凸轮表面形貌的激光微造型方法.pdf

本发明是一种对凸轮滚轮摩擦副表面的激光复合处理技术，特指对发动机喷油泵凸轮表面进行激光微观改形改性处理方法。首先确定凸轮表面微观几何形貌设计方案；再通过控制激光加工工艺参数，即功率密度105～107W/cm、脉冲宽度25ns～200ns、重复频率5～15KHz、扫描速度0r/min～300r/min和氮气或氧气这些辅助气体，结合工件运动的空间轨迹，实施不同形貌方案的激光微造型加工，在凸轮特定的局部工作表面形成硬度高，由微凹腔和微凹槽组成的微观几何形貌；本发明不仅可以显著改善凸轮表面的润滑性能，提高凸轮耐磨性，还可以延长凸轮的寿命，提高发动机的整体性能。

1、  凸轮表面形貌的的激光微造型方法，其特征在于首先确定凸轮表面微观几何形貌设计方案；再通过控制激光加工工艺参数，即功率密度10⁵～10⁷W/cm、脉冲宽度25ns～200ns、重复频率5～15KHz、扫描速度0r/min～300r/min和氮气或氧气这些辅助气体，结合工件运动的空间轨迹，实施不同形貌方案的激光微造型加工，在凸轮特定的局部工作表面形成硬度高，由微凹腔和微凹槽组成的微观几何形貌；
所述的微凹腔的几何参数为：凹腔直径d_p＝20μm～100μm，凹腔深度h_p＝1μm～20μm，间距为50μm～400μm，微凹槽几何参数为：凹槽宽度为10μm～300μm，凹槽深度为2μm～20μm，间距为50μm～500μm。

凸轮表面形貌的激光微造型方法
技术领域
本发明涉及表面微造型技术，特指在发动机喷油泵凸轮表面进行激光微观改形改性复合处理技术。
背景技术
喷油泵凸轮是柴油/汽油发动机上的一个主要受力元件。当发动机工作时，由于喷射过程的角度很小，凸轮受载局限于很窄的一段包角区内，而且又总是在这个范围内重复。所以，经过一定次数的滚压循环后，这种压应力就会首先在凸轮的高负荷区内引起凸轮表面的拉痕、麻点、剥离或过度磨损。尤其是随着现代柴油/汽油发动机设计要求比功率和经济性的增加，使得发动机所受到的交变负荷不断增加，燃油系统作为发动机的心脏，对其提出了更高的要求。随着排放法规的日益严格，发动机所需要的供油速率、喷油压力不断攀高，最终这些供油压力，运动件惯性力都要落在凸轮和滚轮上，所以凸轮和滚轮的工作强度非常大，一旦发生疲劳损坏，燃料喷射系统就不能很好地正常工作，并影响发动机的性能。因此，提高凸轮的使用寿命、保证其工作可靠性，耐久性，动力学性能，已成为柴油/汽油发动机发展中的一项十分重要的课题。传统意义上要求凸轮表面尽可能光滑，但随着微观粗糙表面摩擦学研究的深入和在工程中的实际应用发现，光滑表面因无存油区域而处于边界润滑状态，无法形成混合润滑状态或弹性流体动压润滑，容易产生黏着磨损，易擦伤。相反通过在表面设置一定的微观几何形貌，能够改善摩擦副的润滑减磨性能，这也为凸轮表面改形提供了有益的启迪。此外，在凸轮机构的设计阶段，基于弹性流体动压润滑理论的凸轮轮廓形状的设计、通过选择材料或对凸轮工作表面进行强化处理，可以改善凸轮滚轮摩擦副表面的润滑状态，控制凸轮表面磨损，从而提高凸轮表面的耐磨性和抗疲劳性能。其中，凸轮的弹流润滑设计以满足弹性流体动压润滑为前提，保证表面不产生磨损的膜厚比来对凸轮机构进行耐磨损设计，通过选择最佳的凸轮轮廓形状来改善润滑条件，可显著提高传动的精度，提高摩擦副的使用寿命。表面强化处理是提高既有凸轮的使用性能和寿命的有效改性方法。表面处理通过改变工件的表层成分、组织或在表面沉积镀层，可以提高凸轮的表面硬度，使其获得很好的耐磨损和耐腐蚀的表面组织。