一種雷射表面微造型頂尖及其製備方法

2023-05-28 18:39:21

專利名稱：一種雷射表面微造型頂尖及其製備方法
技術領域：
本發明涉及機械加工用工具機的頂尖表面處理領域，特指在固定頂尖表面進行雷射微觀 改性、改形處理的雷射表面微造型頂尖及其製備方法。
背景技術：
頂尖是機械加工中必不可少的工具，分為固定頂尖和迴轉頂尖。固定頂尖具有定位精 度高，製造成本低等優點，故得到廣泛應用。加工零件時，頂尖在中心孔內做高速的相對 運動，使其與中心孔劇烈摩擦，產生高溫，極易造成頂尖燒壞或中心孔咬毛，影響工件的 加工精度。此外，在頂尖附近加的潤滑油只能起到冷卻頂尖體的作用，卻無法改變頂尖與 中心孔間幹摩擦的性質，且磨損顆粒也易造成頂尖光滑表面的劃傷。由此導致，固定頂尖 的工作環境惡劣，頂尖磨損大，使用壽命短。因此，減少頂尖的磨損，提高頂尖的使用壽 命是機械加工領域急需解決的問題。目前使用的迴轉頂尖，以鋼球與滾道的滾動摩擦代替 頂尖與中心孔的滑動摩擦，潤滑條件得到改善，產生的摩擦熱較少，頂尖壽命顯著延長。 中國專利ZL99258619. 4授權了一種鼓型散熱式工具機迴轉頂尖，該頂尖結構能將產生的熱量 迅速散去，大大提高了頂尖的使用壽命；中國專利200510079747. l公開了一種雙迴轉頂尖 結構，該結構頂尖與工件之間無相對滑動，摩擦較小。但迴轉頂尖結構複雜，製造成本較 高以及滾動軸承自身的遊隙問題，導致結構的剛性較差和工件的定位精度不高，故迴轉頂 尖僅用於精度質量要求不高的粗車、半精車加工工序。在頂尖的表面處理領域，傳統意義 上要求其表面精加工的非常光滑，超精加工不但提高了製造成本，且易受材料性質和加工 精度的限制。隨著微觀粗糙表面摩擦學研究的發展和在工程中的應用發現，光滑表面因無 存油區域而處於邊界潤滑狀態，不能形成混合潤滑或流體潤滑；相反通過在光滑表面設置 一定的微觀幾何形貌，能夠改善摩擦副的潤滑性能，這也為我們在頂尖光滑表面進行微觀 該形提供了有益的啟迪。近幾年來，雷射表面微造型技術在改善潤滑，減小摩擦方面得到 了快速的發展，已在活塞環、缸套、機械密封的表面處理中得到廣泛的應用。中國專利 02138076. 7公開了一種摩擦副表面的雷射複合處理方法，該方法通過對內燃機氣缸孔進行 雷射微觀造型處理，改善了磨損最嚴重區域的潤滑狀況。受此啟發，我們在頂尖表面進行 雷射微觀改性、改形處理，既提高了耐磨性，又改善了潤滑狀況；同時還可以減小摩擦噪 聲，提高零件加工精度，這必將具有十分重要的意義。

發明內容
本發明的目的就是為解決上述傳統頂尖製造與表面處理領域的不足，而提供一種雷射
表面微造型頂尖及其製備方法，即將雷射表面微造型技術應用於頂尖表面的處理中，對其 表面進行微觀改性、改形處理，以期改善頂尖的摩擦狀況，提高硬度和耐磨性能，延長頂 尖的使用壽命，減小摩擦噪聲，提高工件的加工質量和精度。 為達到上述目的，本發明的技術方案是
一種雷射微造型頂尖，頂尖表面有由微凹坑或交叉凹槽以及它們的組合組成的微觀幾
何形貌的金相組織，所述的微觀幾何形貌的幾何參數為凹坑半徑rp-20-80um，凹坑深度 hp=2-20 u m，相鄰凹坑間距L=50-200 u m;凹槽寬度B=50_150 u m，凹槽深度H=5-20 u m， 相鄰凹槽間距D-400-600ym，凹槽傾角A=30°-75。。在頂尖表面進行雷射微造型處理，形成 具有儲存潤滑油和磨損顆粒的微凹坑或交叉凹槽，同時對頂尖表面起到雷射相變硬化的效 果，提高其硬度。
