一種雷射表面微造型裝置及方法

2023-05-26 10:34:06

專利名稱：一種雷射表面微造型裝置及方法
技術領域：
本發明涉及雷射微加工領域，特別涉及一種能夠在工件表面加工出微凹腔和微凹槽的 雷射表面微造型技術。
背景技術：
在摩擦副表面加工出適當的表面微觀形貌，可以顯著改善摩擦副的潤滑性能，提高摩 擦副的使用壽命。為了達到這些要求，就必須保證形貌的表面加工質量；同時，為了能在 工業生產領域推廣應用，還必須儘可能的提高加工效率、降低成本。
雷射表面微造型技術是一種易控制、高效率的現代化加工方法。但是現有技術用於工 業生產實際還不成熟，特別是對於金屬材料的表面微造型，其加工質量更是難以控制。例 如①傳統的C02雷射器和YAG雷射器，其輸出波長處於紅外波段，聚焦光斑較大，因此 加工尺寸也相應較大，而且其雷射與材料之間的相互作用是熱過程，會導致材料的碳化和 表面加工質量變差。②銅蒸發雷射器能輸出波長為藍光511nra和黃光578nm，輸出功率可 達幾百瓦，光束質量好，可以聚焦成幾至幾十微米很小的光斑，用於對陶瓷、金剛石、矽、 高分子聚合物以及各種金屬材料進行微細加工。但銅蒸發雷射器外形尺寸龐大，價格昂貴， 可靠性差，維護保養工作量大，不適合用於大量的工業生產。O申請號為200310111573.3 的專利申請公開了一種準分子雷射電化學微結構製造方法及其裝置，可以在半導體、金屬 等基片上加工微米量級的微結構，但這種方法存在著運轉費用高、穩定性不夠、難以加工 陶瓷材料等缺點。④申請號為03116837. x的專利申請公開了一種利用飛秒雷射在金屬薄膜 上加工周期性微結構的方法，但飛秒雷射器體積龐大，結構複雜，價格昂貴，其穩定性和 可靠性在較差。
目前，由於一個雷射脈衝所能去除材料的量有限，這樣為了達到表面形貌的預定深度， 用脈衝雷射進行加工時，需要在同一個點處打多個脈衝，傳統的打脈衝方式是"單脈衝連 續多次"，即用脈衝雷射在同一個點處連續重複打多次，這種方式由於是連續打，時間較長， 熱影響的負面效應比較嚴重，加工面的質量較差。

發明內容
本發明的目的是為了克服上述現有技術的不足，提出了一種加工質量高的雷射表面微 造型裝置及方法，
本發明裝置採用的技術方案是由雷射器、外光路部件、旋轉和移動工件部件、控制
雷射器和控制工件的旋轉移動的控制部分組成，沿所述雷射器的光路方向依次內置了雷射 裝置、兩塊可調方向全反鏡、聲光調Q開關、光闌、光閘、雷射發生器和輸出鏡；所述外 光路部件通過導光管連接雷射器且從上到下依次安裝有CCD攝像頭、反光鏡和雷射頭，外 光路部件一側固定與伺服電機連接的Z向立式移動導軌，伸縮架固定在導軌上；所述旋轉 和移動工件部件位於雷射頭下方，包含旋轉主軸和平面二維導軌，分別連接伺服電機，在 主軸同軸方向安裝一增量編碼器；控制部分包括工控機、伺服電機和伺服電機驅動器。 本發明方法採用的技術方案是包括如下步驟
(A) 將待加工工件固定於主軸上，隨主軸做旋轉運動；由增量編碼器輸出反映工件轉 過位置的脈衝信號，經編碼器計數卡四倍頻、計數處理，使雷射器脈衝發出時間和工件旋 轉時間耦合，即在兩個或多個脈衝的空隙時間內正好走過工件上兩個加工點之間的旋轉距 離；
(B) 由工控機分頻後輸出聲光調Q開關的控制信號控制雷射器輸出單脈衝雷射束；激 光束通過光路系統聚焦照射在工件表面；由四軸運動控制卡控制二維導軌和導軌的移動， 使雷射束和工件表面產生進給運動；
(C) 藉助於D/A卡和編碼器計數卡對主軸和雷射器的控制以及工件與雷射束產生的進 給運動，在工件表面的同一個點處間隔反覆地打多個雷射脈衝，加工出可控制深度的微凹 腔和微凹槽。
