專利名稱：基于激光沖擊效應(yīng)的微坑陣列加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種激光加工技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種基于激光沖擊效應(yīng)的微坑 陣列加工方法。
技術(shù)背景微坑陣列的表面結(jié)構(gòu)作為改善滑動(dòng)摩擦性能的有效途徑日益在各種類型的摩擦副表面 得到應(yīng)用。這些微坑相互獨(dú)立、互不貫穿、深度一致、按一定規(guī)律分布在表面上，可存貯 潤滑油并起到保持油膜壓力的作用，使每個(gè)微坑單元周圍接觸面形成潤滑油膜，可有效降 低摩擦系數(shù)，增加潤滑、降低摩擦?，F(xiàn)有技術(shù)中有"表面微坑超聲加工方法"，發(fā)明專利號00117761.3;"摩擦副工作 表面微坑數(shù)控激光成型方法及裝置"，02111930.9;"超聲微研磨裝置"，實(shí)用新型專利 號01221954.1;"蜂窩狀微坑結(jié)構(gòu)電解加工方法"，發(fā)明專利公開號CN1958206等加 工方法。這些加工方法中，振動(dòng)加工對表面質(zhì)量影響較大，需要二次加工；微研磨方法利 用表面鍍有金剛石或者立方氮化硼(CBN)的微研磨工具加工出微坑，這種方法設(shè)備復(fù)雜 、成本高、加工不穩(wěn)定；微細(xì)電解加工中微細(xì)電極陣列制造工藝復(fù)雜，難度較大；激光珩 磨技術(shù)采用激光作為能量源，通過燒蝕作用在工件表面加工微坑，充分發(fā)揮了激光加工可 控性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是激光銜磨是利用激光熱效應(yīng)進(jìn)行微坑加工，對材料有微觀汽化和燒蝕 作用，可造成局部材料性能發(fā)生改變，在工件表面形成許多微觀疲勞裂紋，降低摩擦副疲 勞性能。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)發(fā)明專利號ZL98125391. 1，記載了一種"采用低能激光 的激光沖擊處理"，發(fā)明專利號ZL01134063.0記載了一種"激光沖擊精密成形方法及裝置 "，美國專利號US6410884，記載了一種激光噴丸成形方法。上述現(xiàn)有技術(shù)中激光沖擊處 理利用激光沖擊力在零件表層形成殘余壓應(yīng)力，提高零件抗疲勞性能；激光沖擊成形與激 光噴丸成形均是利用激光沖擊力實(shí)現(xiàn)板材宏觀上的大尺寸整體拉伸或者彎曲成形。但是上 述技術(shù)均未利用激光沖擊力通過局部塑性變形，實(shí)現(xiàn)工件表面微坑結(jié)構(gòu)的加工。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于激光沖擊效應(yīng)的微坑陣列加工方 法。本發(fā)明利用激光沖擊力產(chǎn)生的局部塑性變形效應(yīng)用于摩擦副表面微坑結(jié)構(gòu)的加工，實(shí)抗磨損能力。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明直接利用高能短脈沖激光輸出的激光束( 功率密度大于lGW/cm2，脈沖寬度5 30ns)輻照工件表面吸收層，使其表層汽化電離形成 等離子體沖擊波；等離子體沖擊波在水約束層的約束下，沖擊波壓力峰值(一般在GPa以 上)超過材料動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，從而使工件局部發(fā)生微小塑性變形，形成微坑?？刂萍す馐?與工件的相對位置，有序的沖擊點(diǎn)分布，可以實(shí)現(xiàn)微坑陣列的激光沖擊加工。本發(fā)明包括以下步驟第一步、將待加工工件的表面貼上吸收層后安裝到工作臺(tái)，然后在吸收層上施加約束層；所述的吸收層為厚度約為100um的聚氯乙烯膠帶，粘貼在待加工工件表面； 所述的約束層為施加在吸收層表面的流動(dòng)水膜；第二步、開啟激光器輸出光束進(jìn)行沖擊，在待加工工件的表面生成若干沖擊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)微 坑陣列的激光沖擊加工；所述的激光器輸出光束是指設(shè)置激光輸出功率密度大于lGW/cm2、脈沖寬度5 30ns ，并按照待加工工件表面微坑加工要求設(shè)定光斑直徑。本發(fā)明采用高能短脈沖激光器作用能量源，工藝方法簡單、可靠、易于自動(dòng)化，工藝 過程可控性強(qiáng)；既能實(shí)現(xiàn)微坑陣列加工，提高減摩性能；又能在其表層形成殘余壓應(yīng)力等 有益的微觀組織特性，抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，提高其抗磨損能力。因而，激光沖擊 微坑加工一方面可以避免激光珩磨熔化燒蝕不利影響，另一方面能充分發(fā)揮激光加工區(qū)域 可控、易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，從而利用一種工藝同時(shí)實(shí)現(xiàn)摩擦副減摩和抗磨能力的提高。該 工藝方法與傳統(tǒng)的激光珩磨工藝相比，工件表面無熱影響，并能在工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng) 力，可以保證并提高工件抗磨損性能，特別適合摩擦副表面微坑陣列的加工。


