專利名稱：一種激光復合微織構缸套內表面的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光微制造技術領域，具體涉及一種激光復合微織構缸套內表面的方法和裝置。
背景技術：
激光微造型技術是一種易控制、效率高的現代化加工方法，利用具有一定能量密度(間距)、寬度、深度、角度、形狀的規則微觀幾何形貌，以使在摩擦副表面形成動壓流體潤滑或彈流潤滑。同時，利用激光的熱效益，改變金相組織，從而達到在摩擦副表面潤滑減磨和強化抗磨的雙重效果。摩擦副的摩擦學行為，既影響著機器的工作性能與運行效率，同時也對其使用壽命有著十分重要的影響。傳統的表面工程技術利用拋光、研磨等表面精加工技術來減小摩擦表面的粗糙度，從而使表面盡可能光滑，并通過各種表面處理技術，強化摩擦副表面，提高其硬度，則用以提高耐磨性。但這些專有技術增加了零部件加工工藝的復雜性，提高了制造成本，且具有一定的局限性，因為單項技術并不能兼顧潤滑與耐磨的要求。

發明內容
本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種激光復合微織構缸套內表面的方法，可兼顧潤滑與耐磨的要求，延長缸套的使用壽命；本發明還同時提供了一種激光復合微織構缸套內表面的裝置。本發明是通過如下技術方案實現的:一種激光復合微織構缸套內表面的方法，包括以下步驟:(I)利用飛秒激光器在缸套內表面加工出所需要的微觀幾何形貌；(2)利用納秒激光器對經步驟(I)加工后的微觀形貌區域進行激光沖擊波強化。本發明的進一步設置在于，步驟(I)中所述加工的具體過程為:(1.1)飛秒激光器產生激光束，激光束II在導光筒的引導下被導入到缸套內表面，對缸套內表面進行激光微織構；(1.2)每當打完一個微凹坑后，控制工作臺使工件夾具旋轉一定角度繼續打下一個微凹坑，直到在缸套內表面打出一圈微凹坑；(1.3)控制工作臺停止旋轉，并作進給運動移動一段距離，繼續打一圈微凹坑，直至整個缸套內表面加工出所需要的微觀幾何形貌。本發明的進一步設置在于，激光沖擊波強化時用水作為約束層，黑漆作為吸收層。本發明還同時提供了一種激光復合微織構缸套內表面的裝置，包括激光微織構光路部分、激光沖擊強化光路部分、控制部分和工作臺；激光微織構光路部分包括飛秒激光器、45°全反鏡I1、調節光斑光學鏡片II和導光筒II ;飛秒激光器產生的激光束通過45°全反鏡II反射通過調節光斑光學鏡片II在導光筒II的引導下被導入到缸套內；
激光沖擊強化光路部分包括納秒激光器、45°全反鏡1、光斑光學鏡片1、導光筒1、噴水裝置和噴涂黑漆裝置；納秒激光器產生的激光束通過45°全反鏡I反射通過調節光斑光學鏡片I，穿過噴水裝置噴出的水幕，在導光筒I的引導下被導入到缸套內；所述控制部分包括第一計算機控制裝置和第二計算機控制裝置，第一計算機控制裝置與飛秒激光器、納秒激光器和噴涂黑漆裝置相連，第二計算機控制裝置與噴水裝置和工作臺相連。本發明利用飛秒激光激光器在缸套表面加工按一定方式布置的微觀凹坑，然后采取激光沖擊波強化微觀凹坑區域(產生殘余壓應力)，用于存儲潤滑油，當活塞在缸套表面滑動時，儲存在這些微凹坑中的潤滑油，其流量和流向均發生突變，在微觀上產生局部不均勻壓力分布，從而在宏觀上累積形成流體動壓效應，在缸套與活塞環之間產生具有一定厚度和承載能力的動壓潤滑油膜，明顯改善表面的機械性能(殘余應力、硬度和粗糙度)和摩擦性能。本發明所述激光復合微織構缸套內表面的方法具有如下有益效果:(I)在干摩擦條件下，微凹表面織構可以作為儲存磨損顆粒的儲存器，減少摩擦表面的磨粒磨損和犁溝，從而降低磨損率。 (2)在邊界潤滑條件下，儲存在織構中的潤滑油由于表面的磨損或變形而被擠出，形成擠壓膜。(3)激光沖擊參數精確可控，重復性好，沖擊強化的效果均勻，沖擊后無需再處理。(4)激光沖擊可以消除缸套內表面微織構后的殘余拉應力，形成深度的殘余壓應力并使晶粒細化更均勻，提高了缸套的硬度、耐磨性、抗疲勞性能，使缸套的使用壽命得到了提升。(5)本發明克服了單項技術不能兼顧潤滑與耐磨的要求，可進一步改善缸套/活塞環摩擦副表面的潤滑性與抗磨損性能，提高其使用壽命。


