專利名稱：機(jī)床導(dǎo)軌表面多點并行激光仿生強(qiáng)化方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種機(jī)床導(dǎo)軌表面激光仿生強(qiáng)化方法及裝置，尤其涉及ー種多點并行的機(jī)床導(dǎo)軌表面激光仿生強(qiáng)化方法及裝置，屬于金屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
仿生學(xué)近年來在材料領(lǐng)域已經(jīng)開始研究并應(yīng)用，在金屬材料的設(shè)計制造領(lǐng)域具有非常的前景。有許多金屬零件因功能需要，既需要高的韌性又需要較高的硬度和強(qiáng)度，采用模仿生物表面軟硬結(jié)合的組織可以實現(xiàn)所要求的性能。通常強(qiáng)度與韌性之間存在著制約關(guān)系，材料強(qiáng)度增加，總伴隨著材料韌性的降低。要求高強(qiáng)度的同時，又要求材料有較高的韌性，是很困難的。強(qiáng)韌化處理多種多祥，但歸結(jié)之后，基本都是通過高溫淬火和高溫回火、低溫淬火等途徑來取得強(qiáng)韌化效果的充分利用板條馬氏體和下貝體組織形態(tài)，盡量減少片狀馬氏體；細(xì)化鋼的奧氏體晶粒和過剩碳化物，獲得馬氏體與具有良好塑性的第二相的復(fù)合組織。機(jī)床導(dǎo)軌表面強(qiáng)化處理工藝主要有氣體氮化法、離子氮化法、電火花表面強(qiáng)化法、滲硼法、TD法、CVD法、PVD法、BRN法、激光表面強(qiáng)化法、等離子噴涂法等。但是，這些傳統(tǒng)處理方法常會在エ件表面形成殘余張應(yīng)力，降低エ件的使用壽命，同時由于是對表面整體處理，效率低，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種機(jī)床導(dǎo)軌表面多點并行激光仿生強(qiáng)化方法及裝置，直接利用激光對機(jī)床導(dǎo)軌表面進(jìn)行熔凝，在導(dǎo)軌表面形成空間強(qiáng)化単元體骨架，改變?nèi)勰齾^(qū)域的組織，達(dá)到強(qiáng)化的目的，對具有空間復(fù)雜型面的機(jī)床導(dǎo)軌表面進(jìn)行數(shù)控加工，實現(xiàn)具有空間自由曲面的機(jī)床導(dǎo)軌表面的仿生強(qiáng)化，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的エ藝復(fù)雜、成本高的問題。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的機(jī)床導(dǎo)軌表面多點并行激光仿生強(qiáng)化方法包括以下步驟步驟1，針對機(jī)床導(dǎo)軌表面容易發(fā)生破壞的部位，設(shè)計平面或空間曲線骨架；步驟2，根據(jù)設(shè)計的曲線骨架，確定激光頭的使用數(shù)目并選定激光頭的相應(yīng)位置；步驟3，利用激光加熱的方法對機(jī)床導(dǎo)軌表面進(jìn)行熔凝，以形成仿生單元體。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的機(jī)床導(dǎo)軌表面多點并行激光仿生強(qiáng)化裝置包括激光器，用于發(fā)射激光對機(jī)床導(dǎo)軌表面進(jìn)行加熱，應(yīng)用時可以根據(jù)所設(shè)計的具體的曲線骨架選擇激光頭的個數(shù)及相對位置；五自由度聯(lián)動設(shè)備，包括工作臺、龍門和橫梁，所述工作臺在水平面內(nèi)具有Y向平移自由度，所述橫梁具有垂直于水平面的Z向平移自由度，所述橫梁上設(shè)有滑動激光座，所述滑動激光座具有水平的X向移動自由度,所述滑動激光座上設(shè)有軸線豎直的第一旋轉(zhuǎn)軸，所述第一旋轉(zhuǎn)軸下端設(shè)有軸線可變的第二旋轉(zhuǎn)軸。應(yīng)用時，所述第一旋轉(zhuǎn)軸的軸線和所述第二旋轉(zhuǎn)軸的軸線夾角可根據(jù)實際加工需要自由設(shè)定。所述激 光器的激光頭設(shè)于第二旋轉(zhuǎn)軸上并使激光束始終與機(jī)床導(dǎo)軌表面的法線一致；控制系統(tǒng)，與所述激光器和五自由度聯(lián)動設(shè)備連接以控制、協(xié)調(diào)所述激光器和五自由度聯(lián)動設(shè)備的動作，井根據(jù)預(yù)設(shè)的激光加工エ藝參數(shù)和機(jī)床導(dǎo)軌的空間網(wǎng)格、エ件的外形和尺寸、仿生單元體的幾何形狀對機(jī)床導(dǎo)軌表面進(jìn)行激光強(qiáng)化。