激光表面微造型工艺试验与应用

进行表面微造型形貌测量。 本研究采用“单脉冲同点间隔多次”激光微加工
新工艺, 加工原理如图1 所示。采用脉冲激光在P 1 点 打一次, 接着打下一个点P 2、P 3…, 直至P n 点。当工 件转动一圈再回到 P 1 点时, 再继续打第二次, 依次 类推。采用该加工方式可以最大限度地减小热扩散 带来的不利影响, 显著提高激光加工质量。
( a) 重叠面积系数 80% ( b) 重叠面积系数 90%
图 8 微造型表面几何尺寸( 重叠面积系 数为 80% )
Fig . 8 Size of laser t ext ur ing sur face ( ov er lap ar ea fact or is 80% )
(a) 重复频率 8 kHz ( b) 重复频率 10 kHz
4 结束语
试验分析了激光微加工工艺参数( 激光波长、光 斑间距、重叠面积系数及重复频率) 对微造型质量的
2. 3 重复频率
基本保持在 6～7 m 内。这是因为随着重复频率的
从图7a 及图8 可以看出, 相同条件下, 激光重复 增大, 激光输出功率增加很小, 去除材料的量也基本
频率在 8～20 kHz 范围内, 对微凹槽深度影响不大, 保持不变。
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图 7 光斑的重叠面积系数的影响( 重复频率为 20 kHz) F ig . 7 Effect of o ver lap ar ea factor ( r epet ition frequency is 20 kHz)
收稿日期: 2006- 11- 06 * 国家自然科学基金资助项目( 项目编号: 50475122) 和镇江市工业科技攻关项目( 项目编号: G Y 2005018) 华希俊 江苏大学机械工程学院 副教授 博士, 212013 镇江市 符永宏 江苏大学机械工程学院 教授 袁 润 江苏大学机械工程学院 副教授 王 霄 江苏大学机械工程学院 副教授 蔡 兰 江苏大学机械工程学院 教授 博士生导师
图 1 “单脉冲同点间隔多次”激光微加工原理图 Fig . 1 Sing le pulse int erv al laser micro -machining
2 激光表面微造型影响因素分析
2. 1 激光波长 YAG 激光器通过倍频晶体, 可输出 2 种波长的
激光, 即 532 nm 、1 064 nm 。当激光波长为 532 nm 时, 由于聚焦光斑小, 脉冲宽度窄, 峰值功率更高, 反 射率小, 不易形成光致等离子体, 材料更易于吸收, 光子能量更高, 热效应影响小, 表面毛刺、飞边也大 为减少( 图 2a、图 3a) 。因此, 其加工பைடு நூலகம்量要明显优于
质量的影响。试验研究表明, 该工艺能有效防止金属熔融和重铸现象, 获得较为理想的微腔形貌和表面质量。分析
了微加工断面形貌, 表明微腔( 槽) 表面留有一层与基体结合良好的硬化层。通过4L 88 型柴油机激光珩磨缸套的性
能试验研 究表明, 与普 通平顶珩磨缸套相 比, 采用激 光珩磨缸套, 柴油机机油耗降 低 39. 3% , 漏气量降低 30% , P M
图 2 微造型表面 三维加工形貌 Fig . 2 3 D pr ofile o f laser tex turing sur face
( a) = 532 nm ( b ) = 1 064 nm
图 3 微造型表 面几何尺寸 F ig . 3 Size of laser t ex tur ing sur face
下一层致密的硬化层, 其与基体的联结状况良好。从 图中可以看出, 由于 532 nm 激光加工的热效应远小 于 1 064 nm 激光加工的热效应, 其硬化层的厚度相 应较小。
图 4 激光微造型凹槽截面局部图
Fig . 4 Sectio n SEM of cutting gr oo ve
( a) = 1 064 nm ( b) = 532 nm
图 6 微造型表面三维加工形貌( 重复频率为 20 kHz)
F ig . 6 3 D pr o file o f laser tex turing surface ( repetit ion fr equency is 20 kHz)
( a) 重叠面积系数 80% ( b) 重叠面积系数 90%
技术( laser surf ace tex turing, 简称L ST ) 的研究正日 益受到重视[ 2] 。该技术具有加工速度快, 对环境无 污染以及优良的表面微造型控制能力等特点。利用
该技术可在摩擦副表面加工出许多微腔或微槽, 在 完全液体或混合润滑情况下, 可起到微动压轴承的 作用; 在边界摩擦情况下可起到贮存润滑油的作用,
2. 2 相邻脉冲光斑间距
整脉冲重复频率、扫描速度及光斑直径来控制相邻
从图 5 可以看出, 随着相邻脉冲光斑间距的增 脉冲光斑的重叠面积, 以达到控制微槽加工尺寸的
大, 光斑重叠程度减小, 单位长度上作用的激光功率 目的, 如图 6～7 所示。
