摩擦副零件表面形貌的雷射微造型方法及設備的製作方法

2023-05-28 18:26:36

專利名稱：摩擦副零件表面形貌的雷射微造型方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及表面微造型技術(Surface Texturing)，特指一種用於摩擦副零件表面形貌的雷射微造型方法及設備。
背景技術：
近年來，隨著對物體表面，特別是對重要摩擦副表面性能的要求越米越高，表面微造型技術(Surface Texturing)以其優異的改善摩擦性能的特點得以快速發展，尤其是對諸如機械密封、活塞環、氣缸套以及推力軸承的表面微造型加工的研究更成為近期熱點。作為表面微造型技術的根本，表面微造型加工手段的發展與應用決定了該技術的成功與否。加工方法的優劣，體現在對加工參數的控制能力以及加工成本的高低等方面。目前，普遍使用的造型方法主要有雷射表面微造型技術(laser surface texturing，LST)、反應離子蝕刻技術(Reactiveion etching，RIE)、LIGA技術、UV光刻技術(UV Photolithography)。但是，後3種方法普遍存在著適用面窄、加工成本高、效率低或者會對環境造成汙染等問題。如美國專利U.S.Pat.No.6391216公開了一種反應離子蝕刻方法和裝置，該方法僅適用於磁性材料的表面微造型，且效率不高，難以滿足批量化生產的要求。又如美國專利U.S.Pat.No.4532427公開了一種實現深UV光刻的方法和裝置，該裝置採用無電極燈作為UV光源，可獲得更有效的能量輸出，加工效率較高，但裝置造價昂貴，對環境要求高，不適合一般工業生產。以色列教授Etsion在其發表的論文Improving Tribological Performance of Mechanical Components byLaser Surface Texturing，Tribol.Lett.，17(4)，pp.733-737和State of the Art in Laser SurfaceTexturing，ASME J.Tribol.，127，pp.248-252中對雷射表面微造型技術作了總結。雷射表面微造型技術具有適用面廣、製造加工微孔速度快，成本低、對環境無汙染以及優良的微孔形狀和尺寸的控制能力的優點，是表面微造型領域頗為成功的造型方法，但國內外尚無摩擦副零件表面形貌的雷射微造型方法及設備的相關公開報導。

發明內容
本發明的目的就是為了能夠在各種摩擦副表面經濟、高效、準確地得到符合減磨機理的微觀造型而提出一種摩擦副零件表面形貌的雷射微造型方法和設備。
本發明的目的是這樣實現的本發明為實現上述目的，採用如下方法將待加工工件固定於主軸上，隨主軸做旋轉運動；由安裝在主軸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開關控制信號，控制雷射器輸出單脈衝雷射；雷射束通過反射鏡反射經雷射頭聚焦照射到工件表面；由四軸運動控制卡控制二維導軌和Z向立式導軌的移動，使雷射束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和雷射器的協同控制以及工件與雷射束產生的進給運動來完成工件的表面微造型。
本發明所提供的摩擦副零件表面形貌的雷射微造型設備包括雷射器與外光路部分、工作檯部分、用於控制工作檯和雷射器的控制部分；所述雷射器固定於尾架的上方，沿光路方向依次內置了HeNe雷射裝置、兩塊方向可調全反鏡、全反鏡、聲光調Q開關、光闌、光閘、雷射發生器和輸出鏡，雷射器電源和調Q開關驅動器置於尾架上；外光路部分位於雷射器的右方，從上到下依次為CCD攝像頭、反射鏡和雷射頭，雷射頭依次由聚焦透鏡、全反鏡、保護鏡組成，其側向帶有輔助氣體噴射裝置，固定於伸縮架上，伸縮架固定於Z向立式移動導軌上，導軌由伺服電機通過滾珠絲槓驅動；雷射器和外光路部分通過導光管連接；工作檯部分位於雷射頭下方，包含旋轉主軸和平面二維導軌，由伺服電機驅動；主軸同軸方向安裝一高精度增量編碼器；所述控制部分包含工控機、伺服電機驅動器和伺服電機；工控機內ISA總線上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、光閘和氣閥。
本發明的效果是1、能夠在桶類工件(如氣缸套)內外壁表面進行微坑或凹槽(包括交叉網紋)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。
2、能夠在平面類工件(如機械密封)表面進行微坑造型，微坑間距及深度可控。這種方法非常適合用於機械密封、推力軸承上，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。
3、能夠在空間曲面類工件(如凸輪軸凸輪、球關節)表面進行微坑造型，同樣能取得減磨、延壽的效果。


