CN1861844A - 一种增强金属工件表面的仿生非光滑工艺方法和制备装置 - Google Patents

Abstract

一种增强金属工件表面的仿生非光滑工艺方法和制备装置属于金属材料加工领域，目的是提供一种能有效提高金属表面抗热疲劳性和耐磨性的工艺方法及制备装置。本发明采用涂敷粉末，在金属工件表面添加的化学元素为Cr：0～20％，Mn：0～20％，Si：0～3％，Mo：0～5％，Ni：0～5％，W：0～20％，Co：0～10％，B：0～10％，并利用激光加热，使金属工件表面形成单元体形态分别为点阵、条纹、网格状的非光滑表面的工艺方法，金属工件的材料为可以激光加热的金属材料，为实施上述工艺方法，研制了由控制单元分别与激光器的通信接口和数控工作台的微机基本系统相连的制备装置，能有效提高金属表面抗热疲劳性和金属表面耐磨性，且性能价格比好，生产效率高。

Description

一种增强金属工件表面的仿生非光滑工艺方法和制备装置

技术领域

本发明属于金属材料加工领域。

背景技术

仿生学是未来新材料设计和制造的潜在的最有效途径。通过对某些生物如蜣螂、海生贝类、穿山甲、蛇、蜥蜴、竹材等的研究发现，生物体表具有的耐磨、抗挤压、抗裂纹等功能与其体表的非光滑形态有密切关系。这是生物经过亿万年的进化优化，逐渐形成与生存环境相适应的特征。在对土壤动物的研究中，发现土壤动物出入于粘性较大的粪便和土壤，经受磨损，能自由行动，身体很少粘附粪便和泥土，这是因为动物非光滑体表凹入部位易集留空气，可减轻大气负压，从而降低体表与粪便和土壤之间的粘附，起到减粘脱附的作用。凸起部位较硬，除含有基体中的元素外，还含有一些其它元素，其作用主要是承受着粪便和土壤的挤压与摩擦，抵抗磨损。又如海螺表面，由许多凹凸不平，方向各异的层片交叉迭合而成，层片取向和凹凸度与贝壳表面的硬度、韧性分布密切相关。研究表明，此交叉层片结构在阻止裂缝发展方面具有明显优势。再如昆虫表皮，在显微镜下也是非光滑结构，且体表的不同位置硬度各不相同，这在昆虫表皮产生不同的应力分布，该结构为昆虫提供了轻便、高强度和韧性的保护。

在对生物体表非光滑形态的结构和静态学、动力学性能的理论研究中，形成了仿生非光滑单元体形态的设计思想，并把它运用到金属表面强化领域，形成了仿生非光滑单元体增强金属工件的工艺方法。

工程仿生学在材料学科领域的研究刚刚兴起，目前为止还没有专门的设备来实现仿生非光滑单元体增强金属工件。

发明内容

本发明的目的是提供一种能有效提高金属表面抗热疲劳性和耐磨性的工艺方法及制备装置。

下面对本发明作详细描述：

一、增强金属工件表面的仿生非光滑工艺方法

仿生非光滑是指模仿自然界中生物体不光滑、组织结构规律变化的外表，在金属工件光滑、组织结构均匀的表面加工形成一系列规律分布的单元体，这些单元体在工件表面形成一定的起伏，而且具有与基体截然不同的组织或化学成分，它们在工件表面会起到提高工件耐热疲劳和耐摩擦磨损的性能。

本发明提供的增强金属工件表面的仿生非光滑工艺方法，其具体步骤为：

A.在金属工件表面，采用涂敷粉末的方法，添加化学元素，化学元素为Cr：0～20％，Mn：0～20％，Si：0～3％，Mo：0～5％，Ni：0～5％，W：0～20％，Co：0～10％，B：0～10％。

B.在金属工件表面，利用激光加热的方法，加工非光滑表面，非光滑表面的单元体形态分别为点阵、条纹、网格状；其中点阵的点直径W1为0.01～10mm，深度为0.01～8mm，间距S1、S2为2～60mm，硬度HV 300～900；其条纹的宽度W2为0.01～10mm，深度为0.01～8mm，间距S3为2～50mm，倾角α分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°或90°，硬度HV 300～900；其网格的宽度W3为0.01～10mm，深度为0.01～8mm，间距S4、S5为2～50mm，硬度HV 300～900。

