紫外激光織構(gòu)汽缸套內(nèi)壁專用加工裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種紫外激光織構(gòu)汽缸套內(nèi)壁專用加工裝置。
技術(shù)背景
[0002]激光表面微織構(gòu)技術(shù)大量用于提高材料的硬度、耐磨、耐高溫、抗氧化等性能，具有加工快、成本低、無污染、非接觸式、無工具磨損、優(yōu)良的尺寸控制精度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空、航天、航海、軍事等工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域。
[0003]激光表面微織構(gòu)處理技術(shù)使用的激光光源主要有連續(xù)激光和脈沖激光，傳統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛的激光主要有二氧化碳激光、光纖激光和YAG固體激光等；目前，也有采用皮秒、飛秒等激光對材料表面開展微織構(gòu)加工技術(shù)研宄。
[0004]傳統(tǒng)YAG激光織構(gòu)裝置的基本原理是采用聲光調(diào)Q的YAG激光器作為脈沖激光發(fā)生源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光束經(jīng)光路系統(tǒng)聚焦后，直接作用于被加工的工件的表面進(jìn)行微造型；通過控制調(diào)Q頻率與工件的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)所要求的表面微凹坑分布。如江蘇大學(xué)開發(fā)的一種激光表面微造型裝置及方法(200810155787.3)，就是采用聲光調(diào)Q的Nd:YAG激光器作為加工光源對材料表面進(jìn)行激光處理的；采用聲光調(diào)Q的YAG激光器其聲光調(diào)器件具有較高的脈沖頻率，但其衍射效率有限，當(dāng)激光增益很高時(shí)，聲光調(diào)Q器件無法提供足夠高的損耗使激光器的振蕩有效關(guān)斷，這使聲光調(diào)Q脈沖激光器的單脈沖能量和平均功率都較低，從而導(dǎo)致在較深儲油坑要求下生產(chǎn)效率較低，如江蘇大學(xué)申請公開的“一種激光表面微造型方法”(200610039758.1)，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。
[0005]二氧化碳激光和光纖激光屬于長波激光，其波長分布在紅外光長區(qū)域，加工時(shí)熱效應(yīng)明顯，對材料的熱影響較大，影響材料表面性能。
[0006]飛秒激光由于具有超短脈沖，超高能量密度等特性，所以采用飛秒激光進(jìn)行材料加工時(shí)，具有對材料損傷小，加工質(zhì)量好，加工速度快等特點(diǎn)；目前，已有飛秒激光處理技術(shù)在汽缸內(nèi)表面加工處理的技術(shù)研宄，溫州大學(xué)申報(bào)了“一種激光復(fù)合微織構(gòu)缸套內(nèi)表面的方法和裝置” (201310013106.0),開發(fā)出了一種激光復(fù)合微織構(gòu)缸套內(nèi)表面的方法，該方法首先通過飛秒激光加工得到所需微織構(gòu)結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)一步提高激光織構(gòu)區(qū)域缸套的硬度、耐磨性，提升缸套使用壽命，又采用納秒脈沖激光對缸套內(nèi)表面飛秒激光加工區(qū)域進(jìn)行沖擊強(qiáng)化處理，從而增強(qiáng)飛秒激光加工區(qū)域材料的力學(xué)性能；但飛秒激光器與其它幾種傳統(tǒng)常用的激光器相比，價(jià)格十分昂貴，目前使用飛秒激光器進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)，從經(jīng)濟(jì)性的和生產(chǎn)成本角度考慮，還遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。
