專利名稱：一種飛秒激光對(duì)凸輪表面微造型的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面微加工領(lǐng)域，具體涉及一種飛秒激光對(duì)凸輪表面微造型的方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代柴油、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求比功率和經(jīng)濟(jì)性增加，使得發(fā)動(dòng)機(jī)所受交變載荷不斷增加，燃油系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，對(duì)其提出更高的要求。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)所需的供油速率、噴油壓力不斷提高，最終使這些供油壓力、運(yùn)動(dòng)慣性力落在凸輪和滾輪上，所以凸輪和滾輪的工作強(qiáng)度非常大，一旦發(fā)生疲勞損壞，燃油噴射系統(tǒng)就不能很好地正常工作，并影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。凸輪工作一段時(shí)間后，首先會(huì)在凸輪高負(fù)載荷區(qū)域內(nèi)引起表面的拉痕、麻點(diǎn)、剝落。因此，提高凸輪使用壽命、保證其工作可靠性，耐久性，動(dòng)力學(xué)性能成為重要的柴油/汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)重要的課題。研究表明通過在表面設(shè)置一定的微觀形貌能夠改善摩擦副的潤滑減磨性能，同時(shí)擴(kuò)大了流體動(dòng)壓潤滑的載荷和速度。現(xiàn)有技術(shù)里提供了一種對(duì)凸輪滾輪摩擦副表面的激光復(fù)合處理技術(shù)，如申請(qǐng)?zhí)枮?00810124318. 5的中國專利《凸輪表面形貌的激光微造型方法》提供的凸輪表面形貌的激光微造型方法，首先確定凸輪表面微觀幾何形貌設(shè)計(jì)方案，再通過控制激光加工工藝參數(shù)，即功率密度(IO5 107W/cm)、脈沖寬度(25ns 200ns )、重復(fù)頻率(5 15KHz )、掃描速度(Or/min"300r/min)和輔助氣體(氮?dú)饣蜓鯕?結(jié)合工件運(yùn)動(dòng)空間軌跡,實(shí)施不同形貌方案的激光微造型加工，在凸輪特定的局部表面形成硬度高，由微凹腔和微凹槽組成的微觀幾何形貌。上述的方法中，微凹腔與微凹槽組成的微觀形貌會(huì)影響微觀穩(wěn)定性，增加了微造型的加工難度，降低生產(chǎn)效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種飛秒激光對(duì)凸輪表面微造型的方法；該飛秒激光對(duì)凸輪表面微造型的方法可以保證凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性，降低微造型加工難度；提高凸輪表面的耐磨、潤滑減磨性能，延長凸輪使用壽命。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種飛秒激光對(duì)凸輪表面微造型方法，包括如下步驟(I)根據(jù)凸輪受力狀態(tài)將凸輪形貌輪廓行程分為近休止階段，遠(yuǎn)休止階段，推程回程階段三個(gè)基本階段；(2)試驗(yàn)分析出在凸輪表面浸潤性能最佳的情況下，三個(gè)基本階段的最佳微凹坑深度；(3)試驗(yàn)分析出在凸輪表面磨損最少的情況下，三個(gè)基本階段的最佳微凹坑面積占有率;(4)根據(jù)凸輪的外形尺寸、最佳微凹坑深度和最佳微凹坑面積占有率，設(shè)計(jì)待加工微凹坑的位置；(5)根據(jù)待加工微凹坑的排布圖形，設(shè)計(jì)激光焦點(diǎn)的掃描軌跡；
(6)將凸輪定位與夾緊，使凸輪只具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，凸輪近似靜止緩慢運(yùn)動(dòng)；(7)選擇飛秒激光器的加工工藝參數(shù)，所述工藝參數(shù)包括功率密度105 107W/cm、脈沖寬度25 200ns、重復(fù)頻率5 15KHz、掃描速度(T300r/min，結(jié)合激光焦點(diǎn)的掃描軌跡，對(duì)凸輪三個(gè)基本階段的進(jìn)行不同密度排布的激光加工。本發(fā)明主要利用飛秒激光對(duì)凸輪承載接區(qū)域進(jìn)行飛秒激光微造型處理，因?yàn)轱w秒激光超短超強(qiáng)和高聚焦能力，可將能量全部快速準(zhǔn)確集中在作用區(qū)域，并且具有能耗低、無熱熔區(qū)、冷加工、高精度、高質(zhì)量、對(duì)環(huán)境無特殊要求等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提出了依據(jù)不同承載面的承載力需求提出了將承載面按力的變化進(jìn)行分類的解決方案，在保證提高摩擦性能的前提下同時(shí)保證加工微微凹坑的目的更加明確。由于上述技術(shù)方案的采用，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、在凸輪三種局部工作表面形成硬度高，且按對(duì)承載力分布的、由三種不同微凹坑陣列平均分布各段表面組成的微觀形貌及金相組織。2、本發(fā)明由于采用對(duì)凸輪進(jìn)行分段式討論激光加工微凹坑，有利于根據(jù)對(duì)不同段的所受承載力，平均分布微凹坑陣列。3、本發(fā)明各段凸輪段都是由一系列微凹坑均勻分布，重復(fù)性好，穩(wěn)定性高。4、本發(fā)明在凸輪表面微造型參數(shù)的選擇上，不僅能起到很好的潤滑作用還改善承載力的分布。5、本發(fā)明在凸輪表面形成的微凹坑有利于收集磨粒，避免磨粒磨損。