采用的金属工件的材料为可以激光加工的金属材料。

本发明形成的仿生非光滑单元体具有三个层次的非光滑意义，下面进行阐述：

1、形态非光滑  是指激光加工过后，在原来光滑的工件表面形成凸凹不平的单元体形态，并且这些单元体的显微组织与基体的组织截然不同。在形态非光滑中，非光滑单元体形态由单元体的分布规律和特性组成。分布规律是指加工面上单元体在排布方式和排布密度上服从的规则性。特性由激光处理区的宽度、深度和单元体与基体之间的硬度差决定，非光滑表面的形态为如上所述的点阵、条纹和网格状。

2、化学成分非光滑  是指在工件表面涂敷一层厚度均匀、化学成分与基体有一定区别的合金粉末。合金粉末成分根据要实现的目的决定，在激光加工过程中，合金粉末熔化在处理区熔池中。熔池冷却后形成化学成分与基体不同的非光滑单元体。

3、组织非光滑  是指激光加工或添加合金元素，使单元体具有了与基体不同的显微组织。激光加工可以改变单元体的组织，根据激光功率的大小可以形成退火组织、淬火组织或重熔组织，还可以细化晶粒，使晶粒度最高达到九级。添加的合金元素熔解到处理区熔池里，与熔池中原有的元素反应，可以生成金属间化合物或其他产物，它们在单元体里弥散分布，可以起到细晶强化和第二相硬质点强化的作用。

二、实施增强金属工件表面仿生非光滑工艺方法的制备装置

本装置由激光器、数控工作台和控制单元三部分组成，其控制单元分别与激光器的通信接口和数控工作台的微机基本系统相连，它的总体结构见附图4，下面就这三部分分别详细说明。

1.控制单元  控制单元是一台微型计算机，安装了“激光处理形成仿生非光滑单元体加工程序”软件。

“激光处理形成仿生非光滑单元体加工程序”的重要组成部分是加工工艺参数数据库，该数据库是对大量实验数据总结和优化的结果。数据库中，每一条数据记录包括材料、激光和单元体的参数，包括材料的牌号、原始显微组织，激光器的频率、电流强度、脉宽、扫描速度，单元体的分布规律、宽度、深度、硬度、处理后的显微组织。数据库支持用户查询工艺参数，支持用户对数据库中的记录进行管理，例如浏览所有记录，删除或修改记录等。

“激光处理形成仿生非光滑单元体加工程序”的另一个功能是根据用户输入的信息，包括工件的外形和尺寸、单元体的几何形状，自动形成数控加工程序。

控制台的作用是指导用户按照“激光处理形成仿生非光滑单元体加工程序”的提示，输入必要的信息，并且根据用户输入的信息，在数据库中检索最匹配的工艺参数，同时，自动形成数控加工程序，在用户认可参数和加工程序后，把参数中关于激光能量的参数传递到激光器，把加工程序传递到数控工作台。

2.激光器  为了实现微型计算机自动控制，激光器电源配备了通讯接口。

3.数控工作台  数控工作台由数控系统和工作台组成，数控系统中微机基本系统一端的模拟量输出接口经工作台的主轴驱动装置与伺服电机连接，并由光电编码器经位置反馈计数器接口与微机基本系统另一端相连。

数控工作台的作用是夹持工件，并且按控制单元输出的参数带动工件运动，达到在工件表面形成不同形态非光滑表面的目的。

数控系统根据控制单元传输的信号生成数控加工程序。模拟量输出接口采用数模转换器DAC，将数控系统的数字信号转化为模拟信号，输出模拟电压的范围为-10~+10V，用来控制主轴电动机中的速度伺服单元。数控工作台配有主轴驱动装置，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行无级变速。反馈计数器接口能检测并记录光电编码器所发回的信号，从而得到进给轴的实际位置。

工作台的机械构造如图5所示，

工作台由载物台1、伺服电机a2、皮带轮a3、中轴4、丝杠a5、伺服电机b6、底座7、丝母8、底板a9、轨道a10、轨道b11、底板b12、丝杠b13、斜齿齿轮14、斜齿齿轮轴15、台架16、皮带轮b17和伺服电机c18组成，底板a9固定于底座7上，底板a9上平面的两侧设有轨道a10，其正中间设有丝杠a5，丝杠a5的左端经联轴器与伺服电机b6相连，丝杠a5上的丝母8与底板b12的底面固接；