本發明的有益效果是-
1、 通過調整工件上同一個點處多個脈衝作用時間上的間隔，可使加工時由雷射帶來的 熱負面效應降到最低，在兼顧加工效率、加工成本的同時最大程度地保證形貌的表面加工 質量。
2、 能夠在例如氣缸套等桶類工件的內外壁表面進行微坑或凹槽的造型，微坑或凹槽的 間距及深度可控，在工件工作狀態下，在其表面形成流體動壓潤滑，從而降低磨損，延長 使用壽命。
3、 能夠在平面類工件表面進行微坑造型，微坑間距及深度可控，適合用於機械密封、 推力軸承，密布在密封環表面的大量微坑成為儲油的凹腔，可使機械密封工作在零洩漏、 非接觸狀態下，大大延長其使用壽命。
4、 能夠在如凸輪軸凸輪、球關節等空間曲面類工件表面進行微坑造型，在工作狀態下, 在其表面形成彈流潤滑，可取得減磨、延壽的效果。


圖1為本發明裝置的結構示意圖； 圖2為圖1中雷射器2內部結構圖3為圖1中外部光路結構圖，其中(a)為彎頭型雷射頭，(b)為直頭型雷射頭； 圖4為圖1的控制部分框圖； 圖5為本發明加工工藝示意圖6為用本發明方法加工出的微凹腔39的橫斷面示意圖； 圖7為用本發明方法加工出的微凹槽38的橫斷面示意圖； 圖8為本發明實施例1中的對缸套工件35微造型示意圖； 圖9為圖8中缸套工件35的展開圖； 圖10為本發明實施例2中密封環工件36的微造型示意圖11為寬螺旋槽40的加工原理圖12為圖11中寬螺旋槽40的A局部放大圖。
圖中l.雷射器電源；2.雷射器；3.尾架；4.調Q開關驅動器；5.導光管；6.雷射頭； 7.CCD攝像頭；8.伺服電機；9.前蓋；IO.Z向立式導軌；ll.伸縮架；12.套筒；13.伺服電 機；14.主軸；15.伺服電機；16. Y向移動導軌；17.伺服電機；18. X向移動導軌；19.底座；
20.雷射裝置；21、 22.方向可調全反鏡；23.全反鏡；24.聲光調Q開關；25.光闌；26.光
閘；27.雷射發生器；28.輸出鏡；29.反射鏡；30.聚焦透鏡；31.全反鏡；32.保護鏡；33.
外光路系統；34.雷射；35.缸套工件；36.密封環工件；37.工作檯；38.微凹槽；39.微凹 腔；肌寬螺旋槽；IV微凹腔半徑；hp.微凹腔深度；bs.微凹槽寬度；h8.微凹槽深度；1'， 2， ， 3'……n-1' ， n'.凹腔個數編號。
具體實施例方式
如圖1-3所示，本發明的雷射表面微造型裝置主要包括雷射器2與外光路部件、工作 臺部件、用於控制工作檯和雷射器2的控制部分組成。雷射器2固定於尾架3上方，沿光 路方向依次內置了HeNe雷射裝置20、兩塊方向可調全反鏡21和22、全反鏡23、聲光調Q 開關24、光闌25、光閘26雷射發生器27和輸出鏡28。雷射器電源1和調Q開關驅動器4 固定於尾架3上。外光路部件位於雷射器2的右方並和前蓋9固定，從上到下依次為CCD 攝像頭7、反光鏡29和雷射頭6，雷射頭6依次由聚焦透鏡30、全反鏡31、保護鏡32組 成。金屬套筒12與雷射頭6連接。外光路部件的側向帶有輔助氣體噴射裝置，固定於伸縮 架11上，伸縮架11固定於Z向立式移動導軌10上，導軌由伺服電機8通過滾珠絲槓驅動； 雷射器2和外光路部件是通過導光管5連接。安裝在底座19上的工作檯37部件位於雷射
頭6下方，包含旋轉主軸14和平面X、 Y方向的二維移動導軌16、 18，分別由伺服電機13、 15、 17驅動；主軸14同軸方向安裝一高精度增量編碼器。
如圖4，控制部分包括工控機、伺服電機驅動器和伺服電機；工控機內ISA總線上並 聯裝有一塊四軸運動控制卡、 一塊電隔離D/A卡、 一塊編碼器計數卡；四軸運動控制卡控 制X、 Y、 Z伺服電機驅動器，D/A卡控制主軸伺服電機驅動器，編碼器計數卡控制調Q開 關驅動器4、光閘26和氣閥。
