專利名稱：一種增強(qiáng)金屬工件表面的仿生非光滑工藝方法和制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
仿生學(xué)是未來新材料設(shè)計(jì)和制造的潛在的最有效途徑。通過對(duì)某些生物如蜣螂、海生貝類、穿山甲、蛇、蜥蜴、竹材等的研究發(fā)現(xiàn)，生物體表具有的耐磨、抗擠壓、抗裂紋等功能與其體表的非光滑形態(tài)有密切關(guān)系。這是生物經(jīng)過億萬年的進(jìn)化優(yōu)化，逐漸形成與生存環(huán)境相適應(yīng)的特征。在對(duì)土壤動(dòng)物的研究中，發(fā)現(xiàn)土壤動(dòng)物出入于粘性較大的糞便和土壤，經(jīng)受磨損，能自由行動(dòng)，身體很少粘附糞便和泥土，這是因?yàn)閯?dòng)物非光滑體表凹入部位易集留空氣，可減輕大氣負(fù)壓，從而降低體表與糞便和土壤之間的粘附，起到減粘脫附的作用。凸起部位較硬，除含有基體中的元素外，還含有一些其它元素，其作用主要是承受著糞便和土壤的擠壓與摩擦，抵抗磨損。又如海螺表面，由許多凹凸不平，方向各異的層片交叉迭合而成，層片取向和凹凸度與貝殼表面的硬度、韌性分布密切相關(guān)。研究表明，此交叉層片結(jié)構(gòu)在阻止裂縫發(fā)展方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。再如昆蟲表皮，在顯微鏡下也是非光滑結(jié)構(gòu)，且體表的不同位置硬度各不相同，這在昆蟲表皮產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布，該結(jié)構(gòu)為昆蟲提供了輕便、高強(qiáng)度和韌性的保護(hù)。
在對(duì)生物體表非光滑形態(tài)的結(jié)構(gòu)和靜態(tài)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能的理論研究中，形成了仿生非光滑單元體形態(tài)的設(shè)計(jì)思想，并把它運(yùn)用到金屬表面強(qiáng)化領(lǐng)域，形成了仿生非光滑單元體增強(qiáng)金屬工件的工藝方法。
工程仿生學(xué)在材料學(xué)科領(lǐng)域的研究剛剛興起，目前為止還沒有專門的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)仿生非光滑單元體增強(qiáng)金屬工件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能有效提高金屬表面抗熱疲勞性和耐磨性的工藝方法及制備裝置。
下面對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述一、增強(qiáng)金屬工件表面的仿生非光滑工藝方法仿生非光滑是指模仿自然界中生物體不光滑、組織結(jié)構(gòu)規(guī)律變化的外表，在金屬工件光滑、組織結(jié)構(gòu)均勻的表面加工形成一系列規(guī)律分布的單元體，這些單元體在工件表面形成一定的起伏，而且具有與基體截然不同的組織或化學(xué)成分，它們?cè)诠ぜ砻鏁?huì)起到提高工件耐熱疲勞和耐摩擦磨損的性能。
本發(fā)明提供的增強(qiáng)金屬工件表面的仿生非光滑工藝方法，其具體步驟為A.在金屬工件表面，采用涂敷粉末的方法，添加化學(xué)元素，化學(xué)元素為Cr0～20％，Mn0～20％，Si0～3％，Mo0～5％，Ni0～5％，W0～20％，Co0～10％，B0～10％。
B.在金屬工件表面，利用激光加熱的方法，加工非光滑表面，非光滑表面的單元體形態(tài)分別為點(diǎn)陣、條紋、網(wǎng)格狀；其中點(diǎn)陣的點(diǎn)直徑W1為0.01～10mm，深度為0.01～8mm，間距S1、S2為2～60mm，硬度HV 300～900；其條紋的寬度W2為0.01～10mm，深度為0.01～8mm，間距S3為2～50mm，傾角α分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°或90°，硬度HV 300～900；其網(wǎng)格的寬度W3為0.01～10mm，深度為0.01～8mm，間距S4、S5為2～50mm，硬度HV 300～900。
采用的金屬工件的材料為可以激光加工的金屬材料。
