專利名稱：內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁激光刻蝕系統(tǒng)及加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工設(shè)備及加工方法，特別是一種用高重復(fù)頻率的脈沖激光聚焦到缸套內(nèi)壁表面形成離散式刻蝕微坑加工的設(shè)備，及提高缸套-活塞環(huán)摩擦副油膜承載力、儲(chǔ)油能力及收集磨粒能力的加工方法。
背景技術(shù)：
缸套和活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)中最重要的摩擦副之一，直接影響內(nèi)燃機(jī)的使用壽命和性能，由于其工作在高溫、高速、高壓的惡劣條件下，易發(fā)生各種磨損，而內(nèi)燃機(jī)的使用壽命和性能在很大程度上取決于這對摩擦副的抗磨性能。目前國內(nèi)外汽車缸套內(nèi)壁主要采用砂條機(jī)械研磨，八十年代產(chǎn)生了缸套內(nèi)壁激光淬火技術(shù)來提高缸體耐磨性，但激光淬火不能改善缸套一活塞這對摩擦副的摩擦潤滑條件，難以達(dá)到節(jié)油減排的綜合目標(biāo)。影響抗磨性能的因素主要有缸套表面粗糙度、缸套與活塞環(huán)的匹配性能、缸套表面硬度、缸套表面潤滑狀況等。提高耐磨性能的手段，從當(dāng)前的科技水平來看，現(xiàn)有的機(jī)加工珩磨手段和方法已近發(fā)揮至極限。國外研究者從上世紀(jì)九十年代開始進(jìn)行微造型在摩擦副間的摩擦磨損特性研究， 認(rèn)為在缸套內(nèi)壁形成以溝槽為主的形貌，有利于缸套一活塞環(huán)在摩擦過程中產(chǎn)生的磨粒的收集，并且在上止點(diǎn)區(qū)域有利于保存潤滑油，從而減小摩擦副磨損。而在缸套內(nèi)壁刻蝕溝槽激光加工時(shí)間長，不利于工程應(yīng)用。同時(shí)研究者考慮以微坑為主的刻蝕形貌，但沒有給出刻蝕微坑的綜合控制參數(shù)及缸套的整體設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種對內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁進(jìn)行防摩處理的激光刻蝕系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種可增加儲(chǔ)油能力，提高油膜承載力，減小摩擦，降低磨損的內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁激光刻蝕加工方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁激光刻蝕加工方法，具體為將內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁分為兩個(gè)區(qū)域處理，自缸套上止點(diǎn)到上止點(diǎn)以下20mm為第一區(qū)域，調(diào)整工作參數(shù)控制第一區(qū)域的激光刻蝕微坑直徑為20 - 200μπι，微坑深徑比ε為0.05 - 0.15，微坑面積占有率$為5% - 20%，微坑分布角度θ為15° - 45° ；自上止點(diǎn)以下20mm處到下止點(diǎn)為第二區(qū)域，調(diào)整工作參數(shù)控制第二區(qū)域的激光刻蝕微坑直徑為20 - 200μπι，微坑深徑比 ε為0.1 - 0. 25，微坑面積占有率$為20% - 40%，微坑分布角度θ為45° - 75°。進(jìn)一步，激光刻蝕可以采用缸套轉(zhuǎn)動(dòng)，激光聚焦頭做平動(dòng)或者缸套不動(dòng)，激光聚焦頭做轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)，其中轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)由機(jī)床控制。
3
進(jìn)一步，微坑深徑比ε的調(diào)整是通過控制激光功率密度和脈寬實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步，微坑面積占有率、及微坑分布角度θ的調(diào)整是通過控制機(jī)床進(jìn)給的點(diǎn)距、螺距和轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁激光刻蝕系統(tǒng)，包括激光裝置和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)激光裝置對缸套內(nèi)壁各個(gè)位置進(jìn)行激光刻蝕，其特征在于，所述激光刻蝕系統(tǒng)還包括編碼器、工控機(jī)和聲光電源，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于控制缸套和編碼器周向旋轉(zhuǎn)及激光裝置軸向移動(dòng)，編碼器用于檢測缸套的位置并將檢測信號發(fā)送至工控機(jī)；工控機(jī)用于將刻蝕微坑分布參數(shù)及檢測信號編譯為控制信號，并將該控制信號發(fā)送至聲光電源控制激光裝置輸出激光，以及控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)缸套周向旋轉(zhuǎn)和激光裝置軸向移動(dòng)來調(diào)整激光刻蝕微坑的工作參數(shù)。