圖1為激光復合微織構缸套內表面的裝置示意圖；圖中，1.納秒激光器 2.激光束I 3.45°全反鏡I 4.調節光斑光學鏡片I
5.噴水裝置6.水幕7.導光筒I 8.噴涂黑漆裝置9.夾具10.工作臺11.缸套12.導光筒II 13.調節光斑光學鏡片II 14.第二計算機控制裝置 15.45°全反鏡II16.激光束II 17.飛秒激光器18.第一計算機控制裝置。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明提出的具體裝置的細節和工作情況。本發明所述的方法首先采用飛秒激光器在缸套表面制備具有一定密度(間距)、寬度、深度、角度和形狀的規則微觀幾何形貌，然后用激光沖擊波強化處理微觀幾何形貌區域，在缸套內表面加工出所需要的形狀和布置方式的微觀結構。圖1所示為激光復合微織構缸套內表面的裝置示意圖，包括包括激光微織構光路部分、激光沖擊強化光路部分、控制部分和工作臺10 ;激光微織構光路部分包括飛秒激光器17、45°全反鏡II 15、調節光斑光學鏡片II 13和導光筒II 12 ;飛秒激光器17產生的激光束II 16通過45°全反鏡II 15反射通過調節光斑光學鏡片II 13，激光束II 16在導光筒
II12的引導下被導入到缸套11表面；激光沖擊強化光路部分包括納秒激光器1、45°全反鏡13、光斑光學鏡片14、導光筒17、噴水裝置5和噴涂黑漆裝置8 ;納秒激光器產生激光束12，激光束12通過45°全反鏡13反射，然后通過調節光斑光學鏡片I，穿過噴水裝置5噴出的水幕6，最終激光束12在導光筒17的引導下被導入到缸套11 ;所述控制部分包括第一計算機控制裝置18和第二計算機控制裝置14，第一計算機控制裝置18與飛秒激光器17、納秒激光器I和噴涂黑漆裝置8相連，第二計算機控制裝置14與控制噴水裝置5和工作臺10相連。激光微織構的具體步驟為:第一計算機控制裝置18中輸入所需的參數使飛秒激光器17產生激光束II 16，其中飛秒激光以其超短和超強的特點，擁有獨特的材料加工特性，可以在極短的時間內進行材料的去除加工，從而保證加工質量。然后激光束II 16通過45°全反鏡II 15反射通過調節光斑光學鏡片II 13，激光束II 16在導光筒II 12的引導下被導入到缸套11表面對缸套11表面進行激光微織構，每當打完一個微凹坑后第二計算機控制裝置14控制工作臺10使工件夾具9旋轉一定角度繼續打下一個微凹坑，直到在缸套內表面打出一圈微凹坑工作臺10停止旋轉，隨后第二計算機控制裝置14控制工作臺10作進給運動移動一段距離，繼續打一圈微凹坑直至整個缸套11內表面加工出所需要的微凹坑陣列。噴涂黑漆的具體步驟為:第二計算機控制裝置14操控工作臺10移動到指定位置，同時第一計算機控制裝置18控制噴涂黑漆裝置8對缸套11表面進行噴涂黑漆作吸收層。噴涂的同時第二計算機控制裝置14控制工作臺10做旋轉運動和進給運動，使整個缸套11內表面噴涂上均勻的黑漆。激光沖擊強化的具體步驟為:第二計算機控制裝置14主要控制工作臺10和噴水裝置5，在第一計算機控制裝置18中輸入所需的參數使納秒激光器I產生激光束12，激光束12通過45°全反鏡13反射，然后通過調節光斑光學鏡片I，穿過噴水裝置5噴出的水幕
6,最終激光束12在導光筒17的引導下被導入到缸套11表面并對內表面作激光沖擊強化處理，使缸套11表面的黑漆汽化、電離形成沖擊波，缸套11在沖擊波的作用下發生塑性變形達到激光強化的目的。每當激光沖擊一次后第二計算機控制裝置14控制工作臺10使工件夾具9旋轉一定角度繼續沖擊一次，直到在缸套11內表面激光沖擊一圈后工作臺10停止旋轉，隨后第二計算機控制裝置14控制工作臺10作進給運動移動一段距離，繼續激光沖擊下一圈直至整個缸套11內表面激光沖擊強化完全。激光復合微織構缸套表面的方法的具體實施步驟如下:(I)根據活塞表層加工區域要求，通過第一計算機控制裝置18編程生成加工軌跡，確定激光光斑直徑和能量等工藝參數。