CN204657738U - 紫外激光织构汽缸套内壁专用加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了紫外激光织构汽缸套内壁专用加工装置，激光器（1）的后位经气动闸（2）安装光路准直器（3），光路准直器（3）后位根据光路调整线路安装若干个调整反射镜（4），直筒（12）安装在工作台上，直筒（12）的顶端对准最个一个调整反射镜的光路，直筒（12）的底端连接直角腔体（13）的一角，直角腔体（13）内安装聚焦透镜（22），直角腔体（13）上位于聚焦透镜（22）的下方设透光孔（23），直角腔体（13）的侧斜内壁上安装反射镜（20），直角腔体（13）的另一角设激光喷嘴（17）。本实用新型结构简单，紫外激光波长短，与材料相互作用时热影响区域小，在进行材料加工时属于偏冷光加工。

Description

紫外激光织构汽缸套内壁专用加工装置

技术领域

本实用新型涉及激光加工设备技术领域，具体涉及一种紫外激光织构汽缸套内壁专用加工装置。

背景技术

激光表面微织构技术大量用于提高材料的硬度、耐磨、耐高温、抗氧化等性能，具有加工快、成本低、无污染、非接触式、无工具磨损、优良的尺寸控制精度等优点，广泛应用于汽车制造、航空、航天、航海、军事等工业生产制造领域。

激光表面微织构处理技术使用的激光光源主要有连续激光和脉冲激光，传统应用较为广泛的激光主要有二氧化碳激光、光纤激光和YAG固体激光等；目前，也有采用皮秒、飞秒等激光对材料表面开展微织构加工技术研究。

传统YAG激光织构装置的基本原理是采用声光调Q的YAG激光器作为脉冲激光发生源，由激光器发射出的脉冲激光束经光路系统聚焦后，直接作用于被加工的工件的表面进行微造型；通过控制调Q频率与工件的转速，实现所要求的表面微凹坑分布。如江苏大学开发的一种激光表面微造型装置及方法（200810155787.3）,就是采用声光调Q的Nd:YAG激光器作为加工光源对材料表面进行激光处理的；采用声光调Q的YAG激光器其声光调器件具有较高的脉冲频率，但其衍射效率有限，当激光增益很高时，声光调Q器件无法提供足够高的损耗使激光器的振荡有效关断，这使声光调Q脉冲激光器的单脉冲能量和平均功率都较低，从而导致在较深储油坑要求下生产效率较低，如江苏大学申请公开的“一种激光表面微造型方法”（200610039758.1），难以满足实际生产需求。

二氧化碳激光和光纤激光属于长波激光，其波长分布在红外光长区域，加工时热效应明显，对材料的热影响较大，影响材料表面性能。

飞秒激光由于具有超短脉冲，超高能量密度等特性，所以采用飞秒激光进行材料加工时，具有对材料损伤小，加工质量好，加工速度快等特点；目前，已有飞秒激光处理技术在汽缸内表面加工处理的技术研究，温州大学申报了“一种激光复合微织构缸套内表面的方法和装置”（201310013106.0），开发出了一种激光复合微织构缸套内表面的方法，该方法首先通过飞秒激光加工得到所需微织构结构，为了进一步提高激光织构区域缸套的硬度、耐磨性，提升缸套使用寿命，又采用纳秒脉冲激光对缸套内表面飞秒激光加工区域进行冲击强化处理，从而增强飞秒激光加工区域材料的力学性能；但飞秒激光器与其它几种传统常用的激光器相比，价格十分昂贵，目前使用飞秒激光器进行相关产品的工业生产，从经济性的和生产成本角度考虑，还远不能达到要求。

为了获得较高的加工效率，产生足够深的储油微凹坑，也有采用两个或多个激光器并联的激光加工装置来提高加工效率和速度的相关技术；武汉市凯瑞迪激光技术有限公司公布了一种“固体激光珩磨加工装置” （203265910U），该装置采用两个或两个以上脉冲串固体激光器并联的固体激光珩磨加工装置，通过该装置获得较高的教工效率、产生足够深的储油微凹坑；但该“固体激光珩磨加工装置”珩磨机床是采用二维平移导轨来控制其移动和定位的，这种结构在进行汽缸套装夹和加工定位时需要浪费大量时间，且每换一只缸套进行加工时都需要重新进行加工定位，大大增加了加工准备时间，不利于提高生产效率。

发明内容

本实用新型的目的在于：提出一种紫外激光织构汽缸套内壁专用加工装置，该加工装置结构简单，成本低廉，操作、调试简便，实现一次定位重复加工，紫外激光波长短，能量高，与材料相互作用时热影响区域小，属于冷光加工，具有较大加工优势。