圖1為飛秒激光對(duì)凸輪表面微造型的方法的流程圖；圖2為激光加工設(shè)備示意圖；1、計(jì)算機(jī)；2、飛秒激光器；3、激光束；4、45°全反鏡；5、聚焦鏡；6、凸輪軸；7、工
作臺(tái)；8、凸輪。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。如圖1、2所示，本發(fā)明提供了一種飛秒激光對(duì)凸輪表面微造型的方法，包括以下步驟(I)利用計(jì)算機(jī)I根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律即將凸輪8形貌輪廓到凸輪軸6距離分為近休止階段(距離最近且不變化)，遠(yuǎn)休止階段(距離最遠(yuǎn)且不變化)，推程回程階段(距離不斷變化)三個(gè)基本階段；(2)采用飛秒激光器2對(duì)凸輪8三階段分別進(jìn)行不同深度的微凹坑加工，同種階段的深度相同，微凹坑深度范圍為2 u nT20 u m ；利用三維形貌儀測量微凹坑深度，結(jié)合表面浸潤性，得出表面浸潤性能最佳即接觸角值最大時(shí)的三種階段的最佳微凹坑深度；并將三種階段的最佳微凹坑深度反饋給計(jì)算機(jī)I ;(3)飛秒激光器2對(duì)凸輪8三階段分別進(jìn)行不同微凹坑面積占有率的微凹坑加工，同種階段的微凹坑面積占有率相同；微凹坑面積占有率范圍為20%-45% ;其中，微凹坑面積占有率計(jì)算公式為r = JI d2/s, d為微凹坑直徑，S為凸輪三階段的面積；結(jié)合凸輪8不同階段微凹坑面積占有率，進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，磨損最少時(shí)的微凹坑面積占有率參數(shù)為最佳微凹坑面積占有率；并將三階段的最佳微凹坑面積占有率反饋給計(jì)算機(jī)I ;(4)根據(jù)凸輪8的外形尺寸、最佳凹坑深度和最佳微凹坑面積占有率，設(shè)計(jì)待加工凹坑的位置；(5)根據(jù)待加工凹坑的排布圖形，設(shè)計(jì)激光焦點(diǎn)的掃描軌跡；(6)將凸輪8定位與夾緊在工作臺(tái)7上，使凸輪8只具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，凸輪8近似靜止緩慢運(yùn)動(dòng)；(7)選擇飛秒激光器2加工工藝參數(shù)，所述工藝參數(shù)包括功率密度IO5 107W/cm、脈沖寬度25 200ns、重復(fù)頻率5 15KHz、掃描速度(T300r/min和輔助氣體(氮?dú)饣蜓鯕?，結(jié)合激光焦點(diǎn)的掃描軌跡，對(duì)凸輪8三個(gè)基本階段的進(jìn)行不同密度排布的激光加工；即飛秒激光器2發(fā)出激光束3，激光束3經(jīng)過45°全反鏡4反射和聚焦鏡5后聚焦在凸輪8表面，實(shí)現(xiàn)激光加工。
權(quán)利要求
1.一種飛秒激光對(duì)凸輪表面微造型方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)根據(jù)凸輪受力狀態(tài)將凸輪形貌輪廓行程分為近休止階段，遠(yuǎn)休止階段，推程回程階段三個(gè)基本階段； (2)試驗(yàn)分析出在凸輪表面浸潤性能最佳的情況下，三個(gè)基本階段的最佳微凹坑深度； (3)試驗(yàn)分析出在凸輪表面磨損最少的情況下，三個(gè)基本階段的最佳微凹坑面積占有率； (4)根據(jù)凸輪的外形尺寸、最佳微凹坑深度和最佳微凹坑面積占有率，設(shè)計(jì)待加工微凹坑的位置； (5)根據(jù)待加工微凹坑的排布圖形，設(shè)計(jì)激光焦點(diǎn)的掃描軌跡； (6)將凸輪定位與夾緊，使凸輪只具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，凸輪近似靜止緩慢運(yùn)動(dòng)； (7)選擇飛秒激光器的加工工藝參數(shù)，所述工藝參數(shù)包括功率密度IO5 107W/cm、脈沖寬度25 200ns、重復(fù)頻率5 15KHz、掃描速度(T300r/min，結(jié)合激光焦點(diǎn)的掃描軌跡，對(duì)凸輪三個(gè)基本階段的 進(jìn)行不同密度排布的激光加工。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種飛秒激光對(duì)凸輪表面微造型方法，首先根據(jù)凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律將凸輪運(yùn)動(dòng)階段分為近休止階段，遠(yuǎn)休止階段，推程回程階段；飛秒激光對(duì)凸輪三階段分別進(jìn)行不同深度的微凹坑加工；利用三維形貌儀測量凹坑微凹坑深度，結(jié)合表面浸潤性，得出對(duì)應(yīng)的最佳材料潤滑性能的三種凹坑微凹坑深度反饋給計(jì)算機(jī)；飛秒激光對(duì)凸輪三階段分別進(jìn)行不同微凹坑占有率微凹坑面積占有率的微凹坑加工；進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，確定最佳微凹坑面積占有率并反饋給計(jì)算機(jī)；最后實(shí)施激光微造型加工控制微凹坑形貌。本發(fā)明不僅顯著改善凸輪表面的潤滑性能,提高凸輪耐磨性,還可以延長凸輪的壽命,提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。
文檔編號(hào)B23K26/38GK103071931SQ20131001311
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者馮愛新, 薛偉, 楊潤, 顧永玉 申請(qǐng)人:溫州大學(xué), 江蘇大學(xué)