圖l為實(shí)施例示意圖。圖2為加工工件表面典型微坑陣列示意圖。
具體實(shí)施方式
下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施 ，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，為本實(shí)施例的工作環(huán)境，其中高能短脈沖激光器l、激光束2、外光路 系統(tǒng)3、水流噴嘴6、吸收層7、工作臺(tái)9、工件夾具IO、約束層ll、控制系統(tǒng)12組成。外光實(shí)施例通過以下方式進(jìn)行實(shí)施第一步、吸收層7貼在工件8表面，用于吸收激光能量產(chǎn)生蒸汽并保護(hù)工件不受激光輻 照產(chǎn)生的熱損傷；約束層11施加在吸收層7表面，用于約束等離子體沖擊波，增強(qiáng)沖擊壓 力。所述的吸收層7為厚度為100 y m的聚氯乙烯膠帶；所述的約束層11為通過水流噴嘴6施加在吸收層7表面形成的流動(dòng)水膜；如圖2所示，第二步、高能短脈沖激光器1發(fā)出的激光束2經(jīng)過外光路系統(tǒng)后輻照在吸收層7表面，輻照激光束2功率密度大于lGW/cm2、脈沖寬度5 30ns。吸收層8在激光束2輻照下熔融汽化，形成等離子沖擊波，等離子體沖擊波在約束層ll的約束下，沖擊壓力得到增強(qiáng)，作用在工件8表面產(chǎn)生高應(yīng)變率塑性變形，形成局部微坑。工件8表面微坑幾何尺寸可以通過改變高能短脈沖激光器1輸出的激光束2的脈寬、激光能量，控制外光路系統(tǒng)3中的聚焦透鏡5的位置改變光斑尺寸，控制沖擊點(diǎn)的沖擊次數(shù)等途徑實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)12有序控制工作臺(tái)9的三維空間位姿，調(diào)整工件8的加工表面與激光束2的相 對位置，結(jié)合對高能短脈沖激光器1輸出激光束2的控制，在工件8表面不同位置進(jìn)行沖擊 ，實(shí)現(xiàn)微坑陣列的加工。
權(quán)利要求
1.一種基于激光沖擊效應(yīng)的微坑陣列加工方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、將待加工工件的表面貼上吸收層后安裝到工作臺(tái)，然后在吸收層上施加約束層；第二步、開啟激光器輸出光束進(jìn)行沖擊，在待加工工件的表面生成若干沖擊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)微坑陣列的激光沖擊加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于激光沖擊效應(yīng)的微坑陣列加工方法， 其特征是，所述的吸收層為聚氯乙烯膠帶，該吸收層粘貼在待加工工件表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于激光沖擊效應(yīng)的微坑陣列加工方法 ，其特征是，所述的吸收層的厚度為100ym。
4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于激光沖擊效應(yīng)的微坑陣列加工方法， 其特征是，所述的約束層為施加在吸收層表面的流動(dòng)水膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于激光沖擊效應(yīng)的微坑陣列加工方法 ，其特征是，所述的約束層是指通過水流噴嘴施加在吸收層表面形成的流動(dòng)水膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于激光沖擊效應(yīng)的微坑陣列加工方法， 其特征是，所述的激光器輸出光束是指設(shè)置激光輸出功率密度大于lGW/cm2、脈沖寬度5 30ns。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的基于激光沖擊效應(yīng)的微坑陣列加工方法 ，其特征是，所述的激光器是指高能短脈沖激光器。
全文摘要
一種激光加工技術(shù)領(lǐng)域的基于激光沖擊效應(yīng)的微坑陣列加工方法，包括將待加工工件的表面貼上吸收層后安裝到工作臺(tái)，然后在吸收層上施加約束層；開啟激光器輸出光束進(jìn)行沖擊，在待加工工件的表面生成若干沖擊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)微坑陣列的激光沖擊加工。本發(fā)明采用高能短脈沖激光器作用能量源，工藝方法簡單、可靠、易于自動(dòng)化，工藝過程可控性強(qiáng)；該工藝方法與傳統(tǒng)的激光珩磨工藝相比，工件表面無熱影響，并能在工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，可以保證并提高工件抗磨損性能，特別適合摩擦副表面微坑陣列的加工。
文檔編號B21D26/00GK101653802SQ20091030736
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日
發(fā)明者姚振強(qiáng), 胡永祥 申請人:上海交通大學(xué)