對上述分析可知，本發(fā)明可以在機(jī)床導(dǎo)軌表面形成軟硬結(jié)合的結(jié)構(gòu)，激光強(qiáng)化部位硬度高(比基體組織高50-300HV)，耐磨性好，基體組織硬度較低，保持良好的韌性，對提高工件耐磨損、抗疲勞性能十分有利，實驗表明，強(qiáng)化后的機(jī)床導(dǎo)軌的壽命可提高1-3倍。本發(fā)明還可以針對不同的金屬材料和不同的自由型面，通過選擇不同的激光參數(shù)，獲得不同寬度和深度的強(qiáng)化單元體，構(gòu)成空間的強(qiáng)化曲線骨架，來滿足被處理工件的性能要求，并且可以實現(xiàn)各種復(fù)雜網(wǎng)格式的激光仿生強(qiáng)化。本發(fā)明提供的裝置包括五自由度聯(lián)動設(shè)備，自動化程度高，生產(chǎn)效率高。


圖I為本發(fā)明裝置優(yōu)選實施例運行時的結(jié)構(gòu)簡 圖2為本發(fā)明裝置優(yōu)選實施例的五自由度聯(lián)動設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)說明。圖I和圖2基本示出了本發(fā)明裝置優(yōu)選實施例的示意性結(jié)構(gòu)，圖I-圖2所示的本發(fā)明機(jī)床導(dǎo)軌表面激光仿生強(qiáng)化裝置優(yōu)選實施例包括圖中示出的激光器K1. K2中的激光頭Jl、J2> Js和五自由度聯(lián)動設(shè)備、控制系統(tǒng)。激光器的激光頭Jp J2> J3等用于發(fā)射激光以對機(jī)床導(dǎo)軌表面進(jìn)行加熱。由于激光器的結(jié)構(gòu)及使用方法均為共知技術(shù)，在此不再贅述。如圖2所示，五自由度聯(lián)動設(shè)備包括工作臺5、床身I、滑動激光座2、橫梁3、立柱4和X向進(jìn)給機(jī)構(gòu)XI、Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)Yl、Z向進(jìn)給機(jī)構(gòu)Zl、B軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)B2、C軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)C2。工作臺5上放置機(jī)床導(dǎo)軌G。借此，工作臺5在水平面內(nèi)具有Y向平移自由度，立柱4上部設(shè)置的滑動激光座2具有水平的X向移動自由度?；瑒蛹す庾?上設(shè)有軸線豎直的旋轉(zhuǎn)軸C，旋轉(zhuǎn)軸C下端設(shè)有軸線不固定的旋轉(zhuǎn)軸B，旋轉(zhuǎn)軸C的軸線和旋轉(zhuǎn)軸B的軸線角度可根據(jù)實際操作的需要設(shè)定，激光頭Jp J2> J3等通過連桿設(shè)于旋轉(zhuǎn)軸B等的相應(yīng)內(nèi)盤和外盤上，并使激光束始終與機(jī)床導(dǎo)軌表面的法線一致。控制系統(tǒng)與激光器和五自由度聯(lián)動設(shè)備連接以控制、協(xié)調(diào)激光器和五自由度聯(lián)動設(shè)備的動作，井根據(jù)預(yù)設(shè)的激光加工エ藝參數(shù)和機(jī)床導(dǎo)軌的空間網(wǎng)格、エ件的外形和尺寸、仿生單元體的幾何形狀對機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行激光強(qiáng)化。下面結(jié)合本發(fā)明裝置優(yōu)選實施例的使用，對本發(fā)明方法優(yōu)選實施例做進(jìn)ー步說明。本發(fā)明對機(jī)床導(dǎo)軌G表面進(jìn)行仿生強(qiáng)化是模仿生物“軟硬”結(jié)合的結(jié)構(gòu)，在機(jī)床導(dǎo)軌G表面通過激光熔凝加工形成一系列規(guī)律分布的仿生單元體，這些單元體在機(jī)床導(dǎo)軌表面形成空間曲線骨架Q，而且具有與基體截然不同的組織，它們在エ件表面會起到提高工件耐疲勞和耐摩擦磨損性能的作用。 在本發(fā)明裝置優(yōu)選實施例運行時，將待處理的機(jī)床導(dǎo)軌安裝在工作臺5之上。首先，針對機(jī)床導(dǎo)軌G表面容易發(fā)生破壞的部位，設(shè)計空間曲線骨架Q，根據(jù)空間曲線骨架Q選定要使用的激光頭及相應(yīng)參數(shù)，并預(yù)設(shè)在控制系統(tǒng)中。