目前已有喷丸、滚压、感应加热、真空加热、气相沉积、氩弧重熔淬火等各种表面强化与处理技术。中国专利96109918.6凸轮中频淬火新方法，该种方法利用基圆预热法对凸轮工作型面进行均匀加热的方法，虽然解决了现有凸轮强化处理中加热温度不均匀，硬度不一致造成的淬火裂纹、过热、软点等热处理缺陷，但存在表面残余应力、加热温度不宜控制等缺点。近年来，激光表面处理作为一种新的热处理方法被广泛应用于汽车、航空等制造业领域，通过表面熔凝、表面熔覆、表面淬火或表面合金化等激光表面改性方法，可以使凸轮表面获得高性能的表面硬化层，显著提高了凸轮的性能和使用寿命，但该种方法仅仅是对工件进行表面改性处理，没有对工件表面进行改形处理，无法保证凸轮滚轮副表面弹性润滑油膜建立，因此表面润滑状态无法从根本上得到改善。中国专利200610039758.1公开了一种激光表面微造型方法，特指一种用于摩擦副零件表面形貌的微造型方法。这种思想源于人们观察到最佳的表面粗糙度会引起局部承载能力的效果，作为一种新的激光表面改形改性方法此技术已有广泛的工业应用：推力轴承的局部微造型，机械密封端面微造型，缸套-活塞环摩擦副表面微造型；大直径圆柱滚子轴承保持架上的微造型。经过激光表面微造型，即使在原本不具备产生楔形效应条件的两平行摩擦副间也会自动生成一层具有一定承载能力的润滑油膜，润滑状况得到极大改善，从而显著提高了零件表面的耐磨性和使用寿命。但到目前为止由于激光微造型的基础理论研究不足以及激光微造型技术仅有少数几个国家掌握，激光微造型技术在凸轮滚轮这种高副接触表面还未曾有过应用。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述不足而提供的一种在油泵凸轮表面进行的激光微观改形改性复合处理技术，即将激光微造型复合处理技术应用到凸轮副中，从而对凸轮表面进行改形和改性处理，以提高凸轮表面的润滑减磨、耐磨抗磨性能，延长凸轮的使用寿命，结合弹性流体动压润滑理论和实验研究，优化形貌参数设计，提高凸轮的表面质量和性能。
本发明为达到上述目的，技术方案是：首先根据喷油泵凸轮的工作条件、使用性能、可靠性要求，并根据弹性流体动压润滑理论，对凸轮表面的微观几何形貌进行优化设计，确定表面微观几何形貌设计方案。再通过控制激光加工工艺参数，即功率密度(10⁵～10⁷W/cm)、脉冲宽度(25ns～200ns)、重复频率(5～15KHz)、扫描速度(0r/min～300r/min)和辅助气体(氮气或氧气)等，以及工件运动的空间轨迹，实施不同形貌方案的激光微造型加工，以期在凸轮特定的局部工作表面形成硬度高，且按一定规律分布的、由微凹腔和微凹槽组成的微观几何形貌及金相组织。
激光微造型后喷油泵凸轮表面微凹腔的几何参数为：凹腔直径d_p＝20μm～100μm，凹腔深度h_p＝1μm～20μm，间距为50μm～400μm。微凹槽几何参数为：凹槽宽度为10μm～300μm，凹槽深度为2μm～20μm，间距为50μm～500μm。
本发明的优点是：凸轮表面呈现由一系列微凹腔和微凹槽组成的分布均匀，且呈一定规律的形貌分布，重复性好，其形貌可根据预先设计要求，通过调整激光加工参数精确控制。当这种经过激光复合处理的凸轮工作时，由于激光束的热效应，凸轮表层材料得到硬化，强化处理，从而显著的提高了凸轮表面的耐磨抗磨性能；凸轮表面优化设计的微观几何形貌，既能起到存储润滑油和保持良好润滑的作用，又能起到收集磨粒的作用，可以长时间的保护凸轮表面的形貌不受损，从而改善了凸轮表面的润滑状况，起到了润滑减磨的效果。此外，由于选择造型的区域包括了凸论反复受载区，并且是基于弹流润滑理论对表面微形貌进行的微形貌参数的优化设计，因此所产生的弹性流体动压润滑效应可以极大的改善表面的润滑状况，这样即使凸轮的高负荷区经过多次重复的滚压循环，也不至于在凸轮表面引起拉痕、麻点、剥离或过度磨损。因此，采用本发明所提出的一种经激光微观改形改性复合处理的凸轮工作时，可显著的提高凸轮表面的耐磨抗磨、润滑减磨性能，延长凸轮的使用寿命。
