專利名稱：凸輪表面形貌的激光微造型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面微造型技術(shù)，特指在發(fā)動(dòng)機(jī)噴油泵凸輪表面進(jìn)行激光微觀改 形改性復(fù)合處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
噴油泵凸輪是柴油/汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)主要受力元件。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)， 由于噴射過程的角度很小，凸輪受載局限于很窄的一段包角區(qū)內(nèi)，而且又總是在 這個(gè)范圍內(nèi)重復(fù)。所以，經(jīng)過一定次數(shù)的滾壓循環(huán)后，這種壓應(yīng)力就會(huì)首先在凸 輪的高負(fù)荷區(qū)內(nèi)引起凸輪表面的拉痕、麻點(diǎn)、剝離或過度磨損。尤其是隨著現(xiàn)代 柴油/汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求比功率和經(jīng)濟(jì)性的增加，使得發(fā)動(dòng)機(jī)所受到的交變負(fù) 荷不斷增加，燃油系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，對其提出了更高的要求。隨著排放法 規(guī)的日益嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的供油速率、噴油壓力不斷攀高，最終這些供油壓 力,運(yùn)動(dòng)件慣性力都要落在凸輪和滾輪上，所以凸輪和滾輪的工作強(qiáng)度非常大， 一旦發(fā)生疲勞損壞，燃料噴射系統(tǒng)就不能很好地正常工作，并影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。 因此，提高凸輪的使用壽命、保證其工作可靠性，耐久性，動(dòng)力學(xué)性能，已成為 柴油/汽油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展中的一項(xiàng)十分重要的課題。傳統(tǒng)意義上要求凸輪表面盡可 能光滑，但隨著微觀粗糙表面摩擦學(xué)研究的深入和在工程中的實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，光 滑表面因無存油區(qū)域而處于邊界潤滑狀態(tài)，無法形成混合潤滑狀態(tài)或彈性流體動(dòng) 壓潤滑，容易產(chǎn)生黏著磨損，易擦傷。相反通過在表面設(shè)置一定的微觀幾何形貌， 能夠改善摩擦副的潤滑減磨性能，這也為凸輪表面改形提供了有益的啟迪。此外， 在凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段，基于彈性流體動(dòng)壓潤滑理論的凸輪輪廓形狀的設(shè)計(jì)、通 過選擇材料或?qū)ν馆喒ぷ鞅砻孢M(jìn)行強(qiáng)化處理，可以改善凸輪滾輪摩擦副表面的潤 滑狀態(tài)，控制凸輪表面磨損，從而提高凸輪表面的耐磨性和抗疲勞性能。其中， 凸輪的彈流潤滑設(shè)計(jì)以滿足彈性流體動(dòng)壓潤滑為前提,保證表面不產(chǎn)生磨損的膜 厚比來對凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行耐磨損設(shè)計(jì)，通過選擇最佳的凸輪輪廓形狀來改善潤滑 條件，可顯著提高傳動(dòng)的精度,提高摩擦副的使用壽命。表面強(qiáng)化處理是提高既 有凸輪的使用性能和壽命的有效改性方法。表面處理通過改變工件的表層成分、 組織或在表面沉積鍍層，可以提高凸輪的表面硬度，使其獲得很好的耐磨損和耐 腐蝕的表面組織。