接著，在機(jī)床導(dǎo)軌G表面，根據(jù)設(shè)計的空間曲線骨架Q，利用激光頭J1等加熱，進(jìn)行仿生單元體的加工，根據(jù)不同的エ件材料，需要設(shè)置的激光參數(shù)包括離焦量、電流、脈沖寬度、頻率、速度和路徑方向以及激光頭的數(shù)目和相應(yīng)位置等?？臻g曲線骨架Q的寬度優(yōu)選為
0.01-12mm，深度為0. Ol-lOmm，硬度(HV)比金屬基體材料可高達(dá)50-400。激光頭J1等按照空間曲線骨架Q對機(jī)床導(dǎo)軌表面加熱時，通過控制系統(tǒng)的控制，工作臺5由Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)驅(qū)動進(jìn)行Y方向的運動，滑動激光座2由X向進(jìn)給機(jī)構(gòu)驅(qū)動進(jìn)行X方向的運動；激光頭J1等經(jīng)由B軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)B2與C軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)C2驅(qū)動，其具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度(此外，J1U3所在的外盤也具有B2軸向的旋轉(zhuǎn)自由度)，再者橫梁3具有Z向自由度，這樣激光頭J1等發(fā)射的激光束既可以在復(fù)雜的機(jī)床導(dǎo)軌G的表面任一點以與該點法線一致的方向加熱，也可以實現(xiàn)機(jī)床導(dǎo)軌簡單平面上復(fù)雜網(wǎng)格的多點同時與相應(yīng)點法線一致的方向加熱本發(fā)明裝置實施例的控制系統(tǒng)包括計算機(jī)及其他信號轉(zhuǎn)換、連接部件，該計算機(jī)可嵌入“激光仿生強(qiáng)化工藝數(shù)據(jù)庫”?！凹す夥律鷱?qiáng)化工藝數(shù)據(jù)庫”的重要組成部分是加工エ藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫可以是對大量實驗數(shù)據(jù)的總結(jié)和優(yōu)化。數(shù)據(jù)庫中，每一條數(shù)據(jù)記錄可以包括材料、激光和単元體的參數(shù)三部分，材料參數(shù)包括機(jī)床導(dǎo)軌材料的牌號、原始顯微組織，硬度；激光參數(shù)包括激光器的頻率、電流強(qiáng)度、脈寬、掃描速度，単元體參數(shù)包括單元體的分布規(guī)律、寬度、深度、硬度、處理后的顯微組織。因此，本發(fā)明裝置實施例的控制系統(tǒng)ー方面可以根據(jù)用戶要求的単元體尺寸，設(shè)置激光加工エ藝參數(shù)；另ー方面可以根據(jù)用戶輸入的信息，包括エ件的外形和尺寸、単元體的幾何形狀，設(shè)計好的空間網(wǎng)格，自動形成數(shù)控強(qiáng)化加工程序。本發(fā)明裝置實施例在制造表面具有封閉框形強(qiáng)化單元分布形態(tài)的導(dǎo)軌時，根據(jù)導(dǎo)軌基材和表面工作應(yīng)カ分布情況，對導(dǎo)軌易于發(fā)生損壞的部位進(jìn)行表面激光仿生強(qiáng)化，導(dǎo)軌材料為鑄鐵HT200，根據(jù)幾何表面曲率信息，用電流180A、脈寬8ms，頻率5HZ、離焦量
6.5mm、速度0. 5mm/s、單點能量密度為418J的激光束垂直掃描導(dǎo)軌表面；形成強(qiáng)化單元體寬度為0. 8mm、強(qiáng)化深度為0. 9mm為空間曲線骨架。加工測試后単元體硬度為600HV，比基體材料高9(T120V，耐磨性、疲勞顯著提高，具有激光仿生表面的導(dǎo)軌使用壽命比強(qiáng)化前提高了 I倍。本發(fā)明裝置實施例在制造表面具有矩形強(qiáng)化單元分布形態(tài)的導(dǎo)軌時，根據(jù)導(dǎo)軌基材和表面工作應(yīng)カ分布情況，對導(dǎo)軌易于發(fā)生損壞的部位進(jìn)行表面激光仿生強(qiáng)化，導(dǎo)軌材料為鑄鐵HT300，根據(jù)幾何表面曲率信息，用電流150A、脈寬8ms，頻率5HZ、離焦量5. Omm、速度0. 6mm/s、單點能量密度為333J的激光束垂直掃描導(dǎo)軌表面；形成強(qiáng)化單元體寬度為