如圖l、 5所示，將待加工工件固定於主軸14上，隨主軸14做旋轉運動；由安裝在主 軸14同軸方向的高精度增量編碼器輸出反映工件轉過位置的脈衝信號，經編碼器計數卡四 倍頻、計數處理，使雷射器2脈衝發出時間和工件旋轉時間耦合，即在兩個或多個脈衝的 空隙時間內正好走過工件上兩個加工點之間的旋轉距離，再由工控機分頻後輸出聲光調Q 開關24的控制信號，控制雷射器發生器27輸出單脈衝雷射34;雷射束再通過外光路系統 33、全反鏡22反射後再經雷射頭聚焦透鏡30照射在工件表面；由四軸運動控制卡控制Y 向移動導軌16和X向移動導軌18這兩個二維導軌和Z向立式導軌10的移動，使雷射束 34和工件表面產生進給運動；藉助於D/A卡和編碼器計數卡對主軸14和雷射器2的協同 控制以及工件與雷射束產生的進給運動，並結合單脈衝同點間隔多次的雷射加工新工藝， 即通過在同一個點處，間隔反覆地打多個雷射脈衝，在工件表面加工出可控制深度的微凹 腔39和微凹槽38。
如圖5，具體加工時先在工件上面打一圈n'個微凹腔39，每個微凹腔39需要打m個 脈衝，其中1'點是起始點，脈衝雷射在起始點l'處打一個脈衝後，接著打下一個點2', 依次順序打完第一圈n'個微凹腔39;然後工件轉動第二圈回到l'時，對r點打第二次 個脈衝，接著對2'點打第二個脈衝，依次類推，直到轉完m圈，對每個微凹腔39打完m 個脈衝。該方法實現雷射器脈衝發出時間和工件旋轉時間耦合，即在兩個或多個脈衝的空 隙時間內正好走過工件上兩個加工點之間的旋轉距離，完成在工件表面規定位置上的雷射 單脈衝輸出，這樣可以充分保證加工時的效率。
如圖6、7,所加工微凹腔39的直徑rv和深度hp可控，rv在20um 60um之間，h。在lum 20um之間；所加工微凹槽38寬度bg和深度h^可控，bg在40um 120um之間，h^在lum 20um 之間。
本發明在各種工件上加工宏觀形貌的寬凹槽，方法是先將微凹腔39重疊加工成窄凹 槽，再由窄凹槽重疊加工成寬凹槽，即得到表面宏觀造型的寬凹槽。
本發明可用於大多數金屬材料和非金屬材料工件的表面微造型，對加工工件的形狀等
沒有特殊要求，比如可用來加工缸套/活塞環摩擦副系統中缸套表面的微凹腔和微凹槽；還 可以用來加工機械密封環端面的微觀潤滑腔和宏觀泵送槽等等。
下面通過2個實施例進一步說明本發明 實施例1
如圖8，本實施例是在缸套工件/活塞環系統中的缸套工件35表面加工微凹腔，或交 叉微凹腔或兩者的組合。
採用一平面底座19，在其上固定X方向導軌18，型號為MSMA102A1G的伺服電機17通 過滾珠絲槓驅動Y方向導軌平臺沿導軌18左右移動；型號為MSMA102A1G的伺服電機15通 過滾珠絲槓驅動轉臺沿導軌16做前後移動；型號為MSMA102A1C的伺服電機13通過皮帶傳 動驅動主軸14做旋轉運動，在主軸14同軸方向安裝一型號為lfa-500a-25000的增量編碼 器；型號為MSMA022A1A的伺服電機8通過滾珠絲槓驅動伸縮架11沿Z向立式導軌10做上 下移動，在伸縮架11上固定雷射頭6，雷射頭6與金屬套筒12通過螺紋連接。
在所述摩擦副零件表面形貌的雷射微造型設備的尾架3上方放置雷射器2，下方放置 雷射器電源1和調Q開關驅動器4;在雷射器內部光路中，設置HeNe雷射裝置20;沿主光 路方向，依次設置全反鏡23、聲光調Q開關24、光閘25、光閘26、雷射發生器27和輸出 鏡28。所述CCD攝像頭7安置在前蓋9上方，在其下方固定一可調角度的反射鏡29。雷射 頭分為如圖3 (a)的水平聚焦型和如圖3 (b)的垂直聚焦型，水平聚焦型光頭內部結構中， 沿光路方向依次為聚焦透鏡30、全反鏡31、保護鏡32;垂直聚焦型雷射頭內部結構中， 沿光路方向依次為聚焦透鏡30、保護鏡32。