目前已有噴丸、滾壓、感應(yīng)加熱、真空加熱、氣相沉積、氬弧重熔淬火等各種表面強(qiáng)化與處理技術(shù)。中國專利96109918.6凸輪中頻淬火新方 法，該種方法利用基圓預(yù)熱法對凸輪工作型面進(jìn)行均勻加熱的方法，雖然解決了 現(xiàn)有凸輪強(qiáng)化處理中加熱溫度不均勻，硬度不一致造成的淬火裂紋、過熱、軟點(diǎn) 等熱處理缺陷，但存在表面殘余應(yīng)力、加熱溫度不宜控制等缺點(diǎn)。近年來，激光 表面處理作為一種新的熱處理方法被廣泛應(yīng)用于汽車、航空等制造業(yè)領(lǐng)域，通過 表面熔凝、表面熔覆、表面淬火或表面合金化等激光表面改性方法，可以使凸輪 表面獲得高性能的表面硬化層，顯著提高了凸輪的性能和使用壽命，但該種方法 僅僅是對工件進(jìn)行表面改性處理，沒有對工件表面進(jìn)行改形處理，無法保證凸輪 滾輪副表面彈性潤滑油膜建立，因此表面潤滑狀態(tài)無法從根本上得到改善。中國 專利200610039758.1公開了一種激光表面微造型方法，特指一種用于摩擦副零 件表面形貌的微造型方法。這種思想源于人們觀察到最佳的表面粗糙度會(huì)引起局 部承載能力的效果，作為一種新的激光表面改形改性方法此技術(shù)已有廣泛的工業(yè) 應(yīng)用推力軸承的局部微造型，機(jī)械密封端面微造型，缸套-活塞環(huán)摩擦副表面
微造型；大直徑圓柱滾子軸承保持架上的微造型。經(jīng)過激光表面微造型，即使在 原本不具備產(chǎn)生楔形效應(yīng)條件的兩平行摩擦副間也會(huì)自動(dòng)生成一層具有一定承
載能力的潤滑油膜，潤滑狀況得到極大改善，從而顯著提高了零件表面的耐磨性
和使用壽命。但到目前為止由于激光微造型的基礎(chǔ)理論研究不足以及激光微造型
技術(shù)僅有少數(shù)幾個(gè)國家掌握，激光微造型技術(shù)在凸輪滾輪這種高副接觸表面還未
曾有過應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述不足而提供的一種在油泵凸輪表面進(jìn)行的 激光微觀改形改性復(fù)合處理技術(shù)，即將激光微造型復(fù)合處理技術(shù)應(yīng)用到凸輪副 中，從而對凸輪表面進(jìn)行改形和改性處理，以提高凸輪表面的潤滑減磨、耐磨抗 磨性能，延長凸輪的使用壽命，結(jié)合彈性流體動(dòng)壓潤滑理論和實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)化形 貌參數(shù)設(shè)計(jì)，提高凸輪的表面質(zhì)量和性能。
本發(fā)明為達(dá)到上述目的，技術(shù)方案是首先根據(jù)噴油泵凸輪的工作條件、 使用性能、可靠性要求，并根據(jù)彈性流體動(dòng)壓潤滑理論，對凸輪表面的微觀幾何 形貌進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定表面微觀幾何形貌設(shè)計(jì)方案。再通過控制激光加工工藝
參數(shù)，即功率密度(lo5~107W/cm)、脈沖寬度(25ns 200ns)、重復(fù)頻率(5 15KHz)、掃描速度(0r/min 300r/min)和輔助氣體(氮?dú)饣蜓鯕?等，以及工件運(yùn)動(dòng)的空間軌跡，實(shí)施不同形貌方案的激光微造型加工，以期在凸輪特定的局部 工作表面形成硬度高，且按一定規(guī)律分布的、由微凹腔和微凹槽組成的微觀幾何 形貌及金相組織。
激光微造型后噴油泵凸輪表面微凹腔的幾何參數(shù)為凹腔直徑dp=20m 100Mm，凹腔深度、=1//111 20//111，間距為50陶 400陶。微凹槽幾何參數(shù)為