圖1本發明的摩擦副零件表面形貌的雷射微造型設備結構示意2雷射器內部結構3外部光路結構4控制部分框5加工工件面說明1-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10-Z向立式導軌11-伸縮架12-金屬套筒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-HeNe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7-雷射發生器28-輸出鏡29-反射鏡30-聚焦透鏡31-全反鏡32-保護鏡具體實施方式
本實施例是按圖1、圖2、圖3、圖4製作的一臺摩擦副零件表面形貌的雷射微造型設備。
採用一平面底座19，在其上固定X方向導軌18，伺服電機17(型號為MSMA102A1G)通過滾珠絲槓驅動Y方向導軌平臺沿導軌18左右移動；伺服電機15(型號為MSMA102A1G)通過滾珠絲槓驅動轉臺沿導軌16做前後移動；伺服電機13(型號為MSMA102A1C)通過皮帶傳動驅動主軸14做旋轉運動，在主軸14同軸方向安裝一增量編碼器(型號為LFA-500A-25000)；伺服電機8(型號為MSMA022A1A)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與金屬套簡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、光闌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。雷射頭分為水平聚焦型(圖3(a))和垂直聚焦型(圖3(b))。水平聚焦型雷射頭內部結構中，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、4軸運動控制卡(型號MC8041A)和D/A卡(型號PCL728)。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所對應的驅動器(型號分別為MSDA023A1A，MSDA103A1A，MSDA103A1A)，伺服電機8、15、17工作在位置控制模式。D/A卡輸出電壓信號至伺服電機13的驅動器(型號MSDA103A1A)，伺服電機13工作在速度控制模式。其他輔助裝置如光閘、氣閥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，將待加工工件機械密封環固定於主軸14上，隨主軸做旋轉運動；由安裝在主軸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輸出單脈衝雷射；雷射束通過反射鏡29反射經雷射頭6聚焦照射到工件表面；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。
權利要求
1.摩擦副零件表面形貌的雷射微造型方法，其特徵在於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)輸出單脈衝雷射；雷射束通過反射鏡(29)反射經雷射頭(6)聚焦照射到工件表面；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；藉助於D/A卡和編碼器計數卡對主軸和雷射器的協同控制以及工件與雷射束產生的進給運動來完成工件的表面微造型。
2.摩擦副零件表面形貌的雷射微造型裝置，其特徵在於由雷射器與外光路部分、工作檯部分、用於控制工作檯和雷射器的控制部分組成；所述雷射器(2)固定於尾架(3)的上方，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)(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)置於尾架(3)上；外光路部分位於雷射器(2)的右方，從上到下依次為CCD攝像頭(7)、反射鏡(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，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)和外光路部分通過導光管(5)連接；工作檯部分位於雷射頭(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；控制部分包含工控機、伺服電機驅動器和伺服電機；工控機內ISA總線上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。
全文摘要
本發明涉及表面微造型技術，特指一種用於摩擦副零件表面形貌的雷射微造型方法及設備。將待加工工件固定於主軸上，隨主軸做旋轉運動；由安裝在主軸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開關控制信號，控制雷射器輸出單脈衝雷射；雷射束通過反射鏡反射經雷射頭聚焦照射到工件表面；由四軸運動控制卡控制二維導軌利立式導軌的移動，使雷射束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和雷射器的協同控制以及工件與雷射束產生的進給運動來完成工件的表面微造型。本發明具有經濟、高效、準確，可以加工各種形狀工件等一系列優點。
文檔編號B23K26/04GK1857844SQ200610040199
公開日2006年11月8日 申請日期2006年5月11日 優先權日2006年5月11日
發明者王霄, 錢振華, 蔡蘭, 符永宏, 袁潤, 張永康, 劉會霞 申請人:江蘇大學