本發(fā)明形成的仿生非光滑單元體具有三個(gè)層次的非光滑意義，下面進(jìn)行闡述1、形態(tài)非光滑 是指激光加工過后，在原來光滑的工件表面形成凸凹不平的單元體形態(tài)，并且這些單元體的顯微組織與基體的組織截然不同。在形態(tài)非光滑中，非光滑單元體形態(tài)由單元體的分布規(guī)律和特性組成。分布規(guī)律是指加工面上單元體在排布方式和排布密度上服從的規(guī)則性。特性由激光處理區(qū)的寬度、深度和單元體與基體之間的硬度差決定，非光滑表面的形態(tài)為如上所述的點(diǎn)陣、條紋和網(wǎng)格狀。
2、化學(xué)成分非光滑 是指在工件表面涂敷一層厚度均勻、化學(xué)成分與基體有一定區(qū)別的合金粉末。合金粉末成分根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的目的決定，在激光加工過程中，合金粉末熔化在處理區(qū)熔池中。熔池冷卻后形成化學(xué)成分與基體不同的非光滑單元體。
3、組織非光滑 是指激光加工或添加合金元素，使單元體具有了與基體不同的顯微組織。激光加工可以改變單元體的組織，根據(jù)激光功率的大小可以形成退火組織、淬火組織或重熔組織，還可以細(xì)化晶粒，使晶粒度最高達(dá)到九級(jí)。添加的合金元素熔解到處理區(qū)熔池里，與熔池中原有的元素反應(yīng)，可以生成金屬間化合物或其他產(chǎn)物，它們?cè)趩卧w里彌散分布，可以起到細(xì)晶強(qiáng)化和第二相硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化的作用。
二、實(shí)施增強(qiáng)金屬工件表面仿生非光滑工藝方法的制備裝置本裝置由激光器、數(shù)控工作臺(tái)和控制單元三部分組成，其控制單元分別與激光器的通信接口和數(shù)控工作臺(tái)的微機(jī)基本系統(tǒng)相連，它的總體結(jié)構(gòu)見附圖4，下面就這三部分分別詳細(xì)說明。
1.控制單元 控制單元是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，安裝了“激光處理形成仿生非光滑單元體加工程序”軟件。
“激光處理形成仿生非光滑單元體加工程序”的重要組成部分是加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)和優(yōu)化的結(jié)果。數(shù)據(jù)庫中，每一條數(shù)據(jù)記錄包括材料、激光和單元體的參數(shù)，包括材料的牌號(hào)、原始顯微組織，激光器的頻率、電流強(qiáng)度、脈寬、掃描速度，單元體的分布規(guī)律、寬度、深度、硬度、處理后的顯微組織。數(shù)據(jù)庫支持用戶查詢工藝參數(shù)，支持用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫中的記錄進(jìn)行管理，例如瀏覽所有記錄，刪除或修改記錄等。
“激光處理形成仿生非光滑單元體加工程序”的另一個(gè)功能是根據(jù)用戶輸入的信息，包括工件的外形和尺寸、單元體的幾何形狀，自動(dòng)形成數(shù)控加工程序。
控制臺(tái)的作用是指導(dǎo)用戶按照“激光處理形成仿生非光滑單元體加工程序”的提示，輸入必要的信息，并且根據(jù)用戶輸入的信息，在數(shù)據(jù)庫中檢索最匹配的工藝參數(shù)，同時(shí)，自動(dòng)形成數(shù)控加工程序，在用戶認(rèn)可參數(shù)和加工程序后，把參數(shù)中關(guān)于激光能量的參數(shù)傳遞到激光器，把加工程序傳遞到數(shù)控工作臺(tái)。
2.激光器 為了實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，激光器電源配備了通訊接口。
3.數(shù)控工作臺(tái) 數(shù)控工作臺(tái)由數(shù)控系統(tǒng)和工作臺(tái)組成，數(shù)控系統(tǒng)中微機(jī)基本系統(tǒng)一端的模擬量輸出接口經(jīng)工作臺(tái)的主軸驅(qū)動(dòng)裝置與伺服電機(jī)連接，并由光電編碼器經(jīng)位置反饋計(jì)數(shù)器接口與微機(jī)基本系統(tǒng)另一端相連。
數(shù)控工作臺(tái)的作用是夾持工件，并且按控制單元輸出的參數(shù)帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)，達(dá)到在工件表面形成不同形態(tài)非光滑表面的目的。
