一種基於液晶掩模技術的雷射表面衝擊加工的方法和裝置的製作方法
2023-07-21 23:27:01 1
專利名稱：一種基於液晶掩模技術的雷射表面衝擊加工的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射衝擊加工領域，特指一種基於液晶掩模技術的雷射衝擊波加工的方法和裝置，特別適用於摩擦副的表面加工。
背景技術：
內燃機的汽缸與活塞之間以及進行密封的摩擦副之間在運動時依靠一層液膜來降低摩擦力，形成穩定均勻的液膜是減少摩擦力的關鍵。由於現代雷射技術的發展，人們採用雷射在表面光潔度很高的摩擦副表面加工出細密均勻的微觀凹坑，用以儲存液體並增加液體與摩擦副表面的結合力，從而形成良好的液膜。但這種方法是基於雷射的熱效應即利用雷射束的能量使表面材料汽化、蒸發形成凹坑，由於雷射熱效應會改變工件表面材料的組織結構，影響材料的耐磨性能，因此其應用具有一定的局限性。
與本發明最為接近的技術是基於液晶掩模技術的表面微細加工技術。基於液晶掩模技術的表面微細加工技術是利用液晶顯示屏作為掩模，雷射通過顯示屏後因顯示屏上圖形的阻斷作用形成鏤空的細束光斑，照射到工件表面使表面材料汽化蒸發形成凹坑。該法仍是基於雷射的熱效應，同樣會影響材料的組織結構。
發明內容
本發明的目的是要提供一種用於摩擦副表面的雷射衝擊加工的方法和裝置。它可以在工件摩擦副表面加上按一定方式布置的微觀凹坑，用於存儲液體以便在摩擦副表面形成穩定良好的液膜，從而改善摩擦性能。
本發明的特徵在於利用液晶顯示屏作為掩模，以雷射誘導的衝擊波作為成形力源，在工件表面加工出所需要形狀和布置方式的微觀凹坑。
實施該方法的裝置包括依次相連的雷射發生器控制裝置、雷射發生器、散光系統、聚焦系統、工件夾具系統，其特徵在於在散光系統與聚焦系統之間設有液晶顯示屏及顯示屏圖像控制裝置，其中散光系統由一組凹透鏡和一片大曲率的凸透鏡組成；聚焦系統包括一組凸透鏡和一片大曲率的凹透鏡組成；工件夾具系統由設置在工件表面的約束層、吸收層與工件、夾具、工作檯及工作檯控制裝置依次相連而成。
本發明的實施過程如下1.根據摩擦副表面微觀形貌要求設計顯示屏顯示的圖形。
2.根據工件表面要加工凹痕的深度、加工區域的尺寸優化雷射光斑直徑和能量等工藝參數。
3.在工件表面塗布吸收層材料，並把工件安裝到夾具上。
4.根據雷射能量和液晶屏損壞閾值調節散光系統焦距。
5.根據工件表面加工部位外形尺寸調節聚焦系統焦距。
6.由雷射發生器控制裝置控制雷射發生器按優化好的參數產生的雷射脈衝，經散光系統放大照射到液晶屏上，由於液晶屏上顯示圖象的阻斷作用，使通過顯示屏後的雷射束成為與顯示屏圖像成反轉關係的鏤空圖形光斑，經過聚焦系統的會聚形成與工件表面加工區域外形尺寸一致的鏤空光斑，通過約束層照射到工件表面的吸收層上引起吸收層的汽化、電離形成衝擊波，工件表面在衝擊波的作用下發生變形形成微觀凹坑。
7.根據工件表面要求的微觀凹痕加工深度，可進行多次重複衝擊，直到達到要求為止。
8.通過工作檯控制裝置控制工件移動，按區域分片加工，直到整個工件表面加工完成。
本發明的優點是由於採用液晶顯示屏作為掩模，加工任意形狀的凹坑，同時可一次多點衝擊成形，提高了加工效率。另外利用衝擊波作為成形力源，使用了具有保護作用的吸收層，避免了雷射熱效應對材料的影響，使材料保持原有的表面性能。
下面結合圖1對本發明作進一步說明圖1為本發明提出的基於液晶掩模的雷射微細加工裝置的示意圖。
1.雷射發生器控制裝置 2.雷射發生器 3.雷射束 4.散光系統 5.液晶顯示屏6.顯示屏控制裝置 7.聚焦系統 8.約束層 9.吸收層 10.工件 11.夾具12.工作檯 13.工作檯控制裝置 14.數字控制系統 15.計算機
具體實施例方式
下面結合附圖詳細說明本發明提出的具體裝置的細節和工作情況。