底板b12位于底板a9上部，底板b12底部所设导轨，置于轨道a10中，底板b12受限于轨道a10，只能沿轨道a10横向移动，并与底板a9呈90度；

底板b12上平面的两侧设有轨道b11，其正中间设有丝杠b13，丝杠b13的前端经联轴器与伺服电机相连，丝杠b13上的丝母与台架16的底面固接；台架16底部设有导轨，并置于轨道b11中，台架16受限于轨道b11，只能沿轨道b11纵向移动；

伺服电机a2和伺服电机c18对称固接于台架16侧壁上部，中轴4经台架16顶部的中心孔，并与其形成动配合，中轴4的上端与载物台1固接，其下端与斜齿齿轮14固接；

伺服电机a2经皮带轮a3与中轴4连接，伺服电机a2旋转时，经皮带轮a3带动中轴4旋转，由于中轴4和载物台1固接，因此实现了载物台1的旋转运动；

伺服电机c18经皮带轮b17与斜齿齿轮轴15连接，伺服电机c18的旋转，带动斜齿齿轮轴14转动，斜齿齿轮14与斜齿齿轮轴15啮合。伺服电机c18的旋转，带动斜齿齿轮轴14旋转，从而使斜齿齿轮13、中轴4和载物台1作上下运动。

制备装置加工流程如下：

1、将工件夹持在工作台上，闭合电源，启动微型计算机、激光器电源和数控装置；

2、启动“激光处理形成仿生非光滑单元体加工程序”，按照程序提示输入信息；

3、“激光处理形成仿生非光滑单元体加工程序”检索出匹配的工艺参数，并自动形成数控加工程序。确定该工艺参数和加工程序后，将参数中关于激光能量的参数传递到激光器，将加工程序传递到数控工作台；

4、激光器电源按照微型计算机传输过来的信号设置激光参数；数控装置按照加工程序控制伺服电机，电机驱动工作台运动；

5、加工过程中，激光头静止不动，工作台带动工件运动。激光束和工件形成一定规律的相对运动，在工件表面形成所需的非光滑单元体。

本发明的积极效果在于：

1.能有效提高金属表面抗热疲劳性，减少热疲劳磨损，抵御热疲劳裂纹的萌生和扩展，也可降低模具和工件之间的粘附，提高金属表面耐磨性。

2.具有高的性能价格比，能用低的加工成本，实现优良的表面强化效果。

3.操作者劳动强度低，生产效率高。

附图说明

图1为金属基体表面非光滑表面点阵示意图

其中：S1.横向点间距  S2.纵向点间距  W1.点直径

图2为金属基体表面非光滑表面条纹示意图

其中：S3.条纹间距  W2.条纹宽度  α.条纹倾角

图3为金属基体表面非光滑表面网格示意图

其中：S4.网格纵向间距  S5.网格横向间距  W3.网格宽度

图4为增强金属工件表面的仿生非光滑制备装置的总体结构示意图

图5为工作台的结构图

其中：1.载物台  2.伺服电机a  3.皮带轮a  4.中轴  5.丝杠a  6.伺服电机b  7.底座  8.丝母  9.底板a  10.轨道a  11.轨道b  12.底板b  13.丝杠b  14.斜齿齿轮15.斜齿齿轮轴  16.台架  17.皮带轮b  18.伺服电机c

具体实施方式

1.提高卡车制动鼓的耐磨性

对于重型卡车制动鼓，采用三种不同的工艺参数，形成三种不同的非光滑单元体，分别为：

a.点阵：直径4mm、深2mm、间距50mm、硬度520HV

b.条纹：宽4mm、深2mm、间距50mm、硬度518HV

c.网格：宽2.5mm、深1.5mm、间距40mm、硬度537HV

用上述三种非光滑试样与光滑试样做摩擦磨损试验。试验结果显示具有非光滑单元体的试样，尤其是具有网格状单元体的试样，相对于光滑试样，显著降低工件的磨损量，提高了工件的抗摩擦磨损能力。

2.提高模具钢的耐磨性

在45^#模具钢表面涂覆粉末，粉末的分布呈网格状。粉末化学成分(wt％)有两种方案：(1)Cr：15、Si：2、Mo：4、Co：5、Fe：74 (2)Mn：10、Ni：3、W：5、B：2、Fe：80。