數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)控制單元傳輸?shù)男盘?hào)生成數(shù)控加工程序。模擬量輸出接口采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，將數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，輸出模擬電壓的范圍為-10~+10V，用來控制主軸電動(dòng)機(jī)中的速度伺服單元。數(shù)控工作臺(tái)配有主軸驅(qū)動(dòng)裝置，可利用系統(tǒng)的主軸控制接口輸出模擬量進(jìn)行無級(jí)變速。反饋計(jì)數(shù)器接口能檢測(cè)并記錄光電編碼器所發(fā)回的信號(hào)，從而得到進(jìn)給軸的實(shí)際位置。
工作臺(tái)的機(jī)械構(gòu)造如圖5所示，工作臺(tái)由載物臺(tái)1、伺服電機(jī)a2、皮帶輪a3、中軸4、絲杠a5、伺服電機(jī)b6、底座7、絲母8、底板a9、軌道a10、軌道b11、底板b12、絲杠b13、斜齒齒輪14、斜齒齒輪軸15、臺(tái)架16、皮帶輪b17和伺服電機(jī)c18組成，底板a9固定于底座7上，底板a9上平面的兩側(cè)設(shè)有軌道a10，其正中間設(shè)有絲杠a5，絲杠a5的左端經(jīng)聯(lián)軸器與伺服電機(jī)b6相連，絲杠a5上的絲母8與底板b12的底面固接；底板b12位于底板a9上部，底板b12底部所設(shè)導(dǎo)軌，置于軌道a10中，底板b12受限于軌道a10，只能沿軌道a10橫向移動(dòng)，并與底板a9呈90度；底板b12上平面的兩側(cè)設(shè)有軌道b11，其正中間設(shè)有絲杠b13，絲杠b13的前端經(jīng)聯(lián)軸器與伺服電機(jī)相連，絲杠b13上的絲母與臺(tái)架16的底面固接；臺(tái)架16底部設(shè)有導(dǎo)軌，并置于軌道b11中，臺(tái)架16受限于軌道b11，只能沿軌道b11縱向移動(dòng)；伺服電機(jī)a2和伺服電機(jī)c18對(duì)稱固接于臺(tái)架16側(cè)壁上部，中軸4經(jīng)臺(tái)架16頂部的中心孔，并與其形成動(dòng)配合，中軸4的上端與載物臺(tái)1固接，其下端與斜齒齒輪14固接；
伺服電機(jī)a2經(jīng)皮帶輪a3與中軸4連接，伺服電機(jī)a2旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)皮帶輪a3帶動(dòng)中軸4旋轉(zhuǎn)，由于中軸4和載物臺(tái)1固接，因此實(shí)現(xiàn)了載物臺(tái)1的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；伺服電機(jī)c18經(jīng)皮帶輪b17與斜齒齒輪軸15連接，伺服電機(jī)c18的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)斜齒齒輪軸14轉(zhuǎn)動(dòng)，斜齒齒輪14與斜齒齒輪軸15嚙合。伺服電機(jī)c18的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)斜齒齒輪軸14旋轉(zhuǎn)，從而使斜齒齒輪13、中軸4和載物臺(tái)1作上下運(yùn)動(dòng)。
制備裝置加工流程如下1、將工件夾持在工作臺(tái)上，閉合電源，啟動(dòng)微型計(jì)算機(jī)、激光器電源和數(shù)控裝置；2、啟動(dòng)“激光處理形成仿生非光滑單元體加工程序”，按照程序提示輸入信息；3、“激光處理形成仿生非光滑單元體加工程序”檢索出匹配的工藝參數(shù)，并自動(dòng)形成數(shù)控加工程序。確定該工藝參數(shù)和加工程序后，將參數(shù)中關(guān)于激光能量的參數(shù)傳遞到激光器，將加工程序傳遞到數(shù)控工作臺(tái)；4、激光器電源按照微型計(jì)算機(jī)傳輸過來的信號(hào)設(shè)置激光參數(shù)；數(shù)控裝置按照加工程序控制伺服電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)；5、加工過程中，激光頭靜止不動(dòng)，工作臺(tái)帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)。激光束和工件形成一定規(guī)律的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在工件表面形成所需的非光滑單元體。
本發(fā)明的積極效果在于1.能有效提高金屬表面抗熱疲勞性，減少熱疲勞磨損，抵御熱疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，也可降低模具和工件之間的粘附，提高金屬表面耐磨性。
