專利名稱：摩擦副表面的激光復(fù)合處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械加工領(lǐng)域，特指摩擦副表面的激光復(fù)合處理方法，它特別適用于內(nèi)燃機(jī)氣缸孔表面的處理，經(jīng)過處理，在氣缸孔表面形成耐磨的硬化層和可供潤滑的微觀幾何形貌。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案為其特征在于對(duì)磨損最嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行激光復(fù)合處理，形成具有微壓力室效的一系列微觀凹腔和耐磨抗沖擊的硬化表面。對(duì)其他磨損的區(qū)域?qū)嵤┪⒂^幾何形貌激光造型，形成與其潤滑性能要求優(yōu)化匹配的連續(xù)均勻的、縱橫交錯(cuò)的貯油潤滑油路。且分別利用兩種不同的激光器和激光參數(shù)對(duì)磨損最嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行激光微觀凹腔造型和相變硬化復(fù)合處理，在其它部位表面實(shí)施微觀幾何形貌激光造型處理。
采用NdYAG激光束對(duì)磨擦副表面磨損最嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行表面微觀凹腔造型。利用飛秒脈沖激光，對(duì)其它部位表面實(shí)施微觀幾何形貌激光造型處理。根據(jù)硬化效果設(shè)置微觀凹腔分布和形狀。油路既相互交叉又相互平行，并通過交匯點(diǎn)而相互連通。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是將激光相變硬化技術(shù)和激光微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)行綜合運(yùn)用。
(1)在磨擦副表面磨損最嚴(yán)重的上止點(diǎn)附近區(qū)域，根據(jù)彈流潤滑理論，優(yōu)化設(shè)置系列微觀凹腔，利用摩擦副運(yùn)動(dòng)表面的擠壓效應(yīng)，使這些凹腔具有微觀壓力室的作用，有利于在卷吸速度很小的情況下，建立起具有一定最小厚度的彈性潤滑油膜，同時(shí)，這些微觀凹腔還具有蓄油池和聚集微小顆粒的雙重作用，這從根本上改善了磨擦副表面磨損最嚴(yán)重的區(qū)域的潤滑狀況。
(2)激光束在進(jìn)行這些微觀凹腔造型時(shí)所具有的熱效應(yīng)，可同時(shí)對(duì)摩擦副表面實(shí)施相變硬化處理，在此區(qū)域內(nèi)形成一層耐磨的硬化層，大幅度提高了磨擦副表面磨損最嚴(yán)重區(qū)域的耐磨抗磨性能。
(3)以這些微觀凹腔為中心形成的硬質(zhì)點(diǎn)，對(duì)表面具有釘扎作用，大大提高了表面強(qiáng)度和抗沖擊性能。
(4)由于在磨擦副表面磨損最嚴(yán)重的區(qū)域的運(yùn)動(dòng)速度較慢以及較好的潤滑條件，活塞環(huán)的耐磨性也得以提高。
(5)在摩擦副其他區(qū)域，利用飛秒高頻脈沖激光束，刻劃出與潤滑性能要求優(yōu)化匹配的、連續(xù)均勻的、并具有一定密度(間距)、寬度、深度、角度、形狀的貯油潤滑。由于激光脈沖寬度是飛秒量級(jí)，激光與表面材料的作用屬于“冷加工”，沒有熱效應(yīng)，避免了油路內(nèi)外熔碴和碳化現(xiàn)象。油路光滑平整，工件表面的毛刺、顆粒、飛邊等大為減少。
(6)設(shè)置在工件表面的四通八達(dá)、分布均勻、相互連通的油路，有利于潤滑油的輸送和貯存，減少了貧油現(xiàn)象，保證氣缸孔和活塞環(huán)之間具有一定最小厚度油膜的形成和保持，以形成完全流體潤滑，顯著地改善了表面的潤滑狀況。


圖1是激光表面復(fù)合處理裝置示意圖。
圖2是氣缸孔工作表面激光復(fù)合處理分布示意圖。
圖3表示的是上止點(diǎn)附近區(qū)域上激光復(fù)合處理放大示意圖。
圖中1.激光發(fā)生器 2.外光路系統(tǒng) 3.激光輸出頭 4.反射鏡5.透鏡6.反射鏡7.工件8.微觀凹腔9.硬化層10.油路 11.交匯點(diǎn)如圖2、3所示，本發(fā)明的實(shí)施例為處理氣缸孔表面。在氣缸孔經(jīng)過最終機(jī)械珩磨精密加工之后，形成可供激光復(fù)合處理的原始表面。原始表面的粗糙度Rz為1-2um，保證表面微觀幾何形貌主要取決于激光復(fù)合處理。根據(jù)氣缸孔的潤滑與磨損特征，可將其表面劃分為三個(gè)不同的區(qū)域，即I、II、III。區(qū)域I為上止點(diǎn)附近區(qū)域，區(qū)域II為沖程中部區(qū)域，區(qū)域III為下部區(qū)域。由于所承受的載荷、潤滑狀況等工作條件的不同，區(qū)域I磨損最為嚴(yán)重，區(qū)域II次之，區(qū)域III最輕。因此，不同區(qū)域上的激光復(fù)合處理也相應(yīng)不同。對(duì)氣缸孔表面實(shí)施激光復(fù)合處理分兩步進(jìn)行。第一步，利用YAG激光器，在區(qū)域I上，設(shè)置分布均勻、間距密集、彼此孤立的微觀凹腔，同時(shí)利用激光束的熱效應(yīng)進(jìn)行表面相變硬化處理。第二步，利用飛秒脈沖激光，在區(qū)域II和區(qū)域III上，形成與潤滑性能要求優(yōu)化匹配的、連續(xù)均勻的、并具有一定間距、寬度、深度、夾角為α的網(wǎng)紋交叉狀的潤滑貯油油路。