進(jìn)一步，所述激光刻蝕微坑的工作參數(shù)包括激光功率密度、脈寬、微坑直徑、微坑深徑比ε、微坑面積占有率$和微坑分布角度Θ。內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁激光刻蝕系統(tǒng)，包括激光裝置和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)激光裝置對缸套內(nèi)壁各個(gè)位置進(jìn)行激光刻蝕，其特征在于，所述激光刻蝕系統(tǒng)還包括編碼器、工控機(jī)和聲光電源，編碼器安裝在激光裝置上，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于控制激光裝置在周向旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)，編碼器用于檢測缸套的位置并將檢測信號發(fā)送至工控機(jī)；工控機(jī)用于將刻蝕微坑分布參數(shù)及檢測信號編譯為控制信號，并將該控制信號發(fā)送至聲光電源控制激光裝置輸出激光，以及控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)激光裝置周向旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)來調(diào)整激光刻蝕微坑的工作參數(shù)。進(jìn)一步，所述激光刻蝕微坑的工作參數(shù)包括激光功率密度、脈寬、微坑直徑、微坑深徑比ε、微坑面積占有率$和微坑分布角度Θ。本發(fā)明針對缸套不同部位工況特點(diǎn)，對應(yīng)于缸套中部，設(shè)計(jì)了富油、高速條件下摩擦副往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，針對缸套上止點(diǎn)處，設(shè)計(jì)了貧油、低速條件下摩擦副往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，得出了微坑深徑比、面積占有率及微坑分布角度對摩擦副摩擦磨損特性的影響規(guī)律，并與機(jī)械珩磨缸套試塊進(jìn)行了對比試驗(yàn)，得出了最佳激光刻蝕微坑參數(shù)，完成了缸套內(nèi)壁激光刻蝕參數(shù)的整體摩擦學(xué)設(shè)計(jì)。同時(shí)，針對缸套分區(qū)域刻蝕的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套相應(yīng)的激光刻蝕系統(tǒng)，提出采用外旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)旋轉(zhuǎn)的加工方法，以簡單、快捷的完成對內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁的激光刻蝕加工。


圖1為本發(fā)明的激光刻蝕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2為不同區(qū)域下缸套內(nèi)壁激光刻蝕微坑分布示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明認(rèn)為缸套與活塞環(huán)是一對摩擦副，存在硬度匹配問題。這對激光刻蝕微坑提出如下要求要有一定的加工頻率，以適用于工業(yè)應(yīng)用；盡量減小激光再鑄層的厚度，減小激光處理對缸套內(nèi)壁硬度提高的程度；減小激光處理微坑邊緣毛刺現(xiàn)象，即降低后續(xù)拋光工藝的難度。
當(dāng)脈沖激光功率密度較小時(shí)，激光對缸套內(nèi)壁的作用主要是熔凝，這將引起缸套內(nèi)壁材料硬化，在滑動(dòng)過程中將引起活塞環(huán)的磨損加?。欢?dāng)脈沖功率密度較大時(shí)，激光對缸套內(nèi)壁的作用使得加工材料表面強(qiáng)烈氣化，導(dǎo)致等離子體抑制了后續(xù)激光能量的吸收， 降低了加工深度，這也是不可取的。同時(shí)考慮脈沖能量對刻蝕微坑參數(shù)的影響，認(rèn)為激光功率密度在IO7 108W/cm2、脈寬在0. 5 10 μ S時(shí)，既能保證刻蝕微坑有一定的深度，又能減小激光處理缸套內(nèi)壁產(chǎn)生的表面熔凝物和氣化物。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套缸套內(nèi)壁激光刻蝕的系統(tǒng)，如圖1所示，脈沖激光通過激光外光路系統(tǒng)7，再由聚焦頭2聚焦于缸套1內(nèi)壁，聚焦頭2分別有旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)兩種，依刻蝕方法而定，同軸旋轉(zhuǎn)編碼器3主要作用為控制激光刻蝕位置的精度，工控機(jī)4主要作用為將刻蝕微坑分布參數(shù)編譯為控制電信號，提供給旋轉(zhuǎn)編碼器3和聲光電源5，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定分布參數(shù)的微坑刻蝕，聲光電源5主要作用是將從工控機(jī)發(fā)出的控制信號轉(zhuǎn)換為聲光調(diào)制信號， 控制激光器6發(fā)出具有可控脈寬及功率密度的脈沖激光，激光器6為YAG激光器(包括制冷機(jī))，作用為刻蝕微坑裝置提供穩(wěn)定的基膜激光，激光外光路系統(tǒng)7作用是將從激光器6發(fā)出的脈沖激光引導(dǎo)至聚焦頭2處。