本实用新型的技术解决方案是：该加工装置包括激光器、光路准直器、若干个光路调整反射镜、激光头、激光头运动平台和汽缸套旋转运动平台；激光器的后位经气动闸安装光路准直器，光路准直器后位根据光路调整线路安装若干个调整反射镜，激光头固定安装在激光头运动平台上，激光头的直筒上端口正对最后一个调整反射镜的光路；所述激光头运动平台包括运动底座、水平运动导轨、竖直运动导轨、水平运动电机和竖直运动电机，水平运动导轨、竖直运动导轨固定于运动底座，水平运动电机安装在水平运动导轨右侧，通过水平运动导轨内的丝杆连接控制竖直运动导轨及运动底座水平方向运动，竖直运动电机安装在竖直运动导轨上端，通过竖直运动导轨内的丝杆连接控制固定底座的上下运动，激光头运动平台固定于整个装置的支架上；所述的激光头包括直筒、直角腔体、聚焦透镜和反射镜；直筒通过固定座与固定螺孔配合安装在运动底座上，直筒的顶端对准最后一个调整反射镜的光路，该调整反射镜固定于激光头上下运动导轨的上端；激光头在做水平运动时直筒的顶端开口始终对准最后一个调整反射镜的光路，直筒的底端连接直角腔体的其中一角，直角腔体内经定位环安装聚焦透镜，直角腔体内位于聚焦透镜的下方设透光孔，直角腔体侧盖的内壁上安装反射镜，直角腔体的另一角上设激光喷嘴。

其中，在直角腔体上设辅助气体接口。

其中，在直角腔体上通过固定扣安装成像系统，所述成像系统包括筒体、成像反射镜和成像摄像头，筒体的底部设成像光入口，成像光入口与激光喷嘴指向保持一致，筒体的底部安装成像反射镜，筒体上端摄像头固定孔通过固定螺钉螺孔与成像摄像头连接，整个成像系统通过直角扣定位直角腔体激光喷嘴的正上方。

其中，激光器为半导体端面泵浦紫外激光器，激光输出波长：355 nm，激光输出功率：0-10W可变，重复频率20KHz-100KHz，发散角：≤2mradTEM00，功率不稳定度：≤±3% （均方差），脉冲宽度：≤25ns30kHz。

其中，所述汽缸套旋转运动平台位于激光头运动平台的正下方，汽缸套旋转运动平台由旋转驱动电机、旋转底座和汽缸套定位三角卡盘组成，旋转驱动电机通过齿轮配合驱动旋转底座，旋转底座上固定安装三角卡盘；汽缸套被三角卡盘固定后做旋转运动时，汽缸套是绕其自身的中心轴做旋转运动的，汽缸套旋转运动平台固定于整个装置的支架上。

工作时，激光器的激光束经光路准直器调节后，再经若干调整反射镜反射，最后由直筒的上端口沿直筒的轴线方向射入直筒；直角腔体内聚焦透镜用于聚焦直筒内传输的准直化激光束，直角腔体内反射镜将聚焦后的激光束传播方向改变90度沿激光喷嘴喷出；

在进行调校聚焦时，竖直运动导轨、运动底座连同整个激光头装置在水平运动电机驱动下沿水平运动导轨做水平运动；此时，通过筒体内的成像反射镜经成像摄像头，观测到汽缸套内壁的影像情况，当所呈影像清晰时，表示激光头到达激光织构加工焦距位置；确定激光织构加工焦距位置后，运动底座连同激光头，通过竖直丝杠在竖直运动电机的驱动下，沿着竖直运动导轨向上运动预设的偏移量，此时激光喷嘴所正对的汽缸套内壁的位置即为偏移前成像系统所成影像的汽缸套内壁所在位置，保证汽缸套内壁激光喷嘴所正对的位置为汽缸套内壁的初始加工点，实现精确定位；加工时，旋转运动平台带动汽缸套沿顺时针或逆时针方向做旋转运动，结合激光头上下运动，实现在汽缸套内壁加工出所需微结构。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：1、紫外激光波长短，能量高，与材料相互作用时热影响区域小，在进行材料加工时属于冷光加工，减少了激光对材料的热影响，降低激光加工时对材料性能的破坏，与飞秒激光器相比价格低，在进行材料表面微织构加工时具有较大的优势； 2、该加工装置结构简单，成本低廉，操作、调试简便，工作效率高；3、激光非接触加工避免了刀具磨损，降低生产成本；4、激光加工时清洁卫生，减少加工过程对环境的污染；5、激光头伴随有真空吸附装置，用于吸附加工时所产生的熔渣、蒸汽及其电离产生的等离子体等物质，以防止此类物质逸入直角腔体，损伤或破坏直角腔体内的聚焦透镜和反射镜；6、直筒内设有聚焦透镜，用于聚焦直筒内传输的准直化激光束，同时该透镜还有密封作用，当通入辅助气体时，能阻止辅助气体进入直筒向上传播，在进行激光加工织构时保护激光头，保证材料表面加工质量；7、在加工相同规格的汽缸套产品时，只需进行一次调校，即可进行反复的加工过程，节约了调校时间，大大提高了生产效率。

