CN101653802A

CN101653802A - 基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法

Info

Publication number: CN101653802A
Application number: CN200910307367A
Authority: CN
Inventors: 姚振强; 胡永祥
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-09-21
Filing date: 2009-09-21
Publication date: 2010-02-24

Abstract

一种激光加工技术领域的基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法，包括：将待加工工件的表面贴上吸收层后安装到工作台，然后在吸收层上施加约束层；开启激光器输出光束进行冲击，在待加工工件的表面生成若干冲击点实现微坑阵列的激光冲击加工。本发明采用高能短脉冲激光器作用能量源，工艺方法简单、可靠、易于自动化，工艺过程可控性强；该工艺方法与传统的激光珩磨工艺相比，工件表面无热影响，并能在工件表面产生残余压应力，可以保证并提高工件抗磨损性能，特别适合摩擦副表面微坑阵列的加工。

Description

基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法

技术领域

本发明涉及的是一种激光加工技术领域的方法，具体是一种基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法。

背景技术

微坑阵列的表面结构作为改善滑动摩擦性能的有效途径日益在各种类型的摩擦副表面得到应用。这些微坑相互独立、互不贯穿、深度一致、按一定规律分布在表面上，可存贮润滑油并起到保持油膜压力的作用，使每个微坑单元周围接触面形成润滑油膜，可有效降低摩擦系数，增加润滑、降低摩擦。

现有技术中有“表面微坑超声加工方法”，发明专利号：00117761.3；“摩擦副工作表面微坑数控激光成型方法及装置”，02111930.9；“超声微研磨装置”，实用新型专利号：01221954.1；“蜂窝状微坑结构电解加工方法”，发明专利公开号：CN1958206等加工方法。这些加工方法中，振动加工对表面质量影响较大，需要二次加工；微研磨方法利用表面镀有金刚石或者立方氮化硼(CBN)的微研磨工具加工出微坑，这种方法设备复杂、成本高、加工不稳定；微细电解加工中微细电极阵列制造工艺复杂，难度较大；激光珩磨技术采用激光作为能量源，通过烧蚀作用在工件表面加工微坑，充分发挥了激光加工可控性强的优点，但是激光珩磨是利用激光热效应进行微坑加工，对材料有微观汽化和烧蚀作用，可造成局部材料性能发生改变，在工件表面形成许多微观疲劳裂纹，降低摩擦副疲劳性能。

经过对现有技术的检索发现：发明专利号ZL98125391.1，记载了一种“采用低能激光的激光冲击处理”，发明专利号ZL01134063.0记载了一种“激光冲击精密成形方法及装置”，美国专利号US6410884，记载了一种激光喷丸成形方法。上述现有技术中激光冲击处理利用激光冲击力在零件表层形成残余压应力，提高零件抗疲劳性能；激光冲击成形与激光喷丸成形均是利用激光冲击力实现板材宏观上的大尺寸整体拉伸或者弯曲成形。但是上述技术均未利用激光冲击力通过局部塑性变形，实现工件表面微坑结构的加工。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法。本发明利用激光冲击力产生的局部塑性变形效应用于摩擦副表面微坑结构的加工，实现了微坑阵列加工，提高了其抗磨损能力。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明直接利用高能短脉冲激光输出的激光束(功率密度大于1GW/cm²，脉冲宽度5～30ns)辐照工件表面吸收层，使其表层汽化电离形成等离子体冲击波；等离子体冲击波在水约束层的约束下，冲击波压力峰值(一般在GPa以上)超过材料动态屈服强度，从而使工件局部发生微小塑性变形，形成微坑。控制激光束与工件的相对位置，有序的冲击点分布，可以实现微坑阵列的激光冲击加工。