采用这两种工艺方案强化后的模具钢，与未处理的模具钢作摩擦磨损对比试验。结果表明，该工艺显著提高模具钢的耐磨损性能。

3.装置实施例

装置中采用YAG型激光器、松下MSMA系列伺服电机、K1TB-II型数控系统、DELL微型计算机。模拟量输出接口采用数模转换器DAC，将数控系统的数字信号转化为模拟信号，输出模拟电压的范围为-10~+10V。

Claims (11)

1.一种增强金属工件的仿生非光滑工艺方法，其特征在于：

A.在金属工件表面，采用涂敷粉末的方法，添加化学元素；

B.在金属工件表面，利用激光加热的方法，加工非光滑表面。

2.一种实施权利要求1所述的增强金属工件仿生非光滑工艺方法的装置，由激光器、数控工作台和控制单元组成，其特征在于控制单元分别与激光器的通信接口和数控工作台的微机基本系统相连。

3.按权利要求1所述的增强金属工件的仿生非光滑工艺方法，其特征在于该工艺采用的金属工件为可以激光加工的金属材料。

4.按权利要求1所述的增强金属工件的仿生非光滑工艺方法，其特征在于所述的化学元素为Cr：0～20％，Mn：0～20％，Si：0～3％，Mo：0～5％，Ni：0～5％，W：0～20％，Co：0～10％，B：0～10％。

5.按权利要求1所述的增强金属工件的仿生非光滑工艺方法，其特征在于所述的非光滑表面为点阵、条纹、网格状。

6.按权利要求5所述的增强金属工件的仿生非光滑工艺方法，其特征在于所述的点阵，其点直径(W1)为0.01～10mm，深度为0.01～8mm，间距(S1、S2)为2～60mm，硬度(HV)为300～900。

7.按权利要求5所述的增强金属工件的仿生非光滑工艺方法，其特征在于所述的条纹，其宽度(W2)为0.01～10mm，深度为0.01～8mm，间距(S3)为2～50mm，倾角(α)为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，硬度(HV)为300～900。

8.按权利要求5所述的增强金属工件的仿生非光滑工艺方法，其特征在于所述的网格，其宽度(W3)为0.01～10mm，深度为0.01～8mm，间距(S4、S5)为2～50mm，硬度(HV)为300～900。

9.按权利要求2所述的装置，其特征在于所述的控制单元为一套“激光处理形成仿生非光滑单元体的加工程序”。

10.按权利要求2所述的装置，其特征在于所述的数控工作台由数控系统和工作台组成，其特征在于：数控系统中微机基本系统一端的模拟量输出接口经工作台的主轴驱动装置与伺服电机连接，并由光电编码器经位置反馈计数器接口与微机基本系统另一端相连。

11.按权利要求10所述的装置，其中的工作台由载物台(1)、伺服电机a(2)、皮带轮a(3)、中轴(4)、丝杠a(5)、伺服电机b(6)、底座(7)、丝母(8)、底板a(9)、轨道a(10)、轨道b(11)、底板b(12)、丝杠b(13)、斜齿齿轮(14)、斜齿齿轮轴(15)、台架(16)、皮带轮b(17)和伺服电机c(18)组成，其特征在于底板a(9)固定于底座(7)上，底板a(9)上平面的两侧设有轨道a(10)，其正中间设有丝杠a(5)，丝杠a(5)的左端经联轴器与伺服电机b(6)相连，丝杠a(5)上的丝母(8)与底板b(12)的底面固接；

底板b(12)位于底板a(9)上部，底板b(12)底部所设导轨，置于轨道a(10)中，并与底板a(9)呈90度；

底板b(12)上平面的两侧设有轨道b(11)，其正中间设有丝杠b(13)，丝杠b(13)的前端经联轴器与伺服电机相连，丝杠b(13)上的丝母与台架(16)的底面固接，台架(16)底部设有导轨，并置于轨道b(11)中；

伺服电机a(2)和伺服电机c(18)对称固接于台架(16)侧壁上部，中轴(4)经台架(16)顶部的中心孔，并与其形成动配合，中轴(4)的上端与载物台(1)固接，其下端与斜齿齿轮(14)固接；

伺服电机a(2)经皮带轮a(3)与中轴(4)连接；

伺服电机c(18)经皮带轮b(17)与斜齿齿轮轴(15)连接，斜齿齿轮(14)与斜齿齿轮轴(15)啮合。

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