專利名稱：金屬構(gòu)件表面微觀形貌可控制造工藝實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬構(gòu)件表面微觀形貌可控制造工藝實(shí)現(xiàn)方法，屬于機(jī)械制造和摩擦潤(rùn)
滑技術(shù)領(lǐng)域,可應(yīng)用于各種摩擦副的表面形貌制造。
背景技術(shù)：
據(jù)估計(jì)，全世界約有1/3 1/2的能源以各種形式消耗在摩擦上，而摩擦導(dǎo)致的機(jī)械磨損 所損耗的材料在我國(guó)每年高達(dá)幾百億元。摩擦副幾乎是所有機(jī)械產(chǎn)品中最為關(guān)鍵和核心的部 件，其摩擦學(xué)行為不僅影響到機(jī)械系統(tǒng)工作性能和運(yùn)行效率，甚至是導(dǎo)致其失效的主要原因。 最大限度地降低摩擦是人們長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，因此減摩技術(shù)的開(kāi)發(fā)和普及具有重要的經(jīng)濟(jì)和 社會(huì)效益。
在摩擦學(xué)領(lǐng)域，很多摩擦學(xué)機(jī)理都與表面形貌有關(guān)，表面形貌的很多特征將直接進(jìn)入摩 擦學(xué)計(jì)算中，是當(dāng)今摩擦學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)良好的潤(rùn)滑性能，對(duì)摩擦副工件表面 進(jìn)行微觀形貌設(shè)計(jì)，改善潤(rùn)滑狀況，提高耐磨減磨性能，對(duì)于延長(zhǎng)摩擦副的使用壽命具有重 要意義，而如何實(shí)現(xiàn)表面形貌的可控是制造領(lǐng)域的難點(diǎn)。
表面微觀形貌技術(shù)研究中，出現(xiàn)了各種不同的加工方法，如噴丸技術(shù)、激光毛化技術(shù)、
激光微造型技術(shù)以及基于激光沖擊的微造型技術(shù)。噴丸技術(shù)工藝過(guò)程難以控制，表面形貌不
易控制；激光毛化技術(shù)克服了傳統(tǒng)噴丸技術(shù)不規(guī)則形貌難以控制的問(wèn)題，可以使鋼板表面獲
得可控的表面形貌，但激光毛化形貌主要為規(guī)則分布的"火山口"形貌。但是，從摩擦學(xué)設(shè)
計(jì)角度分析，該種形貌并不利于形成動(dòng)壓潤(rùn)滑油膜，且"火山口"形貌邊緣的應(yīng)力集中容易
使工件表面形成裂紋；激光微造型技術(shù)熔融金屬的飛濺及重鑄易造成切口內(nèi)部堵塞、表面粗
糙不平；基于激光沖擊的微造型技術(shù)利用激光的力效應(yīng)在金屬構(gòu)件表面形成微凹坑，加工效
率較低，且不適于高硬度和高脆性材料的微觀形貌制造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供-種金屬構(gòu)件表面微觀形貌可控制造工藝 實(shí)現(xiàn)方法，可以在不同材質(zhì)金屬構(gòu)件加工出規(guī)則或非規(guī)則、表面光滑、連續(xù)過(guò)渡、無(wú)微裂紋 的可控微觀形貌，有利于形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)。
本發(fā)明任務(wù)是這樣完成的采用連續(xù)激光器，在金屬構(gòu)件表面局部進(jìn)行連續(xù)加熱，產(chǎn)生 不均勻溫度場(chǎng)，誘發(fā)不均勻熱應(yīng)力。由于加熱區(qū)域周圍冷態(tài)材料的約束，而此時(shí)加熱區(qū)域金屬 材料的屈服極限大大降低，在熱應(yīng)力的作用下，構(gòu)件表面加熱區(qū)域處的材料產(chǎn)生較大的塑性 變形，導(dǎo)致板材的上表面出現(xiàn)材料的少量堆積，冷卻后材料堆積不能復(fù)原，從而形成微凸體。 通過(guò)改變激光光斑直徑、激光功率和激光掃描速度等主要加工工藝參數(shù)，可調(diào)整金屬構(gòu)件表 面連續(xù)加熱時(shí)生成微凸體的形狀，微凸體高度小于40pm。為了獲得可控的表面形貌(包括規(guī) 則與非規(guī)則形貌)，將連續(xù)掃描改為斷續(xù)掃描，調(diào)整激光加工工藝參數(shù)、連續(xù)掃描長(zhǎng)度和間斷 距離的距離獲得一個(gè)方向的表面微觀形貌；通過(guò)合理優(yōu)化工藝參數(shù)和掃描間距獲得另外一個(gè) 方向的表面微觀形貌，從而實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件表面微觀形貌的可控制造。