(2)利用光斑調節光學鏡片1、II控制激光光斑的空間能量分布，使得輸出激光束1、II在空間上均勻分布。(3)首先利用第二計算機控制裝置14控制飛秒激光器17產生激光束II 16，激光束II 16通過導光筒II 12在缸套11內表面加工微凹坑，在加工微凹坑的同時，缸套11在夾具9上作緩慢的旋轉。(4)當激光束II 16在缸套11內表面加工出一圈微凹坑后，五軸工作臺向左滑動一定距離，然后激光束II 16繼續在缸套11內表面加工出一圈微凹坑，最后使整個缸套11內表面加工出所需要的微觀造型。(5)當微造型完成以后，第二計算機控制裝置14控制工作臺10移動到指定位置，第一計算機控制裝置18控制噴涂黑漆裝置8對缸套11內表面進行均勻噴涂，通風干燥后進行激光沖擊強化實驗，(6)利用第二計算機控制裝置14控制工作臺10移動到指定位置并打開噴水裝置5，然后通過第一計算機控制裝置18控制納秒激光器I沖擊強化缸套表面的微觀幾何形貌區域。(7)用水作約束層，黑漆作吸收層，當激光光束通過約束層照射到活塞表面的黑漆上，引起黑漆汽化、電離形成沖擊波，活塞表面在沖擊波的作用下發生塑性變形，即達到沖擊強化效果。
權利要求
1.一種激光復合微織構缸套內表面的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)利用飛秒激光器在缸套內表面加工出所需要的微觀幾何形貌； (2)利用納秒激光器對經步驟(I)加工后的微觀形貌區域進行激光沖擊波強化。
2.根據權利要求1所述的一種激光復合微織構缸套內表面的方法，其特征在于，步驟(I)中所述加工的具體過程為: (1.1)飛秒激光器產生激光束，激光束II在導光筒的引導下被導入到缸套內表面，對缸套內表面進行激光微織構； (1.2)每當打完一個微凹坑后，控制工作臺使工件夾具旋轉一定角度繼續打下一個微凹坑，直到在缸套內表面打出一圈微凹坑； (1.3)控制工作臺停止旋轉，并作進給運動移動一段距離，繼續打一圈微凹坑，直至整個缸套內表面加工出所需要的微觀幾何形貌。
3.根據權利要求1所述的一種激光復合微織構缸套內表面的方法，其特征在于，激光沖擊波強化時用水作為約束層，黑漆作為吸收層。
4.一種激光復合微織構缸套內表面的裝置，其特征在于，包括激光微織構光路部分、激光沖擊強化光路部分、控制部分和工作臺； 激光微織構光路部分包括飛秒激光器、45°全反鏡I1、調節光斑光學鏡片II和導光筒II ;飛秒激光器產生的激光束通過45°全反鏡II反射通過調節光斑光學鏡片II在導光筒II的引導下被導入到缸套內； 激光沖擊強化光路部分包括納秒激光器、45°全反鏡1、光斑光學鏡片1、導光筒1、噴水裝置和噴涂黑漆裝置；納秒激光器產生的激光束通過45°全反鏡I反射通過調節光斑光學鏡片I，穿過噴水裝置噴出的水幕，在導光筒I的引導下被導入到缸套內； 所述控制部分包括第一計算機控制裝置和第二計算機控制裝置，第一計算機控制裝置與飛秒激光器、納秒激光器和噴涂黑漆裝置相連，第二計算機控制裝置與噴水裝置和工作臺相連。
全文摘要
本發明提供了一種激光復合微織構缸套內表面的方法，包括以下步驟(1)利用飛秒激光器在缸套內表面加工出所需要的微觀幾何形貌；(2)利用納秒激光器對經步驟(1)加工后的微觀形貌區域進行激光沖擊波強化。在干摩擦條件下，微凹表面織構可以作為儲存磨損顆粒的儲存器，減少摩擦表面的磨粒磨損和犁溝，從而降低磨損率。激光沖擊可以消除缸套內表面微織構后的殘余拉應力，形成深度的殘余壓應力并使晶粒細化更均勻，提高了缸套的硬度、耐磨性、抗疲勞性能，使缸套的使用壽命得到了提升。本發明還同時提供了一種激光復合微織構缸套內表面的裝置。
文檔編號C21D1/09GK103111752SQ20131001310
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月14日 優先權日2013年1月14日
發明者馮愛新, 盧軼, 薛偉, 王瑞延, 顧永玉 申請人:溫州大學, 江蘇大學