0.7mm、強(qiáng)化深度為0. 8mm為空間曲線骨架。加工測試后単元體硬度為590HV，比基體材料高8(T100V，耐磨性、疲勞顯著提高，具有激光仿生表面的導(dǎo)軌使用壽命比強(qiáng)化前提高了 0.8倍。綜上所述，本發(fā)明通過提供一種能有效提高機(jī)床導(dǎo)軌表面抗疲勞性和耐磨性的エ藝方法及裝置，可以針對不同的金屬基體材料，采用合適的エ藝參數(shù)，利用激光加熱，使機(jī)床導(dǎo)軌表面形成強(qiáng)化單元體形態(tài)為空間曲線骨架的エ藝方法，強(qiáng)化單元分布符合仿生學(xué)原理，既保證了基材的韌性又提高了型腔表面的強(qiáng)度。借此，本發(fā)明可以有效提高金屬表面抗疲勞性和金屬表面耐磨性，且性能價格比好，生產(chǎn)效率高。本發(fā)明提供的方法和裝置相結(jié)合可以方便實現(xiàn)機(jī)床導(dǎo)軌表面強(qiáng)化軌跡可控及激光參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而形成與金屬基體組織結(jié)構(gòu)不同的仿生強(qiáng)化 単元，使導(dǎo)軌使用壽命延長0. 5-1. 5倍，大大降低了生產(chǎn)成本。由技術(shù)常識可知，本發(fā)明可以通過其它的不脫離其精神實質(zhì)或必要特征的實施方案來實現(xiàn)。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有的。所有在本發(fā)明范圍內(nèi)或在等同于本發(fā)明的范圍內(nèi)的改變均被本發(fā)明包含。
權(quán)利要求
1.ー種機(jī)床導(dǎo)軌表面多點并行激光仿生強(qiáng)化方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1，針對機(jī)床導(dǎo)軌表面容易發(fā)生破壞的部位，設(shè)計平面或空間曲線骨架； 步驟2，根據(jù)設(shè)計的曲線骨架，確定激光頭的使用數(shù)目并選定激光頭的相應(yīng)位置； 步驟3，利用激光加熱的方法對機(jī)床導(dǎo)軌表面進(jìn)行熔凝，以形成仿生單元體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)床導(dǎo)軌表面激光仿生強(qiáng)化方法，其特征在于，所述曲線骨架的寬度為0. 01-12mm，深度0. 01-10mm。
3.ー種機(jī)床導(dǎo)軌表面多點并行激光仿生強(qiáng)化裝置，其特征在于，包括 激光器，用于發(fā)射激光對機(jī)床導(dǎo)軌表面進(jìn)行加熱； 五自由度聯(lián)動設(shè)備，包括工作臺、龍門、橫梁，所述工作臺在水平面內(nèi)具有Y向平移自由度，所述橫梁具有垂直于水平面的Z向平移自由度，所述橫梁上設(shè)有滑動激光座，所述滑動激光座具有水平的X向移動自由度，所述滑動激光座上設(shè)有軸線豎直的第一旋轉(zhuǎn)軸，所述第一旋轉(zhuǎn)軸下端設(shè)有軸線可變的第二旋轉(zhuǎn)軸，所述激光器的激光頭設(shè)于第二旋轉(zhuǎn)軸上并使激光頭發(fā)射的激光束始終與機(jī)床導(dǎo)軌表面的法線一致； 控制系統(tǒng)，與所述激光器和五自由度聯(lián)動設(shè)備連接以控制、協(xié)調(diào)所述激光器和五自由度聯(lián)動設(shè)備的動作，井根據(jù)預(yù)設(shè)的激光加工エ藝參數(shù)和機(jī)床導(dǎo)軌的空間網(wǎng)格、エ件的外形和尺寸、仿生單元體的幾何形狀對機(jī)床導(dǎo)軌表面進(jìn)行激光強(qiáng)化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種機(jī)床導(dǎo)軌表面多點并行激光仿生強(qiáng)化方法及裝置，該方法包括以下步驟步驟1，針對機(jī)床導(dǎo)軌表面容易發(fā)生破壞的部位，設(shè)計平面或空間曲線骨架；步驟2，根據(jù)設(shè)計的曲線骨架，確定激光頭的使用數(shù)目并選定各個激光頭的相應(yīng)位置；步驟3，利用激光加熱的方法對機(jī)床導(dǎo)軌表面進(jìn)行熔凝，以形成仿生單元體。本發(fā)明不但可以增強(qiáng)機(jī)床導(dǎo)軌表面抗磨損性能、抗疲勞性能，大幅度提高使用壽命，而且強(qiáng)化工藝簡單、效率高、成本較低。
文檔編號C21D1/09GK102618699SQ20121008928
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者華順明, 王義強(qiáng), 王曉軍, 王龍山, 袁修華, 邱紅鈺, 鄭堤 申請人:浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院