附图说明

图1为发明装置光路调节系统光路图。

图2为本实用新型激光头运动平台示意图。

图3为本实用新型的激光头侧视图。

图4为本实用新型的激光头正视图。

图5为直角腔体正面结构图。

图6为直角腔体侧面结构剖视图。

图7为成像系统筒体正面结构示意图。

图8为成像系统筒体侧面剖视结构示意图。

图中：1激光器，2气动闸，3激光准直器，4调整反射镜，5竖直运动导轨，6水平运动导轨，7运动底座，8固定螺孔，9水平运动电机，10竖直运动电机，11固定座，12直筒，13直角腔体，14成像系统，15固定扣，16固定扣螺孔，17激光喷嘴，18侧盖，19辅助气体接口，20反射镜，21定位环，22聚焦透镜，23透光孔，24固定螺钉螺孔，25筒体，26成像光入口，27成像反射镜，28摄像头固定孔。

具体实施方式

如图1-8所示，该加工装置包括激光器1、光路准直器3、若干个光路调整反射镜4、激光头运动平台、激光头和汽缸套旋转运动平台；激光器1的后位经气动闸2安装光路准直器3，光路准直器3后位根据光路调整线路安装若干个调整反射镜4，激光头固定安装在激光头运动平台上；所述激光头运动平台包括运动底座7、水平运动导轨6、竖直运动导轨5、水平运动电机9和竖直运动电机10，水平运动导轨6、竖直运动导轨5安装在运动底座7上，水平运动电机9安装在水平运动导轨6的右侧，通过水平运动导轨6内的丝杆连接控制竖直运动导轨5及运动底座7水平方向运动，竖直运动电机10安装在竖直运动导轨5上端，通过竖直运动导轨5内的丝杆连接控制固定底座7的上下运动，激光头运动平台固定于与整个装置的支架上；所述的激光头包括直筒12、直角腔体13、聚焦透镜22和反射镜20，直筒通过固定座11与固定螺孔8配合安装在运动底座7上，最后一个调整反射镜4固定于激光头上下运动导轨5的上端，激光头在做运动时保证直筒12的顶端开口始终对准最后一个调整反射镜4的光路，直筒12的底端连接直角腔体13其中一角，直角腔体13内经定位环21安装聚焦透镜22，直角腔体13内位于聚焦透镜22的下方设透光孔23，直角腔体侧盖18内的斜壁上安装反射镜20，直角腔体13的另一角上设激光喷嘴17。

其中，在直角腔体13上设辅助气体接口19。

其中，在直角腔体13上通过固定扣15安装成像系统14，所述成像系统14包括筒体25、成像反射镜27和成像摄像头，筒体25的底部设成像光入口26，成像光入口26与激光喷嘴17指向保持一致，筒体25的底部安装成像反射镜27，筒体上端摄像头固定孔28通过固定螺钉螺孔24与成像摄像头连接，成像系统14通过直角扣15定位于激光喷嘴17的正上方。

其中，激光器1为半导体端面泵浦紫外激光器，激光输出波长：355 nm，激光输出功率：0-10W可变，重复频率20KHz-100KHz，发散角：≤2mradTEM00，功率不稳定度：≤±3% （均方差），脉冲宽度：≤25ns30kHz。

其中，所述汽缸套旋转运动平台位于激光头运动平台的正下方，汽缸套旋转运动平台由旋转驱动电机，旋转底座和汽缸套定位三角卡盘组成，旋转驱动电机通过齿轮配合驱动旋转底，旋转底座上固定安装三角卡盘，汽缸套被三角卡盘固定后做旋转运动时，汽缸套是绕其自身的中心轴做旋转运动的，汽缸套旋转运动平台固定于整个装置的支架上。