本发明包括以下步骤：

第一步、将待加工工件的表面贴上吸收层后安装到工作台，然后在吸收层上施加约束层；

所述的吸收层为厚度约为100μm的聚氯乙烯胶带，粘贴在待加工工件表面；

所述的约束层为施加在吸收层表面的流动水膜；

第二步、开启激光器输出光束进行冲击，在待加工工件的表面生成若干冲击点实现微坑阵列的激光冲击加工；

所述的激光器输出光束是指：设置激光输出功率密度大于1GW/cm²、脉冲宽度5～30ns，并按照待加工工件表面微坑加工要求设定光斑直径。

本发明采用高能短脉冲激光器作用能量源，工艺方法简单、可靠、易于自动化，工艺过程可控性强；既能实现微坑阵列加工，提高减摩性能；又能在其表层形成残余压应力等有益的微观组织特性，抑制疲劳裂纹的产生与扩展，提高其抗磨损能力。因而，激光冲击微坑加工一方面可以避免激光珩磨熔化烧蚀不利影响，另一方面能充分发挥激光加工区域可控、易于自动化等优点，从而利用一种工艺同时实现摩擦副减摩和抗磨能力的提高。该工艺方法与传统的激光珩磨工艺相比，工件表面无热影响，并能在工件表面产生残余压应力，可以保证并提高工件抗磨损性能，特别适合摩擦副表面微坑阵列的加工。

附图说明

图1为实施例示意图。

图2为加工工件表面典型微坑阵列示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，为本实施例的工作环境，其中：高能短脉冲激光器1、激光束2、外光路***3、水流喷嘴6、吸收层7、工作台9、工件夹具10、约束层11、控制***12组成。外光路***3含有反射镜4、聚焦透镜5。

本实施例通过以下方式进行实施：

第一步、吸收层7贴在工件8表面，用于吸收激光能量产生蒸汽并保护工件不受激光辐照产生的热损伤；约束层11施加在吸收层7表面，用于约束等离子体冲击波，增强冲击压力。

所述的吸收层7为厚度为100μm的聚氯乙烯胶带；

所述的约束层11为通过水流喷嘴6施加在吸收层7表面形成的流动水膜；

如图2所示，第二步、高能短脉冲激光器1发出的激光束2经过外光路***后辐照在吸收层7表面，辐照激光束2功率密度大于1GW/cm²、脉冲宽度5～30ns。吸收层8在激光束2辐照下熔融汽化，形成等离子冲击波，等离子体冲击波在约束层11的约束下，冲击压力得到增强，作用在工件8表面产生高应变率塑性变形，形成局部微坑。

工件8表面微坑几何尺寸可以通过改变高能短脉冲激光器1输出的激光束2的脉宽、激光能量，控制外光路***3中的聚焦透镜5的位置改变光斑尺寸，控制冲击点的冲击次数等途径实现。

控制***12有序控制工作台9的三维空间位姿，调整工件8的加工表面与激光束2的相对位置，结合对高能短脉冲激光器1输出激光束2的控制，在工件8表面不同位置进行冲击，实现微坑阵列的加工。

Claims

1.一种基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

第二步、开启激光器输出光束进行冲击，在待加工工件的表面生成若干冲击点实现微坑阵列的激光冲击加工。

2.根据权利要求1所述的基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法，其特征是，所述的吸收层为聚氯乙烯胶带，该吸收层粘贴在待加工工件表面。

3.根据权利要求1或2所述的基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法，其特征是，所述的吸收层的厚度为100μm。

4.根据权利要求1所述的基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法，其特征是，所述的约束层为施加在吸收层表面的流动水膜。

5.根据权利要求1或4所述的基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法，其特征是，所述的约束层是指通过水流喷嘴施加在吸收层表面形成的流动水膜。

6.根据权利要求1所述的基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法，其特征是，所述的激光器输出光束是指：设置激光输出功率密度大于1GW/cm2、脉冲宽度5～30ns。

7.根据权利要求1或6所述的基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法，其特征是，所述的激光器是指高能短脉冲激光器。