凹槽寬度為10Mm 300Mm，凹槽深度為2Mm 20Mm，間距為50^ 500Mra。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是凸輪表面呈現(xiàn)由一系列微凹腔和微凹槽組成的分布均勻， 且呈一定規(guī)律的形貌分布，重復(fù)性好，其形貌可根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)要求，通過調(diào)整激 光加工參數(shù)精確控制。當(dāng)這種經(jīng)過激光復(fù)合處理的凸輪工作時(shí)，由于激光束的熱 效應(yīng)，凸輪表層材料得到硬化，強(qiáng)化處理，從而顯著的提高了凸輪表面的耐磨抗 磨性能；凸輪表面優(yōu)化設(shè)計(jì)的微觀幾何形貌，既能起到存儲(chǔ)潤滑油和保持良好潤 滑的作用，又能起到收集磨粒的作用，可以長時(shí)間的保護(hù)凸輪表面的形貌不受損， 從而改善了凸輪表面的潤滑狀況，起到了潤滑減磨的效果。此外，由于選擇造型 的區(qū)域包括了凸論反復(fù)受載區(qū)，并且是基于彈流潤滑理論對表面微形貌進(jìn)行的微 形貌參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此所產(chǎn)生的彈性流體動(dòng)壓潤滑效應(yīng)可以極大的改善表面 的潤滑狀況，這樣即使凸輪的高負(fù)荷區(qū)經(jīng)過多次重復(fù)的滾壓循環(huán)，也不至于在凸 輪表面引起拉痕、麻點(diǎn)、剝離或過度磨損。因此，采用本發(fā)明所提出的一種經(jīng)激 光微觀改形改性復(fù)合處理的凸輪工作時(shí)，可顯著的提高凸輪表面的耐磨抗磨、潤 滑減磨性能，延長凸輪的使用壽命。


下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，
圖1是本發(fā)明所使用的的激光加工設(shè)備示意圖2是凸輪-滾輪副的運(yùn)動(dòng)示意圖
圖3是經(jīng)過激光微造型的凸輪側(cè)剖面示意圖
圖4是經(jīng)過激光微造型的部分凸輪表面微凹腔示意圖
圖5是經(jīng)過激光微造型的部分凸輪表面微凹槽示意圖
附圖的圖面數(shù)字和符號(hào)說明如下
1——凸輪，2——滾輪，3——激光發(fā)生器，4——外光路系統(tǒng)，5——45度 反射鏡，6——激光束，7——聚焦鏡，8——工作臺(tái)，W—凸輪所承受的總載 荷，R~~滾輪半徑，h~~凸輪上某點(diǎn)工作時(shí)的油膜厚度，N——接觸點(diǎn)的法向載荷，《——凸輪角速度，hp——凹腔深度，D——相鄰兩凹腔的中心距，rp —
一凹腔的直徑。
具體實(shí)施例方式
激光加工設(shè)備選用釆用二極管泵浦Nd:YAG激光器。它主要由激光器部分、 制冷機(jī)部分、工作臺(tái)部分、控制柜部分組成。
凸輪選用的材料為具有代表意義的凸輪通用材料碳鋼。 下面以發(fā)動(dòng)機(jī)噴油泵凸輪為實(shí)例說明本發(fā)明的具體實(shí)施過程。
1. 二極管泵浦Nd:YAG激光器，激光模式為TEMOO，腔內(nèi)帶有望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束裝 置，輸出高質(zhì)量光束，采用聲光調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生脈沖激光。試驗(yàn)時(shí)的主要參數(shù)為 輸出波長有532nm和1064nm兩種，激光輸出功率P=1~10W，激光功率不穩(wěn)定 度-3%~+3%;泵浦電流在8 22A，調(diào)Q重復(fù)頻率1064nm采用7 40KHz， 532nm 采用5 15KHz，光束質(zhì)量系數(shù)M2〈2，發(fā)散角《mrad。吹送的輔助氣體氮?dú)狻?凹腔掃描次數(shù)1~10次；凹槽重復(fù)系數(shù)80%~90%等