密度降低, 微槽加工深度变浅。实际上, 可以通过调
图 5 相邻脉冲光 斑间距的影响 F ig . 5 Effect of lig ht spo t distance ( a) 光斑间距为 6 m ( b) 光斑间距为 8 m
3 激光表面微造型技术的应 用
39. 3% , P M 排放量降低了 18. 8% , H C 排放量降低 9. 6% , 取得了减小摩擦磨损、降低排放, 减轻污染,
将激光表面微造型技术应用于 4L 88 型增压柴 保护环境的效果。
油机缸套激光珩磨加工的试验研究。该柴油机原采 用硼铸铁、平顶珩磨网纹缸套。其内孔表面粗糙度Ra 为 0. 1 m 。平顶珩磨网纹采用魏兹曼网纹, 网纹夹 角 1 35°± 15°。在未 进行 平顶 珩磨 的缸 套上 进行 了激
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同时, 对于液体润滑和干摩擦情况, 均能起到收集磨 粒的作用[ 3] 。近年来, 先后有学者对一些重要摩擦 副, 如 机械密封[ 4～5] 、缸套/ 活塞环[ 6～8] 以及 推力轴 承[ 9] 等表面的激光微造型技术开展了重点研究。
二级管泵浦固体光源( DP SS ) YAG 激光器, 已 成为 金属材料微 细加工最 为现实和可 能的选 择[ 6～ 13] 。实际上, 二极管泵浦Y A G 激光器仍属于长 脉冲的热效应加工, 加工过程中, 有相当一部分热量 传输到加工区周围基体材料中, 形成热影响区, 降低 了激光能量的利用效率, 而且熔融金属的飞溅及重 铸易造成切口内部堵塞、表面粗糙不平, 并留有微裂 纹。因此, 利用YAG 激光对金属表面微加工, 有必要 根据微造型形貌及尺寸要求, 优化激光工艺参数, 以 尽可能减少和消除这些不利因素的影响[ 14] 。
Key words L aser surf ace tex turing, L aser honing , Ex periment
引言
摩擦副是机械产品的关键核心部件, 其摩擦学 行为不仅影响到机械系统工作性能和运行效率, 甚 至是导致其失效的主要原因[ 1] 。近年来, 为了改善一 些重要摩擦副的摩擦磨损性能, 对激光表面微造型
Abstract
T he ex periment al results r evealed that it is pract icable t o m achine g ray cast iron w it h single pulse int erval laser m icro -m achining met ho d by a Q sw it ched dio de-pumped so lid-st at e ( DP SS) Nd∶YAG laser . T he ef fect of laser paramet ers ( w avelengt h, light spot dist ance, o ver lap ar ea fact or and repet it ion f requency ) o n m icro-m achining quality w as discussed. A desired microst ruct ure and surf ace quality co uld be achieved t o overcome t he adv erse ef fect o f t her mal dif fusion and prevent the m elt ing and recast ing eff icient ly . T he section SEM of cut t ing g rooves w it h JXA - 840A w as also analyzed. It is f ound that the t reat ed layers of groo ves hav e g ood joining st ate on t he base met al. T he o pt imized t echnolog y has been applied in t he laser honing exper im ent . Wit h t he laser t ex t ur ing o f 4L88 diesel cy linder -bor e surf ace, t he o il consumpt ion w as reduced by 39. 3% , the em ission of co mbustion eng ines was reduced by 30% , and the part iculat e em ission w as reduced by 18. 8% , comparing w it h t radit io nal plat eau ho ning.
( a) = 532 nm ( b ) = 1 064 nm