由数控系统控制实施无补偿角网格扫描。

原理说明：由设置的六个参数，求解出四个执行参数，是基于下述原理及思考推导出来的：

n′是在不考虑硬化带交叉处面积对设置的硬化面积比影响的条件下，利用网格硬化带展开总面积等于淬火区总面积与硬化面积比之积的关系求出的。其中，硬化带展开长度是由网格扫描总时间与扫描速度相乘得出，而扫描总时间则为两倍的淬火区长度与往返次数参考值之积被轴向进给速度相除得到的。

a′是通过激光束一次往返扫描转过的弧度求出其转角再除以360°/n得出的。其中，转过的弧长可由激光束旋转速度(V·sinα/2)与一次往返扫描时间相乘得出。利用激光束转过的弧长与工件周长之比可求出其对应的转角。利用两倍的淬火区长度除以轴向进给速度可求出一次往返扫描时间。

由于所设置的六个参数是可以任意赋值的，因此，赋值后参数往返不符合无补偿角网格扫描的要求。所以，对计算得出的n′和a′必须进行修正，按第二之4的要求确定其值。

当n和a的值确定后，则按式(1)可求出单次往返扫描的转角，将其除以两倍淬火区长度可得到单位轴向进给长度的激光束旋转角度，再乘以轴向进给速度得出激光束旋转角度。

就这样通过设置的六个参数，求解出四个执行参数n、L、β和V_进。

本发明的积极效果：由于设置的六项参数包含了硬化面积比和硬化带交角这两项与网格自身特性相关连的参数，以及激光扫描速度和硬化带宽度这两项与激光淬火工艺相关连的参数，因而给网格设计和淬火工艺参数的选择带来很大方便，实现了按任意设定的激光淬火参数实施所要求的网格，无补偿角扫描。

附图说明：图1是无补偿角扫描网格的特征示意图，摘要附图亦采用图1。

最佳实施例：按本发明方法，首先设置六个参数，再按第二步求解出四个执行参数，采用数控系统实施上述过程，六个待设置参数为界面显示参数，直接控制执行参数进行无补偿角网格扫描。

采用独立的机械运动机构，分别实现激光束旋转角速度和进给速度的任意匹配。

Claims (1)

1.一种实施无补偿角激光网格扫描的方法，是通过设置激光束相对工件表面的旋转角速度、激光束相对工件轴向进给速度、激光扫描往返次数、激光加工区长度四项执行参数实施无补偿角激光网格扫描的，其特征在于：首先设置六个参数，它们是：

(1).被扫描工件的内孔或外园的直径D；

(2).被扫描的工件的激光加工区长度L；

(3).激光硬化带宽度W；

(4).激光扫描速度V；

(5).激光硬化面积比η；

(6).激光硬化带交角α；

D和L是被扫描工件的自身参数，W和V是与激光硬化工艺相关连的参数，η和α是与激光硬化网格自身特性相关连的参数，这六个设置的参数，除了第(3)项激光硬化带宽度W需根据激光淬火工艺条件实际测量外，其他五个参数均可自由赋值；

第二、是利用所设置的六个参数，求出满足与无补偿角网格扫描相关连的执行参数，具体方法是：

①引入有效参数a，此处有效参数a是指可大于往返次数n(正整数)，且与其互质(即没有公约数)的正整数，其意义为每次往返扫描转角只要符合于

则经n次往返扫描即可形成n条螺旋线相交的无补偿角网格；

②求往返扫描次数n的参考值n′，表示式为： $n^{\′}=\frac{\mathrm{\πD\η}.\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}}{2w}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

③求有效系数a的参考值a′，表示式为： $a^{\′}=\frac{L.\mathrm{\η}.\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}{w}\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

④确定往返扫描次数n和有效系数a的值

  n和a分别取最接近n′和a′的正整数，取值后的n和a要满足互质，即没有公约数的条件

⑤求扫描激光束相对工件旋转的角速度β，表示式为：

⑥求扫描激光束相对工件轴向的进给速度V_进，表示式为：

  V_进＝V·cosα/2……(5)

上述计算所用参数均是首先设置的六个参数；

第三、确定的四项执行参数n、L、β、V_进，由数控系统控制实施无补偿角网格扫描。

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