工控機內ISA總線上插有編碼器計數卡、型號是MC8041A的4軸運動控制卡和型號為 的PCL728D/A卡，增量編碼器信號輸入編碼器計數卡，通過四倍頻、計數處理，由工控機 分頻後輸出信號至調Q開關驅動器4，控制調Q開關24的開合。4軸運動控制卡輸出脈衝/ 方向信號至伺服電機8、 15、 17工作在位置控制模式。D/A卡輸出電壓信號至型號為 MSDA103A1A的伺服電機13的驅動器，伺服電機13工作在速度控制模式。其他輔助裝置如 光閘26等由編碼器計數卡上的繼電器控制。控制部分的關係如圖4所示。
如圖5所示，將待加工工件固定於主軸14上，隨主軸14做旋轉運動；由安裝在主軸 14同軸方向的高精度增量編碼器輸出反映工件轉過位置的脈衝信號，經編碼器計數卡四倍 頻、計數處理，再由工控機分頻後輸出調Q開關24控制信號，控制雷射器2輸出單脈衝激 光；雷射束通過反射鏡29反射經雷射頭6聚焦照射在工件表面；由四軸運動控制卡控制二 維導軌16、 18和Z向立式導軌10的移動，使雷射束和工件表面產生進給運動。
根據圖8、 9所示的加工示意圖，利用雷射表面微造型加工系統分別在區域I 、 III處加 工微凹腔39，在區域II處加工微凹槽38。在區域I、 III加工微凹腔39時可通過控制每一 個微凹腔39處所打雷射脈衝個數來控制深度hp，由於採用了單脈衝同點間隔多次工藝，hp 可以根據每個雷射脈衝所形成的材料去除量線性疊加，hp—般可以從lum 20咖；通過控制 雷射波長長短，或聚焦鏡焦距和聚焦點位置來控制微凹腔39的半徑r"rp—般可以由20um 60um;而凹腔之間的間距可以由軟體預先設定來實現。具體加工過程是這樣的先調整到 加工起始位置，同時根據要求，由控制軟體設置好加工參數，然後開始加工。比如在加工 高度H處每一個微凹腔需要打5個脈衝才能達到深度要求，則保持z軸不移動，在這個H 高度位置需要轉5圈，然後再沿z軸向加工方向移動，至下一個加工位置的加工。圖6顯 示了加工的微凹腔39的橫斷面示意圖。
在區域II加工交叉微凹槽38，微凹槽38是通過一系列微凹腔39的重疊成槽來實現的， 其深度K通過微凹腔39的重疊程度來控制，其重疊程度由重疊係數nX來表示，0%從75 % 95%，其深度一般可以從lum 20um;同樣也可通過控制雷射波長，或聚焦鏡焦距和 聚焦點位置來控制微凹槽38寬度bs， bg—般可由40um 120ura;而微凹槽38交叉角度、圓 周方向槽距可由軟體預先設定來實現。具體過程是這樣的先調整到加工起始位置，同時 根據要求，設置好加工參數，然後開始加工。與上面加工微凹腔39所不同的是，在加工微 凹槽38時，z軸不會停在某個高度，而是勻速運動，通過匹配z軸移動速度和缸套轉速來 控制z方向每個重疊微凹腔39之間距離，從而控制微凹槽38深度。當加工完一個方向後， z軸反方向返回可形成微凹槽38。圖7顯示了加工的微凹槽38的橫斷面示意圖。 實施例2
如圖10-12所示，在零洩漏非接觸式新型機械密封環工件36上加工微凹腔39和微凹 槽38，其基本原理同實施例1中缸套工件35的加工，只是由於密封環端面是平面，所以 雷射加工噴嘴由圖3 (a)中的彎頭變成圖3 (b)中的直頭。如圖11，當加工深度為lum 20um微米量級、寬度為lmra以上毫米量級的寬螺旋槽40時，可以通過凹腔重疊成窄凹槽， 再由窄凹槽重疊成寬凹槽的方法來完成，這種宏觀淺槽的外形，如圓弧槽、螺旋槽等可以 由控制軟體實現。