利用圖1所示的裝置，將具有一定斑點(diǎn)大小的激光束，通過輸出頭(3)和工件(7)的合成運(yùn)動(dòng)，照射到工件表面形成一系列微觀凹腔(8)，凹腔周圍區(qū)域的陰影部分為硬化層(9)。凹腔的口徑為30～80μm，深度為15～30μm，每平方毫米內(nèi)的數(shù)為2×2～6×6個(gè)。
油路(10)是網(wǎng)紋交叉形狀，并通過交匯點(diǎn)(11)相互連通，均勻地分布在工件表面上。油路(10)之間的夾角α為20°～70°，間距為0.1～1mm，油路(10)寬度為10～70um，深度為5～15um。
通過內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)表明，激光表面復(fù)合處理技術(shù)，能取得如下的效果氣缸孔耐磨性提搞了4倍以上，與之配合的活塞環(huán)磨損量下降了50％，機(jī)油消、HC排放量、燃油耗和催化器污染也明顯下降。
本發(fā)明所述實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而不進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.摩擦副表面的激光復(fù)合處理方法，其特征在于對(duì)磨損最嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行激光復(fù)合處理，形成具有微壓力室效應(yīng)的一系列微觀凹腔和耐磨抗沖擊的硬化表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦副表面的激光復(fù)合處理方法，其特征在于對(duì)其他磨損的區(qū)域?qū)嵤┪⒂^幾何形貌激光造型，形成與其潤滑性能要求優(yōu)化匹配的連續(xù)均勻的、縱橫交錯(cuò)的貯油潤滑油路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的摩擦副表面的激光復(fù)合處理方法，其特征在于分別利用兩種不同的激光器和激光參數(shù)對(duì)磨損最嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行激光微觀凹腔造型和相變硬化復(fù)合處理，在其它部位表面實(shí)施微觀幾何形貌激光造型處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦副表面的激光復(fù)合處理方法，其特征在于采用YAG激光束對(duì)磨擦副表面磨損最嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行表面微觀凹腔造型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦副表面的激光復(fù)合處理方法，其特征在于利用飛秒脈沖激光，對(duì)其它部位表面實(shí)施微觀幾何形貌激光造型處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦副表面的激光復(fù)合處理方法，其特征在于根據(jù)硬化效果設(shè)置微觀凹腔分布和形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的摩擦副表面的激光復(fù)合處理方法，其特征在于油路既相互交叉又相互平行，并通過交匯點(diǎn)而相互連通。
全文摘要
本發(fā)明適用于摩擦副表面的激光復(fù)合處理，特別是內(nèi)燃機(jī)氣缸孔表面的處理，可在氣缸孔表面形成耐磨的硬化層和可供潤滑的微觀幾何形貌。其對(duì)磨損最嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行激光復(fù)合處理，形成具有微壓力室效的一系列微觀凹腔和耐磨抗沖擊的硬化表面；對(duì)其他磨損的區(qū)域?qū)嵤┪⒂^幾何形貌激光造型，形成與其潤滑性能要求優(yōu)化匹配的連續(xù)均勻的、縱橫交錯(cuò)的貯油潤滑油路；且分別利用兩種不同的激光器和激光參數(shù)進(jìn)行微觀凹腔、幾何形貌激光造型處理；并根據(jù)硬化效果設(shè)置微觀凹腔分布和形狀。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是將激光相變硬化技術(shù)和激光微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)行綜合運(yùn)用，從根本上改善了磨擦副表面磨損最嚴(yán)重的區(qū)域的潤滑狀況。
文檔編號(hào)C21D1/09GK1401457SQ0213807
公開日2003年3月12日 申請(qǐng)日期2002年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月6日
發(fā)明者張永康, 符永宏, 蔡蘭, 葉云霞 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)