CN203140969U - 一种激光复合微织构缸套内表面的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种激光复合微织构缸套内表面的装置，包括激光微织构光路部分、激光冲击强化光路部分、控制部分和工作台；激光微织构光路部分包括飞秒激光器、45°全反镜Ⅱ、调节光斑光学镜片Ⅱ和导光筒Ⅱ；激光冲击强化光路部分包括纳秒激光器、45°全反镜I、光斑光学镜片I、导光筒I、喷水装置和喷涂黑漆装置；控制部分包括第一计算机控制装置和第二计算机控制装置，第一计算机控制装置与飞秒激光器、纳秒激光器和喷涂黑漆装置相连，第二计算机控制装置与喷水装置和工作台相连。激光冲击可消除缸套内表面微织构后的残余拉应力，形成深度的残余压应力并使晶粒细化更均匀，提高了缸套的硬度、耐磨性、抗疲劳性能，使缸套的使用寿命得到了提升。
Description
技术领域
本实用新型属于激光微制造技术领域，具体涉及一种激光复合微织构缸套内表面的装置。
背景技术
激光微造型技术是一种易控制、效率高的现代化加工方法，利用具有一定能量密度（间距）、宽度、深度、角度、形状的规则微观几何形貌，以使在摩擦副表面形成动压流体润滑或弹流润滑；同时，利用激光的热效益，改变金相组织，从而达到在摩擦副表面润滑减磨和强化抗磨的双重效果。
摩擦副的摩擦学行为，既影响着机器的工作性能与运行效率，同时也对其使用寿命有着十分重要的影响；传统的表面工程技术利用抛光、研磨等表面精加工技术来减小摩擦表面的粗糙度，从而使表面尽可能光滑，并通过各种表面处理技术，强化摩擦副表面，提高其硬度，则用以提高耐磨性；但这些专有技术增加了零部件加工工艺的复杂性，提高了制造成本，且具有一定的局限性，因为单项技术并不能兼顾润滑与耐磨的要求。
实用新型内容
本实用新型针对上述现有技术的不足，提供了一种激光复合微织构缸套内表面的装置，采用该装置进行复合微织构加工，可兼顾润滑与耐磨的要求，延长缸套的使用寿命。
本实用新型是通过如下技术方案实现的：
一种激光复合微织构缸套内表面的装置，包括激光微织构光路部分、激光冲击强化光路部分、控制部分和工作台；
激光微织构光路部分包括飞秒激光器、45°全反镜Ⅱ、调节光斑光学镜片Ⅱ和导光筒Ⅱ；飞秒激光器产生的激光束通过45°全反镜Ⅱ反射通过调节光斑光学镜片Ⅱ在导光筒Ⅱ的引导下被导入到缸套内；
激光冲击强化光路部分包括纳秒激光器、45°全反镜I、光斑光学镜片I、导光筒 I、喷水装置和喷涂黑漆装置；纳秒激光器产生的激光束通过45°全反镜I反射通过调节光斑光学镜片I，穿过喷水装置喷出的水幕，在导光筒I的引导下被导入到缸套内；
所述控制部分包括第一计算机控制装置和第二计算机控制装置，第一计算机控制装置与飞秒激光器、纳秒激光器和喷涂黑漆装置相连，第二计算机控制装置与喷水装置和工作台相连。
本实用新型利用飞秒激光激光器在缸套表面加工按一定方式布置的微观凹坑，然后采取激光冲击波强化微观凹坑区域（产生残余压应力），用于存储润滑油，当活塞在缸套表面滑动时，储存在这些微凹坑中的润滑油，其流量和流向均发生突变，在微观上产生局部不均匀压力分布，从而在宏观上累积形成流体动压效应，在缸套与活塞环之间产生具有一定厚度和承载能力的动压润滑油膜，明显改善表面的机械性能（残余应力、硬度和粗糙度）和摩擦性能。
本实用新型具有如下有益效果：
（1）在干摩擦条件下，微凹表面织构可以作为储存磨损颗粒的储存器，减少摩擦表面的磨粒磨损和犁沟，从而降低磨损率。
（2）在边界润滑条件下，储存在织构中的润滑油由于表面的磨损或变形而被挤出，形成挤压膜。
（3）激光冲击参数精确可控，重复性好，冲击强化的效果均匀，冲击后无需再处理。
（4）激光冲击可以消除缸套内表面微织构后的残余拉应力，形成深度的残余压应力并使晶粒细化更均匀，提高了缸套的硬度、耐磨性、抗疲劳性能，使缸套的使用寿命得到了提升。
（5）本实用新型克服了单项技术不能兼顾润滑与耐磨的要求，可进一步改善缸套/活塞环摩擦副表面的润滑性与抗磨损性能，提高其使用寿命。
附图说明
图1为激光复合微织构缸套内表面的装置示意图；
图中， 1. 纳秒激光器 2. 激光束I 3.45°全反镜 I 4.调节光斑光学镜片I 5.喷水装置 6.水幕 7.导光筒 I 8. 喷涂黑漆装置 9.夹具 10.工作台 11.缸套 12.导光筒Ⅱ 13.调节光斑光学镜片Ⅱ 14.第二计算机控制装置 15.45°全反镜Ⅱ 16.激光束Ⅱ 17.飞秒激光器 18.第一计算机控制装置。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型提出的具体装置的细节和工作情况。