2.具有高的性能價(jià)格比，能用低的加工成本，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的表面強(qiáng)化效果。
3.操作者勞動(dòng)強(qiáng)度低，生產(chǎn)效率高。


圖1為金屬基體表面非光滑表面點(diǎn)陣示意圖其中S1.橫向點(diǎn)間距 S2.縱向點(diǎn)間距 W1.點(diǎn)直徑圖2為金屬基體表面非光滑表面條紋示意圖其中S3.條紋間距 W2.條紋寬度 α.條紋傾角圖3為金屬基體表面非光滑表面網(wǎng)格示意圖其中S4.網(wǎng)格縱向間距 S5.網(wǎng)格橫向間距 W3.網(wǎng)格寬度圖4為增強(qiáng)金屬工件表面的仿生非光滑制備裝置的總體結(jié)構(gòu)示意5為工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖其中1.載物臺(tái) 2.伺服電機(jī)a 3.皮帶輪a 4.中軸 5.絲杠a 6.伺服電機(jī)b 7.底座 8.絲母 9.底板a 10.軌道a 11.軌道b 12.底板b 13.絲杠b 14.斜齒齒輪15.斜齒齒輪軸 16.臺(tái)架 17.皮帶輪b 18.伺服電機(jī)c
具體實(shí)施例方式
1.提高卡車制動(dòng)鼓的耐磨性對(duì)于重型卡車制動(dòng)鼓，采用三種不同的工藝參數(shù)，形成三種不同的非光滑單元體，分別為a.點(diǎn)陣直徑4mm、深2mm、間距50mm、硬度520HVb.條紋寬4mm、深2mm、間距50mm、硬度518HVc.網(wǎng)格寬2.5mm、深1.5mm、間距40mm、硬度537HV用上述三種非光滑試樣與光滑試樣做摩擦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示具有非光滑單元體的試樣，尤其是具有網(wǎng)格狀單元體的試樣，相對(duì)于光滑試樣，顯著降低工件的磨損量，提高了工件的抗摩擦磨損能力。
2.提高模具鋼的耐磨性在45#模具鋼表面涂覆粉末，粉末的分布呈網(wǎng)格狀。粉末化學(xué)成分(wt％)有兩種方案(1)Cr15、Si2、Mo4、Co5、Fe74 (2)Mn10、Ni3、W5、B2、Fe80。
采用這兩種工藝方案強(qiáng)化后的模具鋼，與未處理的模具鋼作摩擦磨損對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，該工藝顯著提高模具鋼的耐磨損性能。
3.裝置實(shí)施例裝置中采用YAG型激光器、松下MSMA系列伺服電機(jī)、K1TB-II型數(shù)控系統(tǒng)、DELL微型計(jì)算機(jī)。模擬量輸出接口采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，將數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，輸出模擬電壓的范圍為-10~+10V。
權(quán)利要求
1.一種增強(qiáng)金屬工件的仿生非光滑工藝方法，其特征在于A.在金屬工件表面，采用涂敷粉末的方法，添加化學(xué)元素；B.在金屬工件表面，利用激光加熱的方法，加工非光滑表面。
2.一種實(shí)施權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)金屬工件仿生非光滑工藝方法的裝置，由激光器、數(shù)控工作臺(tái)和控制單元組成，其特征在于控制單元分別與激光器的通信接口和數(shù)控工作臺(tái)的微機(jī)基本系統(tǒng)相連。
3.按權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)金屬工件的仿生非光滑工藝方法，其特征在于該工藝采用的金屬工件為可以激光加工的金屬材料。
4.按權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)金屬工件的仿生非光滑工藝方法，其特征在于所述的化學(xué)元素為Cr0～20％，Mn0～20％，Si0～3％，Mo0～5％，Ni0～5％，W0～20％，Co0～10％，B0～10％。
5.按權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)金屬工件的仿生非光滑工藝方法，其特征在于所述的非光滑表面為點(diǎn)陣、條紋、網(wǎng)格狀。
6.按權(quán)利要求5所述的增強(qiáng)金屬工件的仿生非光滑工藝方法，其特征在于所述的點(diǎn)陣，其點(diǎn)直徑(W1)為0.01～10mm，深度為0.01～8mm，間距(S1、S2)為2～60mm，硬度(HV)為300～900。