缸套內(nèi)壁激光刻蝕可控分布技術(shù)的基本原理利用YAG激光刻蝕微坑由控制聲光電源的電信號控制激光器輸出光脈沖，響應(yīng)速度很快，光脈沖只滯后電信號幾微秒的特點(diǎn)， 通過檢測裝置(高精度高分辨率編碼器)測量缸套的位置，用工控機(jī)4通過可控分布接口卡和可控分布軟件對檢測信號在線變分頻處理后產(chǎn)生控制聲光電源5的電信號，聲光電源5 控制激光器6輸出光脈沖，精確控制缸套內(nèi)壁刻蝕微坑的圓周向間距，同時(shí)通過轉(zhuǎn)動(dòng)裝置 (如機(jī)床)絲杠驅(qū)動(dòng)聚焦頭2移動(dòng)精確控制刻蝕微坑的軸向間距，從而實(shí)現(xiàn)缸套刻蝕微坑二維可控分布。缸套內(nèi)壁脈沖YAG激光刻蝕加工有兩種方法第一種為缸套1轉(zhuǎn)動(dòng)，激光聚焦頭2 做平動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如上述所示，見圖1，首先固定缸套，采用將缸套固定在機(jī)床的四爪卡盤上或其他方法固定，從激光器6發(fā)出的脈沖YAG激光通過外光路7引導(dǎo)至缸套內(nèi)壁1進(jìn)行刻蝕加工，通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同微坑深徑比的激光刻蝕，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)上(如圖1轉(zhuǎn)動(dòng)裝置為機(jī)床)裝有十萬線同軸旋轉(zhuǎn)編碼器3，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(如機(jī)床)參數(shù)點(diǎn)距、螺距及轉(zhuǎn)速，來實(shí)驗(yàn)各種面積占有率及微坑分布角度等缸套內(nèi)壁激光刻蝕參數(shù)的可控；第二種方法為缸套不動(dòng)，激光聚焦頭做轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)，將圖1中同軸編碼器3換為環(huán)形同軸編碼器與2 安裝在一起，并將2改裝為可旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)一致。如圖2所示，本發(fā)明的激光刻蝕方法針對缸套一活塞環(huán)往復(fù)滑動(dòng)及工況的特點(diǎn)， 上止點(diǎn)至上止點(diǎn)以下20mm處區(qū)域油膜不易保存，速度低，磨損嚴(yán)重，重點(diǎn)考慮微坑形貌對降低磨損產(chǎn)生的影響，定義為第一區(qū)域；對應(yīng)于缸套中部油膜充足，速度高，重點(diǎn)考慮微坑形貌對降低摩擦副摩擦的影響；缸套下止點(diǎn)區(qū)域速度低，但油膜充足，可同缸套中部一起考慮，統(tǒng)稱為第二區(qū)域(上止點(diǎn)以下20mm處至下止點(diǎn))。在第一區(qū)域，微坑的作用主要是收集磨粒及儲(chǔ)存潤滑油，降低磨損。當(dāng)活塞環(huán)在缸套內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)中，微坑分布角度反映微坑對摩擦副滑動(dòng)過程產(chǎn)生磨粒的收集能力，同時(shí)隨著微坑面積占有率的增加，單位面積內(nèi)微坑數(shù)目增加，或隨著微坑深徑比的增加，由于摩擦副間潤滑油的總量一定，微坑對油的儲(chǔ)存減小了表面微坑處以外區(qū)域的潤滑油，使得整個(gè)摩擦副的間隙變小，增加了摩擦力，加大了磨損。在此區(qū)域，微坑直徑的范圍是20 200Mm，深
5徑比ε (刻蝕微坑深度與直徑的比值)的范圍是0. 05 0. 15 ；面積占有率$ (—定面積內(nèi)微坑的面積占整個(gè)面積的比值)的范圍是5% 20% ；分布角度θ (微坑沿摩擦副滑動(dòng)方向上的夾角)的范圍是15° 45°。在第二區(qū)域，微坑的作用主要是增加油膜承載力，減小摩擦。在高速、油膜充足的工況下，微坑就等同于一個(gè)微型壓力室，同時(shí)當(dāng)微坑間距達(dá)到一定范圍內(nèi)時(shí)，微坑之間油膜壓力相互影響。在此區(qū)域，微坑直徑的范圍是20 200Mm，深徑比ε的范圍是0. 1 0. 25 ； 面積占有率$的范圍是20% 40%;分布角度θ的范圍是45° 75°。需要指出的是根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
所做出的任何變形，均不脫離本發(fā)明的精神以及權(quán)利要求記載的范圍。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁激光刻蝕加工方法，具體為將內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁分為兩個(gè)區(qū)域處理，自缸套上止點(diǎn)到上止點(diǎn)以下20mm為第一區(qū)域，調(diào)整工作參數(shù)控制第一區(qū)域的激光刻蝕微坑直徑為20 - 200 μ m，微坑深徑比ε為0.05 - 0. 15，微坑面積占有率$為5% -20%，微坑分布角度θ為15° - 45° ；自上止點(diǎn)以下20mm處到下止點(diǎn)為第二區(qū)域，調(diào)整工作參數(shù)控制第二區(qū)域的激光刻蝕微坑直徑為20 - 200μπι，微坑深徑比ε為0.1 - 0.25， 微坑面積占有率S為20% - 40%，微坑分布角度θ為45° - 75°。