2. 噴油泵凸輪基體材料為碳鋼。在凸輪表面特定部位開設(shè)均勻分布的微潤滑 腔和帶狀凹槽，用激光器自帶的G代碼方式加工，加工前需要進(jìn)行G代碼編程。 按G代碼編程說明編制微凹腔和微凹槽加工方案程序相鄰凹腔間距設(shè)為 200|am、 40(Vm兩種，重復(fù)次數(shù)設(shè)為1 10次；帶狀凹槽長度1000pm，相鄰兩平 行條紋的垂直距離60(^m，重復(fù)5 10次。
3. 驅(qū)動(dòng)激光器，調(diào)整激光參數(shù)(激光功率2.8 3.5w、直線掃描速度l~300r/min
連續(xù)可調(diào)，初始電流設(shè)為8A 22A，激光波長532nm，水溫穩(wěn)定時(shí)達(dá)到28~30 °c ) 使高能量密度、高重復(fù)頻率的脈沖激光照射凸輪的造型部位(即要加工的部位)， 并吹輔助氣體(氮?dú)?。
經(jīng)過激光掃描后，最終得出凸輪表面形成的微觀幾何形貌的幾何參數(shù)為凹 腔直徑dp=20pm 50pm，凹腔深度hp-5pm 10^mi。帶狀凹槽的寬度為20~50^mi， 深度則為20~50|Lim。
這種經(jīng)過激光改形改性處理的油泵凸輪在工作時(shí)，隨著供油速率、噴油壓 力不斷攀高，會(huì)在兩表面間形成具有一定承載能力的彈性流體動(dòng)壓潤滑油膜，使 表面形成介于邊界潤滑和流體動(dòng)壓潤滑的混合潤滑狀態(tài)，從而減小了摩擦力和工 件的擦傷；同時(shí)保證了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行，提高內(nèi)燃機(jī)的可靠性和耐久性。
凸輪經(jīng)過上述處理后， 一方面凸輪表層材料得到硬化，強(qiáng)化處理，耐磨抗 磨性增加；另一方面，彈流潤滑油膜的建立使摩擦副表面的潤滑狀況得到顯著改 善，極大提高了油泵凸輪表面的潤滑減磨性能，延長了凸輪的使用壽命，提高了 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
權(quán)利要求
1、凸輪表面形貌的的激光微造型方法，其特征在于首先確定凸輪表面微觀幾何形貌設(shè)計(jì)方案；再通過控制激光加工工藝參數(shù)，即功率密度105～107W/cm、脈沖寬度25ns～200ns、重復(fù)頻率5～15KHz、掃描速度0r/min～300r/min和氮?dú)饣蜓鯕膺@些輔助氣體，結(jié)合工件運(yùn)動(dòng)的空間軌跡，實(shí)施不同形貌方案的激光微造型加工，在凸輪特定的局部工作表面形成硬度高，由微凹腔和微凹槽組成的微觀幾何形貌；所述的微凹腔的幾何參數(shù)為凹腔直徑dp＝20μm～100μm，凹腔深度hp＝1μm～20μm，間距為50μm～400μm，微凹槽幾何參數(shù)為凹槽寬度為10μm～300μm，凹槽深度為2μm～20μm，間距為50μm～500μm。
全文摘要
本發(fā)明是一種對凸輪滾輪摩擦副表面的激光復(fù)合處理技術(shù)，特指對發(fā)動(dòng)機(jī)噴油泵凸輪表面進(jìn)行激光微觀改形改性處理方法。首先確定凸輪表面微觀幾何形貌設(shè)計(jì)方案；再通過控制激光加工工藝參數(shù)，即功率密度10⁵～10⁷W/cm、脈沖寬度25ns～200ns、重復(fù)頻率5～15KHz、掃描速度0r/min～300r/min和氮?dú)饣蜓鯕膺@些輔助氣體，結(jié)合工件運(yùn)動(dòng)的空間軌跡，實(shí)施不同形貌方案的激光微造型加工，在凸輪特定的局部工作表面形成硬度高，由微凹腔和微凹槽組成的微觀幾何形貌；本發(fā)明不僅可以顯著改善凸輪表面的潤滑性能，提高凸輪耐磨性，還可以延長凸輪的壽命，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。
文檔編號(hào)C21D7/00GK101318262SQ200810124318
公開日2008年12月10日 申請日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月25日
發(fā)明者巍 楊, 符永宏 申請人:江蘇大學(xué)