图1所示为激光复合微织构缸套内表面的装置示意图，包括包括激光微织构光路部分、激光冲击强化光路部分、控制部分和工作台10；激光微织构光路部分包括飞秒激光器17、45°全反镜Ⅱ15、调节光斑光学镜片Ⅱ13和导光筒Ⅱ12；飞秒激光器17产生的Ⅱ16通过45°全反镜Ⅱ15反射通过调节光斑光学镜片Ⅱ13，激光束Ⅱ16在导光筒Ⅱ12的引导下被导入到缸套11表面；激光冲击强化光路部分包括纳秒激光器1、45°全反镜I3、光斑光学镜片I4、导光筒 I7、喷水装置5和喷涂黑漆装置8；纳秒激光器产生激光束I2，激光束I2通过45°全反镜 I3反射，然后通过调节光斑光学镜片I ，穿过喷水装置5喷出的水幕6，最终激光束I2在导光筒 I7的引导下被导入到缸套11；所述控制部分包括第一计算机控制装置18和第二计算机控制装置14，第一计算机控制装置18与飞秒激光器17、纳秒激光器1和喷涂黑漆装置8相连，第二计算机控制装置14与控制喷水装置5和工作台10相连。
激光微织构的具体步骤为：第一计算机控制装置18中输入所需的参数使飞秒激光器17产生激光束Ⅱ16，其中飞秒激光以其超短和超强的特点，拥有独特的材料加工特性，可以在极短的时间内进行材料的去除加工，从而保证加工质量。然后激光束Ⅱ16通过45°全反镜Ⅱ15反射通过调节光斑光学镜片Ⅱ13，激光束Ⅱ16在导光筒Ⅱ12的引导下被导入到缸套11表面对缸套11表面进行激光微织构，每当打完一个微凹坑后第二计算机控制装置14控制工作台10使工件夹具9旋转一定角度继续打下一个微凹坑，直到在缸套内表面打出一圈微凹坑工作台10停止旋转，随后第二计算机控制装置14控制工作台10作进给运动移动一段距离，继续打一圈微凹坑直至整个缸套11内表面加工出所需要的微凹坑阵列。
喷涂黑漆的具体步骤为：第二计算机控制装置14操控工作台10移动到指定位置，同时第一计算机控制装置18控制喷涂黑漆装置8对缸套11表面进行喷涂黑漆作吸收层。喷涂的同时第二计算机控制装置14控制工作台10做旋转运动和进给运动，使整个缸套11内表面喷涂上均匀的黑漆。
激光冲击强化的具体步骤为：第二计算机控制装置14主要控制工作台10和喷水装置5，在第一计算机控制装置18中输入所需的参数使纳秒激光器1产生激光束I2，激光束I2通过45°全反镜 I3反射，然后通过调节光斑光学镜片I ，穿过喷水装置5喷出的水幕6，最终激光束I2在导光筒 I7的引导下被导入到缸套11表面并对内表面作激光冲击强化处理，使缸套11表面的黑漆汽化、电离形成冲击波，缸套11在冲击波的作用下发生塑性变形达到激光强化的目的。每当激光冲击一次后第二计算机控制装置14控制工作台10使工件夹具9旋转一定角度继续冲击一次，直到在缸套11内表面激光冲击一圈后工作台10停止旋转，随后第二计算机控制装置14控制工作台10作进给运动移动一段距离，继续激光冲击下一圈直至整个缸套11内表面激光冲击强化完全。
激光复合微织构缸套表面的方法的具体实施步骤如下：
（1）根据活塞表层加工区域要求，通过第一计算机控制装置18编程生成加工轨迹，确定激光光斑直径和能量等工艺参数。
（2）利用光斑调节光学镜片I、Ⅱ控制激光光斑的空间能量分布，使得输出激光束I、Ⅱ在空间上均匀分布。
（3）首先利用第二计算机控制装置14控制飞秒激光器17产生激光束Ⅱ16，激光束Ⅱ16通过导光筒Ⅱ12在缸套11内表面加工微凹坑，在加工微凹坑的同时，缸套11在夹具9上作缓慢的旋转。
（4）当激光束Ⅱ16在缸套11内表面加工出一圈微凹坑后，五轴工作台向左滑动一定距离，然后激光束Ⅱ16继续在缸套11内表面加工出一圈微凹坑，最后使整个缸套11内表面加工出所需要的微观造型。
（5）当微造型完成以后，第二计算机控制装置14控制工作台10移动到指定位置，第一计算机控制装置18控制喷涂黑漆装置8对缸套11内表面进行均匀喷涂，通风干燥后进行激光冲击强化实验。
（6）利用第二计算机控制装置14控制工作台10移动到指定位置并打开喷水装置5，然后通过第一计算机控制装置18控制纳秒激光器1冲击强化缸套表面的微观几何形貌区域。
（7）用水作约束层，黑漆作吸收层，当激光光束通过约束层照射到活塞表面的黑漆上，引起黑漆汽化、电离形成冲击波，活塞表面在冲击波的作用下发生塑性变形，即达到冲击强化效果。
Claims (1)
1.一种激光复合微织构缸套内表面的装置，其特征在于，包括激光微织构光路部分、激光冲击强化光路部分、控制部分和工作台；
激光微织构光路部分包括飞秒激光器、45°全反镜Ⅱ、调节光斑光学镜片Ⅱ和导光筒Ⅱ；飞秒激光器产生的激光束通过45°全反镜Ⅱ反射通过调节光斑光学镜片Ⅱ在导光筒Ⅱ的引导下被导入到缸套内；
激光冲击强化光路部分包括纳秒激光器、45°全反镜I、光斑光学镜片I、导光筒 I、喷水装置和喷涂黑漆装置；纳秒激光器产生的激光束通过45°全反镜I反射通过调节光斑光学镜片I，穿过喷水装置喷出的水幕，在导光筒I的引导下被导入到缸套内；
所述控制部分包括第一计算机控制装置和第二计算机控制装置，第一计算机控制装置与飞秒激光器、纳秒激光器和喷涂黑漆装置相连，第二计算机控制装置与喷水装置和工作台相连。
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