[0007]為了獲得較高的加工效率，產(chǎn)生足夠深的儲油微凹坑，也有采用兩個(gè)或多個(gè)激光器并聯(lián)的激光加工裝置來提高加工效率和速度的相關(guān)技術(shù)；武漢市凱瑞迪激光技術(shù)有限公司公布了一種“固體激光珩磨加工裝置”(203265910U)，該裝置采用兩個(gè)或兩個(gè)以上脈沖串固體激光器并聯(lián)的固體激光珩磨加工裝置，通過該裝置獲得較高的教工效率、產(chǎn)生足夠深的儲油微凹坑；但該“固體激光珩磨加工裝置”珩磨機(jī)床是采用二維平移導(dǎo)軌來控制其移動和定位的，這種結(jié)構(gòu)在進(jìn)行汽缸套裝夾和加工定位時(shí)需要浪費(fèi)大量時(shí)間，且每換一只缸套進(jìn)行加工時(shí)都需要重新進(jìn)行加工定位，大大增加了加工準(zhǔn)備時(shí)間，不利于提高生產(chǎn)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于:提出一種紫外激光織構(gòu)汽缸套內(nèi)壁專用加工裝置，該加工裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，操作、調(diào)試簡便，實(shí)現(xiàn)一次定位重復(fù)加工，紫外激光波長短，能量高，與材料相互作用時(shí)熱影響區(qū)域小，屬于冷光加工，具有較大加工優(yōu)勢。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:該加工裝置包括激光器、光路準(zhǔn)直器、若干個(gè)光路調(diào)整反射鏡、激光頭、激光頭運(yùn)動平臺和汽缸套旋轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺；激光器的后位經(jīng)氣動閘安裝光路準(zhǔn)直器，光路準(zhǔn)直器后位根據(jù)光路調(diào)整線路安裝若干個(gè)調(diào)整反射鏡，激光頭固定安裝在激光頭運(yùn)動平臺上，激光頭的直筒上端口正對最后一個(gè)調(diào)整反射鏡的光路；所述激光頭運(yùn)動平臺包括運(yùn)動底座、水平運(yùn)動導(dǎo)軌、豎直運(yùn)動導(dǎo)軌、水平運(yùn)動電機(jī)和豎直運(yùn)動電機(jī)，水平運(yùn)動導(dǎo)軌、豎直運(yùn)動導(dǎo)軌固定于運(yùn)動底座，水平運(yùn)動電機(jī)安裝在水平運(yùn)動導(dǎo)軌右側(cè)，通過水平運(yùn)動導(dǎo)軌內(nèi)的絲桿連接控制豎直運(yùn)動導(dǎo)軌及運(yùn)動底座水平方向運(yùn)動，豎直運(yùn)動電機(jī)安裝在豎直運(yùn)動導(dǎo)軌上端，通過豎直運(yùn)動導(dǎo)軌內(nèi)的絲桿連接控制固定底座的上下運(yùn)動，激光頭運(yùn)動平臺固定于整個(gè)裝置的支架上；所述的激光頭包括直筒、直角腔體、聚焦透鏡和反射鏡；直筒通過固定座與固定螺孔配合安裝在運(yùn)動底座上，直筒的頂端對準(zhǔn)最后一個(gè)調(diào)整反射鏡的光路，該調(diào)整反射鏡固定于激光頭上下運(yùn)動導(dǎo)軌的上端；激光頭在做水平運(yùn)動時(shí)直筒的頂端開口始終對準(zhǔn)最后一個(gè)調(diào)整反射鏡的光路，直筒的底端連接直角腔體的其中一角，直角腔體內(nèi)經(jīng)定位環(huán)安裝聚焦透鏡，直角腔體內(nèi)位于聚焦透鏡的下方設(shè)透光孔，直角腔體側(cè)蓋的內(nèi)壁上安裝反射鏡，直角腔體的另一角上設(shè)激光噴嘴。
[0010]其中，在直角腔體上設(shè)輔助氣體接口。
[0011]其中，在直角腔體上通過固定扣安裝成像系統(tǒng)，所述成像系統(tǒng)包括筒體、成像反射鏡和成像攝像頭，筒體的底部設(shè)成像光入口，成像光入口與激光噴嘴指向保持一致，筒體的底部安裝成像反射鏡，筒體上端攝像頭固定孔通過固定螺釘螺孔與成像攝像頭連接，整個(gè)成像系統(tǒng)通過直角扣定位直角腔體激光噴嘴的正上方。
[0012]其中，激光器為半導(dǎo)體端面泵浦紫外激光器，激光輸出波長:355 nm，激光輸出功率:0-10W可變，重復(fù)頻率20KHz-100KHz，發(fā)散角.,( 2mrad@TEM00，功率不穩(wěn)定度..( ±3%(均方差)，脈沖寬度25nsi30kHzo
[0013]其中，所述汽缸套旋轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺位于激光頭運(yùn)動平臺的正下方，汽缸套旋轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)、旋轉(zhuǎn)底座和汽缸套定位三角卡盤組成，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)通過齒輪配合驅(qū)動旋轉(zhuǎn)底座，旋轉(zhuǎn)底座上固定安裝三角卡盤；汽缸套被三角卡盤固定后做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，汽缸套是繞其自身的中心軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的，汽缸套旋轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺固定于整個(gè)裝置的支架上。