權利要求
1. 一種雷射表面微造型裝置，由雷射器(2)、外光路部件、旋轉和移動工件部件、控制雷射器(2)和控制工件的旋轉移動的控制部分組成，其特徵在於沿所述雷射器(2)的光路方向依次內置了雷射裝置(20)、兩塊可調方向全反鏡(21、22)、全反鏡(23)、聲光調Q開關(24)、光闌(25)、光閘(26)、雷射發生器(27)和輸出鏡(28)；所述外光路部件通過導光管(5)連接雷射器(2)且從上到下依次安裝有CCD攝像頭(7)、反光鏡(29)和雷射頭(6)，外光路部件一側固定與伺服電機(8)連接的Z向立式移動導軌(10)，伸縮架(11)固定在導軌(10)上；所述旋轉和移動工件部件位於雷射頭(6)下方，包含旋轉主軸(14)和平面二維導軌(16、18)，分別連接伺服電機(13、15、17)，在主軸(14)同軸方向安裝一增量編碼器；控制部分包括工控機、伺服電機和伺服電機驅動器。
2. 根據權利要求1所述的一種雷射表面微造型裝置，其特徵在於所述工控機內的ISA總線 上並接一塊四軸運動控制卡、 一塊電隔離D/A卡和一塊編碼器計數卡。
3. —種雷射表面微造型方法，其特徵主要是依次包括如下步驟(A) 將待加工工件固定於主軸(14)上，隨主軸(14)做旋轉運動；由增量編碼器輸 出反映工件轉過位置的脈衝信號，經編碼器計數卡四倍頻、計數處理，使雷射器(2)脈衝發 出時間和工件旋轉時間耦合，即在兩個或多個脈衝的空隙時間內正好走過工件上兩個加工點 之間的旋轉距離；(B) 由工控機分頻後輸出聲光調Q開關(24)的控制信號控制雷射器輸出單脈衝雷射 束；雷射束通過光路系統聚焦照射在工件表面；由四軸運動控制卡控制二維導軌(16、 18) 和導軌(10)的移動，使雷射束和工件表面產生進給運動；(C) 藉助D/A卡和編碼器計數卡對主軸(14)和雷射器(2)的控制以及工件與雷射束 產生的進給運動，在工件表面的同一個點處間隔反覆地打多個雷射脈衝，加工出可控制深度 的微凹腔(39)和微凹槽(38)。
4. 根據權利要求3所述的一種雷射表面微造型的方法，其特徵在於步驟(C)所加工的微 凹腔(39)的直徑為20 60um，深度為1 20um;微凹槽(38)的寬度為40 120um，深度 為1 20um。
5. 根據權利要求3所述的一種雷射表面微造型的方法，其特徵在於先將微凹腔(39)重疊 加工成窄凹槽，再由窄凹槽重疊加工成寬凹槽可得到表面宏觀造型的寬凹槽。
全文摘要
本發明公開了一種雷射表面微造型裝置及方法，由雷射器、外光路部件、旋轉和移動工件部件、控制雷射器和控制工件的旋轉移動的控制部分組成，待加工工件隨主軸做旋轉運動；由增量編碼器輸出反映工件轉過位置的脈衝信號，使雷射器脈衝發出時間和工件旋轉時間耦合，在兩個或多個脈衝的空隙時間內正好走過工件上兩個加工點之間的旋轉距離；由工控機分頻後輸出聲光調Q開關的控制信號控制雷射器輸出單脈衝雷射束，由四軸運動控制卡控制二維導軌和導軌的移動，使雷射束和工件表面產生進給運動加工出微凹腔和微凹槽；本發明可使加工時由雷射帶來的熱負面效應降到最低，在兼顧加工效率、加工成本的同時最大程度地保證形貌的表面加工質量。
文檔編號B23K26/04GK101380692SQ20081015578
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月15日 優先權日2008年10月15日
發明者符永宏, 濤 米 申請人:江蘇大學