附图说明：
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，
图1是本发明所使用的的激光加工设备示意图；
图2是凸轮-滚轮副的运动示意图
图3是经过激光微造型的凸轮侧剖面示意图
图4是经过激光微造型的部分凸轮表面微凹腔示意图
图5是经过激光微造型的部分凸轮表面微凹槽示意图
附图的图面数字和符号说明如下：
1——凸轮，2——滚轮，3——激光发生器，4——外光路系统，5——45度反射镜，6——激光束，7——聚焦镜，8——工作台，W——凸轮所承受的总载荷，R——滚轮半径，h——凸轮上某点工作时的油膜厚度，N——接触点的法向载荷，ω——凸轮角速度，h_p——凹腔深度，D——相邻两凹腔的中心距，r_p——凹腔的直径。
具体实施方式
激光加工设备选用采用二极管泵浦Nd:YAG激光器。它主要由激光器部分、制冷机部分、工作台部分、控制柜部分组成。
凸轮选用的材料为具有代表意义的凸轮通用材料碳钢。
下面以发动机喷油泵凸轮为实例说明本发明的具体实施过程。
1.二极管泵浦Nd:YAG激光器，激光模式为TEM00，腔内带有望远镜扩束装置，输出高质量光束，采用声光调Q技术产生脉冲激光。试验时的主要参数为：输出波长有532nm和1064nm两种，激光输出功率P＝1～10W，激光功率不稳定度-3％～+3％；泵浦电流在8～22A，调Q重复频率1064nm采用7～40KHz，532nm采用5～15KHz，光束质量系数M2＜2，发散角＜3mrad。吹送的辅助气体氮气。凹腔扫描次数：1～10次；凹槽重复系数：80％～90％等
2.喷油泵凸轮基体材料为碳钢。在凸轮表面特定部位开设均匀分布的微润滑腔和带状凹槽，用激光器自带的G代码方式加工，加工前需要进行G代码编程。按G代码编程说明编制微凹腔和微凹槽加工方案程序：相邻凹腔间距设为200μm、400μm两种，重复次数设为1～10次；带状凹槽长度1000μm，相邻两平行条纹的垂直距离600μm，重复5～10次。
3.驱动激光器，调整激光参数(激光功率2.8～3.5w、直线扫描速度1～300r/min连续可调，初始电流设为8A～22A，激光波长532nm，水温稳定时达到28～30℃)使高能量密度、高重复频率的脉冲激光照射凸轮的造型部位(即要加工的部位)，并吹辅助气体(氮气)。
经过激光扫描后，最终得出凸轮表面形成的微观几何形貌的几何参数为：凹腔直径dp＝20μm～50μm，凹腔深度hp＝5μm～10μm。带状凹槽的宽度为20～50μm，深度则为20～50μm。
这种经过激光改形改性处理的油泵凸轮在工作时，随着供油速率、喷油压力不断攀高，会在两表面间形成具有一定承载能力的弹性流体动压润滑油膜，使表面形成介于边界润滑和流体动压润滑的混合润滑状态，从而减小了摩擦力和工件的擦伤；同时保证了发动机机经济、可靠地运行，提高内燃机的可靠性和耐久性。
凸轮经过上述处理后，一方面凸轮表层材料得到硬化，强化处理，耐磨抗磨性增加；另一方面，弹流润滑油膜的建立使摩擦副表面的润滑状况得到显著改善，极大提高了油泵凸轮表面的润滑减磨性能，延长了凸轮的使用寿命，提高了发动机的性能。