[0014]工作時(shí)，激光器的激光束經(jīng)光路準(zhǔn)直器調(diào)節(jié)后，再經(jīng)若干調(diào)整反射鏡反射，最后由直筒的上端口沿直筒的軸線方向射入直筒；直角腔體內(nèi)聚焦透鏡用于聚焦直筒內(nèi)傳輸?shù)臏?zhǔn)直化激光束，直角腔體內(nèi)反射鏡將聚焦后的激光束傳播方向改變90度沿激光噴嘴噴出；
在進(jìn)行調(diào)校聚焦時(shí)，豎直運(yùn)動導(dǎo)軌、運(yùn)動底座連同整個(gè)激光頭裝置在水平運(yùn)動電機(jī)驅(qū)動下沿水平運(yùn)動導(dǎo)軌做水平運(yùn)動；此時(shí)，通過筒體內(nèi)的成像反射鏡經(jīng)成像攝像頭，觀測到汽缸套內(nèi)壁的影像情況，當(dāng)所呈影像清晰時(shí)，表示激光頭到達(dá)激光織構(gòu)加工焦距位置；確定激光織構(gòu)加工焦距位置后，運(yùn)動底座連同激光頭，通過豎直絲杠在豎直運(yùn)動電機(jī)的驅(qū)動下，沿著豎直運(yùn)動導(dǎo)軌向上運(yùn)動預(yù)設(shè)的偏移量，此時(shí)激光噴嘴所正對的汽缸套內(nèi)壁的位置即為偏移前成像系統(tǒng)所成影像的汽缸套內(nèi)壁所在位置，保證汽缸套內(nèi)壁激光噴嘴所正對的位置為汽缸套內(nèi)壁的初始加工點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精確定位；加工時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺帶動汽缸套沿順時(shí)針或逆時(shí)針方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，結(jié)合激光頭上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)在汽缸套內(nèi)壁加工出所需微結(jié)構(gòu)。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:1、紫外激光波長短，能量高，與材料相互作用時(shí)熱影響區(qū)域小，在進(jìn)行材料加工時(shí)屬于冷光加工，減少了激光對材料的熱影響，降低激光加工時(shí)對材料性能的破壞，與飛秒激光器相比價(jià)格低，在進(jìn)行材料表面微織構(gòu)加工時(shí)具有較大的優(yōu)勢；2、該加工裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，操作、調(diào)試簡便，工作效率高；3、激光非接觸加工避免了刀具磨損，降低生產(chǎn)成本；4、激光加工時(shí)清潔衛(wèi)生，減少加工過程對環(huán)境的污染；5、激光頭伴隨有真空吸附裝置，用于吸附加工時(shí)所產(chǎn)生的熔渣、蒸汽及其電離產(chǎn)生的等離子體等物質(zhì)，以防止此類物質(zhì)逸入直角腔體，損傷或破壞直角腔體內(nèi)的聚焦透鏡和反射鏡；6、直筒內(nèi)設(shè)有聚焦透鏡，用于聚焦直筒內(nèi)傳輸?shù)臏?zhǔn)直化激光束，同時(shí)該透鏡還有密封作用，當(dāng)通入輔助氣體時(shí)，能阻止輔助氣體進(jìn)入直筒向上傳播，在進(jìn)行激光加工織構(gòu)時(shí)保護(hù)激光頭，保證材料表面加工質(zhì)量；7、在加工相同規(guī)格的汽缸套產(chǎn)品時(shí)，只需進(jìn)行一次調(diào)校，即可進(jìn)行反復(fù)的加工過程，節(jié)約了調(diào)校時(shí)間，大大提高了生產(chǎn)效率。
【附圖說明】
[0016]圖1為發(fā)明裝置光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)光路圖。
[0017]圖2為本發(fā)明激光頭運(yùn)動平臺不意圖。
[0018]圖3為本發(fā)明的激光頭側(cè)視圖。
[0019]圖4為本發(fā)明的激光頭正視圖。
[0020]圖5為直角腔體正面結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖6為直角腔體側(cè)面結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0022]圖7為成像系統(tǒng)筒體正面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖8為成像系統(tǒng)