CN1401457A - 摩擦副表面的激光复合处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于摩擦副表面的激光复合处理，特别是内燃机气缸孔表面的处理，可在气缸孔表面形成耐磨的硬化层和可供润滑的微观几何形貌。其对磨损最严重的区域进行激光复合处理，形成具有微压力室效的一系列微观凹腔和耐磨抗冲击的硬化表面；对其他磨损的区域实施微观几何形貌激光造型，形成与其润滑性能要求优化匹配的连续均匀的、纵横交错的贮油润滑油路；且分别利用两种不同的激光器和激光参数进行微观凹腔、几何形貌激光造型处理；并根据硬化效果设置微观凹腔分布和形状。本发明的优点是将激光相变硬化技术和激光微细加工技术进行综合运用，从根本上改善了磨擦副表面磨损最严重的区域的润滑状况。
Description
所属技术领域
本发明涉及机械加工领域，特指摩擦副表面的激光复合处理方法，它特别适用于内燃机气缸孔表面的处理，经过处理，在气缸孔表面形成耐磨的硬化层和可供润滑的微观几何形貌。
背景技术
众所周知，在一般机械装置系统中，存在着各种形式的摩擦副。这些摩擦副的摩擦学行为不仅影响机械系统的运行效率，甚至是导致其失效的主要原因。气缸孔和活塞环是内燃机中最关键的摩擦副之一，直接影响内燃机的使用寿命和性能。由于其工作在高温、高压、高速的恶劣条件下，易发生各种磨损，因此有必要提高抗磨减磨性能。而抗磨减磨性能与以下四个因素有关，即气缸孔表面粗糙度、与活塞环的配伍性、气缸孔表面硬度及表面的润滑状态。为了提高气缸孔表面粗糙度和气缸孔与活塞环的几何配伍性，目前气缸孔表面最终加工所采用的方法是珩磨。在粗珩和精珩后，再进行平顶珩磨，在机加工方面，就目前的手段和方法，已发挥至极尽，没有多少潜力可挖掘了。为了提高表面硬度，人们尝试过各种热处理方法，但由于是铸铁材料，存在石墨相，因此收效甚微。现在国内一些厂家开始采用激光热处理方法，可以大幅度提高表面硬度，但激光热处理易使气缸孔发生变形，需要安排较长时间的后续珩磨工序，显著地增加了成本，而且还可能因参数设置不当，使气缸孔与活塞环之间产生“挫板”效应。为了改善表面的润滑状况，德国专利(DE4316012)提出利用具有一定能量密度的激光束，在表面形成纵横交错的润滑油路和贮油凹腔，但是材料的表面硬度没有提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种能提高耐磨减磨性能的摩擦副表面的激光复合处理方法。它能在大幅度提高摩擦副表面硬度的同时，又显著地改善表面的润滑状况。
实现本发明的技术方案为：
其特征在于对磨损最严重的区域进行激光复合处理，形成具有微压力室效的一系列微观凹腔和耐磨抗冲击的硬化表面。对其他磨损的区域实施微观几何形貌激光造型，形成与其润滑性能要求优化匹配的连续均匀的、纵横交错的贮油润滑油路。且分别利用两种不同的激光器和激光参数对磨损最严重的区域进行激光微观凹腔造型和相变硬化复合处理，在其它部位表面实施微观几何形貌激光造型处理。
采用Nd：YAG激光束对磨擦副表面磨损最严重的区域进行表面微观凹腔造型。利用飞秒脉冲激光，对其它部位表面实施微观几何形貌激光造型处理。根据硬化效果设置微观凹腔分布和形状。油路既相互交叉又相互平行，并通过交汇点而相互连通。
本发明的优点是将激光相变硬化技术和激光微细加工技术进行综合运用。
(1)在磨擦副表面磨损最严重的上止点附近区域，根据弹流润滑理论，优化设置系列微观凹腔，利用摩擦副运动表面的挤压效应，使这些凹腔具有微观压力室的作用，有利于在卷吸速度很小的情况下，建立起具有一定最小厚度的弹性润滑油膜，同时，这些微观凹腔还具有蓄油池和聚集微小颗粒的双重作用，这从根本上改善了磨擦副表面磨损最严重的区域的润滑状况。
(2)激光束在进行这些微观凹腔造型时所具有的热效应，可同时对摩擦副表面实施相变硬化处理，在此区域内形成一层耐磨的硬化层，大幅度提高了磨擦副表面磨损最严重区域的耐磨抗磨性能。
(3)以这些微观凹腔为中心形成的硬质点，对表面具有钉扎作用，大大提高了表面强度和抗冲击性能。
(4)由于在磨擦副表面磨损最严重的区域的运动速度较慢以及较好的润滑条件，活塞环的耐磨性也得以提高。
(5)在摩擦副其他区域，利用飞秒高频脉冲激光束，刻划出与润滑性能要求优化匹配的、连续均匀的、并具有一定密度(间距)、宽度、深度、角度、形状的贮油润滑。由于激光脉冲宽度是飞秒量级，激光与表面材料的作用属于“冷加工”，没有热效应，避免了油路内外熔碴和碳化现象。油路光滑平整，工件表面的毛刺、颗粒、飞边等大为减少。