根據(jù)規(guī)則或非規(guī)則形貌目標(biāo)形貌的要求，加工工藝參數(shù)可以通過(guò)建立以下基本關(guān)系數(shù)據(jù) 庫(kù)來(lái)獲得通過(guò)建立加工工藝參數(shù)與連續(xù)加熱時(shí)微凸體形狀基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)微凸體形 狀反求出加工工藝參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)表面形貌要求確定出不同位置的加工工藝參數(shù)；通過(guò)建立掃 描線間斷距離與間斷處形成凹坑形狀基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)所需凹坑形狀確定間斷距離；通 過(guò)建立相鄰掃描路徑間的距離與兩條掃描線之間形成的凹坑形狀基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)所需 凹坑形狀確定兩條掃描線間的掃描間距。
本發(fā)明是利用激光熱效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件表面微觀形貌的可控制造，但加熱區(qū)域并不熔
化，最高溫度小于1000°C，避免了激光毛化技術(shù)和激光微造型技術(shù)由于金屬熔化所產(chǎn)生的金
屬重鑄、殘?jiān)逊e、加工面粗糙和微裂紋問(wèn)題，克服了基于激光沖擊的微造型技術(shù)加工效率
低、不能加工高硬脆材料的問(wèn)題。該方法工藝簡(jiǎn)單，可以獲得不同材質(zhì)金屬構(gòu)件、規(guī)則或非
規(guī)則、表面光滑、連續(xù)過(guò)渡、無(wú)微裂紋的可控表面的微觀形貌，對(duì)于改善摩擦副的潤(rùn)滑狀態(tài)，
提高其使用壽命有著重要的理論意義和直接的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1表面微觀形貌激光加工過(guò)程示意圖
圖2冷卻后形成的微凸體
圖3表面微觀形貌激光加工間斷掃描策略
圖4表面微觀形貌激光加工相鄰掃描線間距示意5表面微觀形貌激光加工工藝參數(shù)確定方法
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
加以說(shuō)明。表面微觀形貌激光加工過(guò)程如圖1所 示，工件固定于工作臺(tái)上，激光束以恒定功率照射在工件表面并以恒定速度或變速度沿x方 向移動(dòng)，通過(guò)自然冷卻、強(qiáng)制對(duì)流空冷或強(qiáng)制對(duì)流水冷對(duì)加熱區(qū)域進(jìn)行冷卻。在激光掃描過(guò) 程中，被掃描部位依次經(jīng)歷加熱與冷卻兩個(gè)換熱過(guò)程，其內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力及變形，在構(gòu) 件表面產(chǎn)生微凸體，如圖2所示。
通過(guò)改變激光光斑直徑、激光功率和激光掃描速度等主要加工工藝參數(shù)，可以獲得不同 形狀的微凸體。為了獲得可控的表面形貌(包括規(guī)則與非規(guī)則形貌)，將連續(xù)掃描改為斷續(xù)掃 描，調(diào)整激光加工工藝參數(shù)、連續(xù)掃描長(zhǎng)度和間斷距離獲得x方向的表面微觀形貌，掃描策 略如圖3所示，圖中A、 B、 C、 D、 E為掃描線長(zhǎng)度，a、 b、 c、 d為掃描線間斷距離圖4 為表面微觀形貌激光加工相鄰掃描線間距示意圖，其中，s為相鄰掃描線距離，通過(guò)合理優(yōu)化 工藝參數(shù)和掃描間距獲得y方向的表面微觀形貌，從而實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件表面微觀形貌的可控制 造。
根據(jù)規(guī)則或非規(guī)則形貌目標(biāo)形貌的要求，確定激光光斑直徑、激光功率、激光掃描速度、 連續(xù)掃描長(zhǎng)度、間斷距離和相鄰掃描線間距的方法如圖5所示，具體步驟如下
1、 制定微凸體形狀的簡(jiǎn)單表征方法。對(duì)于單條線連續(xù)掃描，用微凸體的長(zhǎng)度、寬度和高 度來(lái)描述其形狀；對(duì)于不連續(xù)間斷掃描，間斷部分用凹坑的長(zhǎng)度、寬度和深度來(lái)表示；對(duì)于 相鄰多條線掃描，用微凸體之間形成的凹坑的長(zhǎng)度、寬度和深度來(lái)表示。
2、 微凸體的長(zhǎng)度近似等于掃描線長(zhǎng)度，建立數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)不考慮工藝參數(shù)對(duì)微凸體的長(zhǎng)度的 影響。由于建立數(shù)據(jù)庫(kù)需要大量的數(shù)據(jù)，基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，變化激光光斑 直徑、激光功率和激光掃描速度，建立激光加工工藝參數(shù)與微凸體的寬度和高度基本關(guān)系數(shù) 據(jù)庫(kù)。