7.按權(quán)利要求5所述的增強(qiáng)金屬工件的仿生非光滑工藝方法，其特征在于所述的條紋，其寬度(W2)為0.01～10mm，深度為0.01～8mm，間距(S3)為2～50mm，傾角(α)為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，硬度(HV)為300～900。
8.按權(quán)利要求5所述的增強(qiáng)金屬工件的仿生非光滑工藝方法，其特征在于所述的網(wǎng)格，其寬度(W3)為0.01～10mm，深度為0.01～8mm，間距(S4、S5)為2～50mm，硬度(HV)為300～900。
9.按權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述的控制單元為一套“激光處理形成仿生非光滑單元體的加工程序”。
10.按權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述的數(shù)控工作臺(tái)由數(shù)控系統(tǒng)和工作臺(tái)組成，其特征在于數(shù)控系統(tǒng)中微機(jī)基本系統(tǒng)一端的模擬量輸出接口經(jīng)工作臺(tái)的主軸驅(qū)動(dòng)裝置與伺服電機(jī)連接，并由光電編碼器經(jīng)位置反饋計(jì)數(shù)器接口與微機(jī)基本系統(tǒng)另一端相連。
11.按權(quán)利要求10所述的裝置，其中的工作臺(tái)由載物臺(tái)(1)、伺服電機(jī)a(2)、皮帶輪a(3)、中軸(4)、絲杠a(5)、伺服電機(jī)b(6)、底座(7)、絲母(8)、底板a(9)、軌道a(10)、軌道b(11)、底板b(12)、絲杠b(13)、斜齒齒輪(14)、斜齒齒輪軸(15)、臺(tái)架(16)、皮帶輪b(17)和伺服電機(jī)c(18)組成，其特征在于底板a(9)固定于底座(7)上，底板a(9)上平面的兩側(cè)設(shè)有軌道a(10)，其正中間設(shè)有絲杠a(5)，絲杠a(5)的左端經(jīng)聯(lián)軸器與伺服電機(jī)b(6)相連，絲杠a(5)上的絲母(8)與底板b(12)的底面固接；底板b(12)位于底板a(9)上部，底板b(12)底部所設(shè)導(dǎo)軌，置于軌道a(10)中，并與底板a(9)呈90度；底板b(12)上平面的兩側(cè)設(shè)有軌道b(11)，其正中間設(shè)有絲杠b(13)，絲杠b(13)的前端經(jīng)聯(lián)軸器與伺服電機(jī)相連，絲杠b(13)上的絲母與臺(tái)架(16)的底面固接，臺(tái)架(16)底部設(shè)有導(dǎo)軌，并置于軌道b(11)中；伺服電機(jī)a(2)和伺服電機(jī)c(18)對(duì)稱固接于臺(tái)架(16)側(cè)壁上部，中軸(4)經(jīng)臺(tái)架(16)頂部的中心孔，并與其形成動(dòng)配合，中軸(4)的上端與載物臺(tái)(1)固接，其下端與斜齒齒輪(14)固接；伺服電機(jī)a(2)經(jīng)皮帶輪a(3)與中軸(4)連接；伺服電機(jī)c(18)經(jīng)皮帶輪b(17)與斜齒齒輪軸(15)連接，斜齒齒輪(14)與斜齒齒輪軸(15)嚙合。
全文摘要
一種增強(qiáng)金屬工件表面的仿生非光滑工藝方法和制備裝置屬于金屬材料加工領(lǐng)域，目的是提供一種能有效提高金屬表面抗熱疲勞性和耐磨性的工藝方法及制備裝置。本發(fā)明采用涂敷粉末，在金屬工件表面添加的化學(xué)元素為Cr0～20％，Mn0～20％，Si0～3％，Mo0～5％，Ni0～5％，W0～20％，Co0～10％，B0～10％，并利用激光加熱，使金屬工件表面形成單元體形態(tài)分別為點(diǎn)陣、條紋、網(wǎng)格狀的非光滑表面的工藝方法，金屬工件的材料為可以激光加熱的金屬材料，為實(shí)施上述工藝方法，研制了由控制單元分別與激光器的通信接口和數(shù)控工作臺(tái)的微機(jī)基本系統(tǒng)相連的制備裝置，能有效提高金屬表面抗熱疲勞性和金屬表面耐磨性，且性能價(jià)格比好，生產(chǎn)效率高。
文檔編號(hào)C23C10/00GK1861844SQ200610016699
公開日2006年11月15日 申請(qǐng)日期2006年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月24日
發(fā)明者任露泉, 周宏 , 沈中虎, 張志輝, 單宏宇, 佟鑫, 周倜, 孫娜 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)