上述雷射微造型頂尖的製備方法是採用二極體泵浦Nd:YAG雷射器，對頂尖表面進行 微觀改性、改形處理，通過控制雷射功率密度105-107『/cw2，脈衝寬度30-50ra，波長532"附， 泵浦電流21-22.8A脈衝頻率7.8《/fe，輸入造型的頂尖尺寸參數，調整雷射脈衝重複次數 2-10次，進行雷射微造型處理。當處理為凹槽時，還要調凹槽傾角A=30°-75°。
由於採用上述技術方案，頂尖表面由均勻分布的凹坑或交叉凹槽狀微觀幾何形貌組成， 雷射微造型微觀幾何形貌重複性能好，尺寸參數可根據預先設計要求，通過調整雷射加工 參數精確控制。其中，微觀幾何形貌的尺寸參數是根據工具機頂尖的實際工況對雷諾方程數 值求解，進行優化後得到，在此幾何參數下，可以產生最優的動壓潤滑效果；雷射加工參 數根據
大量的工藝試驗得到，可以避免雷射造型過程中熱效應的影響，提高微觀幾何形貌的加工 質量。當使用這種雷射微造型頂尖進行工件定位加工時，由於頂尖表面急冷急熱的雷射微 造型處理過程，使頂尖表層材料微觀上得到硬化，從而顯著提高頂尖的耐磨抗磨性能；頂 尖表面的微凹坑或微凹槽既能起到存儲潤滑油、保持良好動壓潤滑、減小頂尖與中心孔摩 擦產生的噪聲和散熱的效果，又能起到收集磨損顆粒的作用，從而改善了頂尖表面的摩擦 狀況，起到了潤滑減磨、清洗中心孔和降低頂尖表面燒壞的效果；同其它頂尖表面處理方 式相比，雷射表面微造型頂尖具有工藝簡單、工人的勞動強度低、成本低、對環境無汙染 等優點。因此，本發明所提出的一種雷射表面微造型頂尖，既減小了頂尖的磨損，提高了 加工效率，同時又降低了處理過程中對環境的汙染，具有非常重要的意義。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是頂尖雷射表面微造型製備方法示意圖 圖2是具有微凹坑、交叉凹槽和二者組合結構的頂尖示意圖 圖3是微凹坑示意圖 圖4是凹槽示意圖
圖5是交叉凹槽頂尖的凹槽傾角示意圖 附圖的圖面數字說明如下
l-雷射器；2-頂尖；3-工具機工作檯；a-凹坑造型頂尖；b-交叉凹槽造型頂尖；c、 d、 e-凹
坑與凹槽組合頂尖；hp-凹坑深度；2rp-凹坑直徑；L-相鄰凹坑間距；B-凹槽寬度；H-凹槽 深度；D-相鄰凹槽間距；A-凹槽傾角
具體實施例方式
下面以一固定頂尖為例說明本發明的具體實施過程。
雷射微造型設備選用二極體泵浦Nd:YAG雷射器。 頂尖為普通固定頂尖，其材料為硬質合金，表面研磨加工。
本發明實施例提供雷射表面微造型頂尖的製備方法，其步驟為
第一步提供一二極體泵浦Nd:YAG雷射器l，其基本參數為雷射功率3『，調Q脈 衝重複頻率7.8《歷，波長532ww，泵浦電流21-22.8丄
第二步選取一固定頂尖2，其材料為硬質合金，表面研磨加工。 第三步(1)凹坑形貌的加工。將固定頂尖2安裝在工具機工作檯3上，調整雷射功率 密度105-107W7cw2，脈衝寬度30-50ra，波長532ww，泵浦電流21-22.8^4，脈衝頻率7.8《/fe; 在"錐體雷射加工軟體"界面下分別輸入頂尖底部圓的直徑28mm、造型的頂尖長度15mm、 凹坑的軸向和徑向間距50-200um、工作檯轉速150^w、雷射脈衝重複次數2-10次；然後 驅動雷射器1，使高能量密度、高重複頻率的脈衝雷射照射到頂尖的表面，同時吹送輔助 氣體(如氮氣)，從而在頂尖的表面加工出硬度高且均勻分布的凹坑狀微觀幾何形貌，如圖 2a。 (2)交叉凹槽形貌的加工。與凹坑形貌加工不同之處在於，在"錐體雷射加工軟體" 界面下分別輸入頂尖底部圓的直徑28mm、造型的頂尖長度15wm、凹槽的點距2um、線距 400-600um、工作檯轉速150^pm、凹槽傾角30°-75°，然後使高能量密度、高重複頻率的脈 衝激光照射到頂尖的表面，同時吹送輔助氣體(如氮氣)，從而在頂尖的表面加工出硬度高 且均勻分布的交叉凹槽狀微觀幾何形貌，如圖2b。 (3)凹坑與凹槽組合形貌的加工。與(1)、 (2)類似，只需修改不同形貌區域長度對應的頂尖的長度，即可加工出凹坑與凹槽組合形 式的微觀幾何形貌(圖2c、 2d、 2e)。
經雷射微造型處理後，頂尖表面形成的凹坑(圖3)幾何參數為凹坑半徑rp=20-80 ym，凹坑深度hp=2-20 w m，相鄰凹坑間距L=50_200 P m;凹槽(圖4)幾何參數為凹槽 寬度8=50-150um，凹槽深度^5-20ym，相鄰凹槽間距D=400-600 u ra，凹槽傾角(圖5) A=30°-75。。
當用雷射微造型後的頂尖進行工件定位加工時，需在頂尖和中心孔間添加潤滑油，由 於頂尖體與中心孔作高速的相對迴轉運動，同時頂尖表面微觀幾何形貌存儲有潤滑油，因 此使二者之間形成了流體潤滑或混合潤滑狀態；並且微觀幾何形貌能容納磨損顆粒，這些 都減緩了頂尖體的磨損，延長了其使用壽命。
權利要求
1、一種雷射表面微造型頂尖，其特徵在於，頂尖表面有由微凹坑或交叉凹槽以及它們的組合組成的微觀幾何形貌的金相組織，其中，凹坑狀微觀幾何形貌的幾何參數為凹坑半徑rp＝20-80μm，凹坑深度hp＝2-20μm，相鄰凹坑間距L＝50-200μm；交叉凹槽狀微觀幾何形貌的幾何參數為凹槽寬度B＝50-150μm，凹槽深度H＝5-20μm，相鄰凹槽間距D＝400-600μm，凹槽傾角A＝30°-75°。
2、 製備權利要求1所述的雷射表面微造型頂尖的方法，其特徵在於，採用二極體泵浦 Nd:YAG雷射器，通過控制雷射功率密度105-107『/cm2，脈衝寬度30-50"s，波長532"m，泵浦 電流21-22.8^4，脈衝頻率7.8《/fe，輸入造型的頂尖尺寸參數，調整雷射脈衝重複次數2-10 次，進行雷射微造型處理；或者是，採用二極體泵浦Nd:YAG雷射器，通過控制雷射功率密度105-107『/cm2，脈衝寬 度30-50w，波長532"附，泵浦電流21-22.8^4，脈衝頻率7.8X7/z，輸入造型的頂尖尺寸參數， 凹槽傾角A=30°_75°，進行雷射微造型處理。
全文摘要
本發明是一種雷射表面微造型頂尖及其製備方法。所述的雷射表面微造型頂尖，是頂尖表面有由微凹坑或交叉凹槽以及它們的組合組成的微觀幾何形貌的金相組織，其中，凹坑狀微觀幾何形貌的幾何參數為凹坑半徑rp＝20-80μm，凹坑深度hp＝2-20μm，相鄰凹坑間距L＝50-200μm；交叉凹槽狀微觀幾何形貌的幾何參數為凹槽寬度B＝50-150μm，凹槽深度H＝5-20μm，相鄰凹槽間距D＝400-600μm，凹槽傾角A＝30°-75°。本發明經雷射微造型處理的頂尖表面，顯著提高了耐磨性能；改善了頂尖在工件中心孔內的潤滑狀況，降低摩擦噪聲，同時儲存的潤滑油能夠更有效的散熱，提高了頂尖的使用壽命。
文檔編號B23B23/00GK101376176SQ20081015605
公開日2009年3月4日 申請日期2008年9月19日 優先權日2008年9月19日
發明者張華偉, 符永宏 申請人:江蘇大學