用本發明進行雷射表面微細加工的裝置包括依次相連的雷射發生器控制裝置1、雷射發生器2、散光系統4、液晶顯示屏5及顯示屏控制裝置6、聚焦系統7以及工件夾具系統，及與雷射發生器控制裝置1、顯示屏控制裝置6、工作檯控制裝置13相連的數字控制系統14、計算機15。其中散光系統4由一組凹透鏡和一片大曲率的凸透鏡組成；聚焦系統7由一組凸透鏡和一片大曲率的凹透鏡組成；工件夾具系統包括約束層8、吸收層9、工件10、夾具11、工作檯12及工作檯控制裝置13。
雷射發生器產生能量在10～100焦爾、持續時間為8～80納秒的雷射脈衝，雷射束3的光斑模式可以是基模、多模等多種模式，其由雷射發生器控制裝置1調節和控制。由雷射發生器2產生的平行雷射束通過散光系統，被散光系統中的凹透鏡發散直徑變大同時能量密度降低，再經凸透鏡會聚成低能量密度的大直徑平行光束並照射到液晶顯示屏5上，液晶顯示屏5顯示著工件表面加工部位形狀的反轉放大圖像，即工件上不需要加工的部位在顯示屏上的圖形顯示黑色，需要加工的部位呈無色。雷射束通過顯示屏後由於顯示屏圖形的阻斷作用，而形成形狀與工件加工部位外形一致的鏤空光斑，然後經過聚焦系統7，被聚焦系統中的凸透鏡會聚光斑直徑縮小，同時能量密度增加，再經凹透鏡發散成與工件表面加工部位尺寸一致的平行鏤空光斑，經過約束層8後照射到塗布在工件10表面的吸收層9表面。吸收層材料吸收雷射能量並汽化、電離形成衝擊波，工件表面在衝擊波作用下發生變形形成微觀凹痕。根據需要的凹坑深度不同可重複進行衝擊加工。
由於液晶掩模可以顯示任意形狀的圖形，因此可以在工件表面加工出不同形狀的凹坑，以滿足不同每層性能的要求。因為採用衝擊波作為成形力源，使用了具有保護作用的吸收層材料，避免了雷射的熱效應對表面材料的影響，一次能夠在保持材料原有表面性能的基礎上加工出用以改善每層性能的微觀形貌。
權利要求
1.基於液晶掩模技術的雷射衝擊波加工的方法，其特徵在於利用液晶顯示屏作為掩模，以雷射誘導的衝擊波作為成形力源，在工件表面加工出所需要形狀和布置方式的微觀凹坑；其中由雷射發生器控制裝置控制雷射發生器按優化好的參數產生的雷射脈衝，經散光系統放大照射到液晶顯示屏上，使通過液晶顯示屏後的雷射束成為與液晶顯示屏圖象成反轉關係的鏤空圖形光斑，經過聚焦系統的會聚形成與工件表面加工區域外形尺寸一致的鏤空光斑，通過約束層照射到工件表面的吸收層上引起吸收層的汽化、電離形成衝擊波，工件表面在衝擊波的作用下發生變形，形成微觀凹坑。
2.根據權利要求1所述的基於液晶掩模技術的雷射衝擊波加工的方法，其特徵在於根據工件表面要求的微觀凹痕加工深度，可進行多次重複衝擊，直到達到要求為止；同時通過工作檯控制裝置控制工件移動，按區域分片加工，直到整個工件表面加工完成。
3.實現權利要求1所述的基於液晶掩模技術的雷射衝擊波加工的方法的裝置，其特徵在於包括依次相連的雷射發生器控制裝置(1)、雷射發生器(2)、散光系統(4)、聚焦系統(7)、工件夾具系統，其特徵在於在散光系統(4)與聚焦系統(7)之間設有液晶顯示屏(5)及顯示屏控制裝置(6)，其中散光系統(4)由一組凹透鏡和一片大曲率的凸透鏡組成；聚焦系統(7)包括一組凸透鏡和一片大曲率的凹透鏡組成；工件夾具系統由設置在工件表面的約束層(8)、吸收層(9)與工件(10)、夾具(11)、工作檯(12)及工作檯控制裝置(13)依次相連而成。
全文摘要
本發明涉及加工衝擊加工領域，特指基於液晶掩模技術的雷射衝擊波加工的方法和裝置，其在摩擦副表面加工出可以形成穩定均勻的液膜的表面微觀形貌。本發明裝置由雷射發生器、雷射發生器控制裝置、散光系統、液晶顯示屏及顯示屏控制裝置、聚焦系統、約束層、吸收層及工件夾具系統組成。由於使用液晶屏作為液膜，可以進行一次多點衝擊加工，且因利用衝擊波作為成形力源，避免了雷射熱效應對表面材料的影響，因而能夠在不改變材料表面性能的基礎上加工出改善摩擦性能的表面微觀形貌。
文檔編號B23K26/06GK1792536SQ20051009416
公開日2006年6月28日 申請日期2005年8月31日 優先權日2005年8月31日
發明者張永康, 顧永玉, 魯金忠 申請人:江蘇大學