3、 基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析，建立掃描線間斷距離與間斷部分凹坑長(zhǎng)度、寬度和深度基本關(guān) 系數(shù)據(jù)庫(kù)。
4、 基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析，建立相鄰掃描路徑間距與兩條掃描線之間形成凹坑長(zhǎng)度、寬度
和深度基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。
5、根據(jù)上述基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)以及微觀形貌要求，確定出合適的激光加工工藝參數(shù)、掃描 線間斷距離和相鄰掃描路徑間的距離。
權(quán)利要求
1、一種實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件表面微觀形貌可控制造的實(shí)現(xiàn)方法，其特征是基于激光的熱效應(yīng)在金屬構(gòu)件表面引發(fā)不均勻溫度場(chǎng)，在不溶化的條件下使局部產(chǎn)生塑性變形生成微凸體，進(jìn)而可以在不同材質(zhì)金屬構(gòu)件加工出規(guī)則或非規(guī)則、表面光滑、連續(xù)過(guò)渡、無(wú)微裂紋的可控微觀形貌，有利于形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，具體實(shí)施步驟如下(1)制定表面微觀形貌的簡(jiǎn)單表征方法，用微凸體和凹坑長(zhǎng)度、寬度和高度(深度)描述表面形貌；(2)基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，變化激光光斑直徑、激光功率和激光掃描速度，不考慮工藝參數(shù)對(duì)微凸體的長(zhǎng)度的影響，建立激光加工工藝參數(shù)與微凸體的寬度和高度基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)；(3)基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析，建立掃描線間斷距離與間斷部分凹坑長(zhǎng)度、寬度和深度基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)；(4)基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析，建立相鄰掃描路徑間距與兩條掃描線之間形成凹坑長(zhǎng)度、寬度和深度基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)；(5)根據(jù)上述基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)以及微觀形貌要求，反求出合適的激光加工工藝參數(shù)、掃描線間斷距離和相鄰掃描路徑間的距離，以實(shí)現(xiàn)微觀形貌可控制造。
全文摘要
本發(fā)明為一種實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件表面微觀形貌可控制造的實(shí)現(xiàn)方法，其特征是基于激光的熱效應(yīng)在金屬構(gòu)件表面引發(fā)不均勻溫度場(chǎng)，在不溶化的條件下使局部產(chǎn)生塑性變形生成微凸體；通過(guò)改變加工工藝參數(shù)、掃描線間斷距離、每一段掃描線長(zhǎng)度和相鄰掃描路徑間距，實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件表面微觀形貌的加工。該工藝的特點(diǎn)是由于屬于熱態(tài)累積成形，不僅適于常規(guī)金屬材料，而且也適合鈦合金、鎳合金、陶瓷和硅片等高硬脆難變形材料表面形貌的可控制造，可應(yīng)用于不同材質(zhì)軸承/軸瓦、缸套/活塞等摩擦副中，對(duì)于改善摩擦副的潤(rùn)滑狀態(tài)具有重要意義。
文檔編號(hào)B23K26/00GK101204755SQ20071011587
公開(kāi)日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者劉衍聰, 李傳秀, 石永軍 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)