(6)设置在工件表面的四通八达、分布均匀、相互连通的油路，有利于润滑油的输送和贮存，减少了贫油现象，保证气缸孔和活塞环之间具有一定最小厚度油膜的形成和保持，以形成完全流体润滑，显著地改善了表面的润滑状况。
附图说明
本发明由以下实施例及附图作具体说明。
图1是激光表面复合处理装置示意图。
图2是气缸孔工作表面激光复合处理分布示意图。
图3表示的是上止点附近区域上激光复合处理放大示意图。
图中1.激光发生器 2.外光路系统 3.激光输出头 4.反射镜
5.透镜 6.反射镜 7.工件 8.微观凹腔 9.硬化层
10.油路 11.交汇点
具体实施方式
如图1所示，该装置包括激光发生器(1)、激光输出头(3)和由反射镜(4)、透镜(5)、反射镜(6)组成的外光路系统(2)三个主要部分。激光发生器(1)产生的激光经反射镜(4)到透镜(5)进行聚集，再经反射镜(6)照射到工件(7)表面上。通过激光输出头(3)上下往复运动和工件(7)自身的旋转运动，或激光输出头(3)自身旋转运动，或激光输出头(3)内的反射镜(6)的旋转运动，可以合成各种形状的激光扫描轨迹，从而实现对工件所需区域上的表面激光复合处理。
如图2、3所示，本发明的实施例为处理气缸孔表面。在气缸孔经过最终机械珩磨精密加工之后，形成可供激光复合处理的原始表面。原始表面的粗糙度Rz为1-2um，保证表面微观几何形貌主要取决于激光复合处理。根据气缸孔的润滑与磨损特征，可将其表面划分为三个不同的区域，即I、II、III。区域I为上止点附近区域，区域II为冲程中部区域，区域III为下部区域。由于所承受的载荷、润滑状况等工作条件的不同，区域I磨损最为严重，区域II次之，区域III最轻。因此，不同区域上的激光复合处理也相应不同。对气缸孔表面实施激光复合处理分两步进行。第一步，利用YAG激光器，在区域I上，设置分布均匀、间距密集、彼此孤立的微观凹腔，同时利用激光束的热效应进行表面相变硬化处理。第二步，利用飞秒脉冲激光，在区域II和区域III上，形成与润滑性能要求优化匹配的、连续均匀的、并具有一定间距、宽度、深度、夹角为α的网纹交叉状的润滑贮油油路。
利用图1所示的装置，将具有一定斑点大小的激光束，通过输出头(3)和工件(7)的合成运动，照射到工件表面形成一系列微观凹腔(8)，凹腔周围区域的阴影部分为硬化层(9)。凹腔的口径为30～80μm，深度为15～30μm，每平方毫米内的数为2×2～6×6个。
油路(10)是网纹交叉形状，并通过交汇点(11)相互连通，均匀地分布在工件表面上。油路(10)之间的夹角α为20°～70°，间距为0.1～1mm，油路(10)宽度为10～70um，深度为5～15um。
通过内燃机台架试验表明，激光表面复合处理技术，能取得如下的效果：气缸孔耐磨性提搞了4倍以上，与之配合的活塞环磨损量下降了50％，机油消、HC排放量、燃油耗和催化器污染也明显下降。
本发明所述实施例仅用于说明本发明，而不进行限制。
Claims (7)
1.摩擦副表面的激光复合处理方法，其特征在于对磨损最严重的区域进行激光复合处理，形成具有微压力室效应的一系列微观凹腔和耐磨抗冲击的硬化表面。
2.根据权利要求1所述的摩擦副表面的激光复合处理方法，其特征在于对其他磨损的区域实施微观几何形貌激光造型，形成与其润滑性能要求优化匹配的连续均匀的、纵横交错的贮油润滑油路。
3.根据权利要求2所述的摩擦副表面的激光复合处理方法，其特征在于分别利用两种不同的激光器和激光参数对磨损最严重的区域进行激光微观凹腔造型和相变硬化复合处理，在其它部位表面实施微观几何形貌激光造型处理。
4.根据权利要求1所述的摩擦副表面的激光复合处理方法，其特征在于采用YAG激光束对磨擦副表面磨损最严重的区域进行表面微观凹腔造型。
5.根据权利要求1所述的摩擦副表面的激光复合处理方法，其特征在于利用飞秒脉冲激光，对其它部位表面实施微观几何形貌激光造型处理。
6.根据权利要求1所述的摩擦副表面的激光复合处理方法，其特征在于根据硬化效果设置微观凹腔分布和形状。
7.根据权利要求2所述的摩擦副表面的激光复合处理方法，其特征在于油路既相互交叉又相互平行，并通过交汇点而相互连通。
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