工作时，激光器1的激光束经光路准直器3调节后，再经若干调整反射镜4反射，最后由直筒12的上端口沿直筒12的轴线方向射入直筒12，直角腔体13内聚焦透镜22用于聚焦直筒12内传输的准直化激光束，直角腔体13内反射镜20将聚焦后的激光束传播方向改变90度沿激光喷嘴17喷出；在进行调校聚焦时，竖直运动导轨5、运动底座7连同整个激光头装置在水平运动电机9驱动下沿水平运动导轨6做水平运动，此时，通过筒体25内的成像反射镜27经成像摄像头观测到汽缸套内壁的影像情况，当所呈影像清晰时，表示激光头到达激光织构加工焦距位置；确定激光织构加工焦距位置后，运动底座7连同整个激光头，通过竖直丝杠在竖直运动电机10的驱动下，沿着竖直运动导轨5向上运动预设的偏移量，此时激光喷嘴17所正对的汽缸套内壁的位置即为偏移前成像系统所成影像所在位置，保证汽缸套内壁激光喷嘴17所正对的位置为汽缸套内壁的初始加工点，实现精确定位；加工时，旋转运动平台带动汽缸套沿顺时针或逆时针方向做旋转运动，结合激光头上下运动，实现在汽缸套内壁加工出所需微结构。

Claims (5)

1.紫外激光织构汽缸套内壁专用加工装置，该加工装置包括激光器（1）、光路准直器（3）、若干个光路调整反射镜（4）、激光头运动平台、激光头和汽缸套旋转运动平台；激光器（1）的后位经气动闸（2）安装光路准直器（3），光路准直器（3）后位根据光路调整线路安装若干个调整反射镜（4），激光头固定安装在激光头运动平台上；所述激光头运动平台包括运动底座（7）、水平运动导轨（6）、竖直运动导轨（5）、水平运动电机（9）和竖直运动电机（10），水平运动导轨（6）、竖直运动导轨（5）安装在运动底座（7）上，水平运动电机（9）安装在水平运动导轨（6）的右侧，通过水平运动导轨（6）内的丝杆连接控制竖直运动导轨（5）及运动底座（7）水平方向运动，竖直运动电机（10）安装在竖直运动导轨（5）上端，通过竖直运动导轨（5）内的丝杆连接控制固定底座（7）的上下运动，激光头运动平台固定于与整个装置的支架上；其特征是：所述的激光头包括直筒（12）、直角腔体（13）、聚焦透镜（22）和反射镜（20），直筒通过固定座（11）与固定螺孔（8）配合安装在运动底座（7）上，最后一个调整反射镜（4）固定于激光头上下运动导轨（5）的上端，激光头在做运动时保证直筒（12）的顶端开口始终对准最后一个调整反射镜（4）的光路，直筒（12）的底端连接直角腔体（13）其中一角，直角腔体（13）内经定位环（21）安装聚焦透镜（22），直角腔体（13）内位于聚焦透镜（22）的下方设透光孔（23），直角腔体侧盖（18）内的斜壁上安装反射镜（20），直角腔体（13）的另一角上设激光喷嘴（17）。

2.根据权利要求1所述的紫外激光织构汽缸套内壁专用加工装置，其特征是：在直角腔体（13）上设辅助气体接口（19）。

3.根据权利要求1所述的紫外激光织构汽缸套内壁专用加工装置，其特征是：在直角腔体（13）上通过固定扣（15）安装成像系统（14），所述成像系统（14）包括筒体（25）、成像反射镜（27）和成像摄像头，筒体（25）的底部设成像光入口（26），成像光入口（26）与激光喷嘴（17）指向保持一致，筒体（25）的底部安装成像反射镜（27），筒体上端摄像头固定孔（28）通过固定螺钉螺孔（24）与成像摄像头连接，成像系统（14）通过直角扣（15）定位于激光喷嘴（17）的正上方。

4.根据权利要求1所述的紫外激光织构汽缸套内壁专用加工装置，其特征是：激光器（1）为半导体端面泵浦紫外激光器，激光输出波长：355 nm，激光输出功率：0-10W可变，重复频率20KHz-100KHz，发散角：≤2mradTEM00，功率不稳定度：≤±3% 均方差，脉冲宽度：≤25ns30kHz。

5.根据权利要求1所述的紫外激光织构汽缸套内壁专用加工装置，其特征是：所述汽缸套旋转运动平台位于激光头运动平台的正下方，汽缸套旋转运动平台由旋转驱动电机，旋转底座和汽缸套定位三角卡盘组成，旋转驱动电机通过齿轮配合驱动旋转底，旋转底座上固定安装三角卡盘，汽缸套被三角卡盘固定后做旋转运动时，汽缸套是绕其自身的中心轴做旋转运动的，汽缸套旋转运动平台固定于整个装置的支架上。