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁激光刻蝕加工方法，其特征在于，激光刻蝕可以采用缸套轉(zhuǎn)動(dòng)，激光聚焦頭做平動(dòng)或者缸套不動(dòng)，激光聚焦頭做轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)，其中轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)由機(jī)床控制。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁激光刻蝕加工方法，其特征在于，微坑深徑比 ε的調(diào)整是通過控制激光功率密度和脈寬實(shí)現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁激光刻蝕加工方法，其特征在于，微坑面積占有率$及微坑分布角度θ的調(diào)整是通過控制機(jī)床進(jìn)給的點(diǎn)距、螺距和轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。
5.采用如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述激光刻蝕加工方法的激光刻蝕系統(tǒng)，包括激光裝置和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)激光裝置對缸套內(nèi)壁各個(gè)位置進(jìn)行激光刻蝕，其特征在于，所述激光刻蝕系統(tǒng)還包括編碼器、工控機(jī)和聲光電源，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于控制缸套和編碼器周向旋轉(zhuǎn)及激光裝置軸向移動(dòng)，編碼器用于檢測缸套的位置并將檢測信號發(fā)送至工控機(jī)；工控機(jī)用于將刻蝕微坑分布參數(shù)及檢測信號編譯為控制信號，并將該控制信號發(fā)送至聲光電源控制激光裝置輸出激光，以及控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)缸套周向旋轉(zhuǎn)和激光裝置軸向移動(dòng)來調(diào)整激光刻蝕微坑的工作參數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的激光刻蝕系統(tǒng)，其特征在于，所述激光刻蝕微坑的工作參數(shù)包括激光功率密度、脈寬、微坑直徑、微坑深徑比ε、微坑面積占有率$和微坑分布角度Θ。
7.采用如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述激光刻蝕加工方法的激光刻蝕系統(tǒng)，包括激光裝置和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)激光裝置對缸套內(nèi)壁各個(gè)位置進(jìn)行激光刻蝕，其特征在于，所述激光刻蝕系統(tǒng)還包括編碼器、工控機(jī)和聲光電源，編碼器安裝在激光裝置上，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于控制激光裝置在周向旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)，編碼器用于檢測缸套的位置并將檢測信號發(fā)送至工控機(jī)；工控機(jī)用于將刻蝕微坑分布參數(shù)及檢測信號編譯為控制信號，并將該控制信號發(fā)送至聲光電源控制激光裝置輸出激光，以及控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)激光裝置周向旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)來調(diào)整激光刻蝕微坑的工作參數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的激光刻蝕系統(tǒng)，其特征在于，所述激光刻蝕微坑的工作參數(shù)包括激光功率密度、脈寬、微坑直徑、微坑深徑比ε、微坑面積占有率、和微坑分布角度Θ。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)壁激光刻蝕系統(tǒng)及加工方法，該系統(tǒng)包括機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分、激光器和光路部分、控制部分。轉(zhuǎn)動(dòng)部分主軸連接同軸編碼器，激光經(jīng)聚焦頭聚焦于工件表面，一臺(tái)工控機(jī)控制編碼器和聲光電源，使得脈沖激光按照給定的刻蝕參數(shù)對缸套內(nèi)壁進(jìn)行刻蝕加工。本發(fā)明的方法能夠改善內(nèi)燃機(jī)缸套-活塞環(huán)摩擦磨損。通過調(diào)整微坑的深徑比、面積占有率及微坑的分布角度三個(gè)控制參數(shù)，來增加缸套—活塞環(huán)間潤滑油膜的承載力、保存能力及微坑對磨粒的收集能力，從而減小摩擦副的摩擦系數(shù)及降低磨損。
文檔編號B23K101/04GK102179629SQ20111006704
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者占劍, 楊明江, 王紅才, 覃志康, 邢旭輝 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所