專利名稱：一種基于液晶掩模技術(shù)的激光表面沖擊加工的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光沖擊加工領(lǐng)域，特指一種基于液晶掩模技術(shù)的激光沖擊波加工的方法和裝置，特別適用于摩擦副的表面加工。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)的汽缸與活塞之間以及進(jìn)行密封的摩擦副之間在運(yùn)動(dòng)時(shí)依靠一層液膜來(lái)降低摩擦力，形成穩(wěn)定均勻的液膜是減少摩擦力的關(guān)鍵。由于現(xiàn)代激光技術(shù)的發(fā)展，人們采用激光在表面光潔度很高的摩擦副表面加工出細(xì)密均勻的微觀凹坑，用以儲(chǔ)存液體并增加液體與摩擦副表面的結(jié)合力，從而形成良好的液膜。但這種方法是基于激光的熱效應(yīng)即利用激光束的能量使表面材料汽化、蒸發(fā)形成凹坑，由于激光熱效應(yīng)會(huì)改變工件表面材料的組織結(jié)構(gòu)，影響材料的耐磨性能，因此其應(yīng)用具有一定的局限性。
與本發(fā)明最為接近的技術(shù)是基于液晶掩模技術(shù)的表面微細(xì)加工技術(shù)。基于液晶掩模技術(shù)的表面微細(xì)加工技術(shù)是利用液晶顯示屏作為掩模，激光通過(guò)顯示屏后因顯示屏上圖形的阻斷作用形成鏤空的細(xì)束光斑，照射到工件表面使表面材料汽化蒸發(fā)形成凹坑。該法仍是基于激光的熱效應(yīng)，同樣會(huì)影響材料的組織結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種用于摩擦副表面的激光沖擊加工的方法和裝置。它可以在工件摩擦副表面加上按一定方式布置的微觀凹坑，用于存儲(chǔ)液體以便在摩擦副表面形成穩(wěn)定良好的液膜，從而改善摩擦性能。
本發(fā)明的特征在于利用液晶顯示屏作為掩模，以激光誘導(dǎo)的沖擊波作為成形力源，在工件表面加工出所需要形狀和布置方式的微觀凹坑。
實(shí)施該方法的裝置包括依次相連的激光發(fā)生器控制裝置、激光發(fā)生器、散光系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)，其特征在于在散光系統(tǒng)與聚焦系統(tǒng)之間設(shè)有液晶顯示屏及顯示屏圖像控制裝置，其中散光系統(tǒng)由一組凹透鏡和一片大曲率的凸透鏡組成；聚焦系統(tǒng)包括一組凸透鏡和一片大曲率的凹透鏡組成；工件夾具系統(tǒng)由設(shè)置在工件表面的約束層、吸收層與工件、夾具、工作臺(tái)及工作臺(tái)控制裝置依次相連而成。
本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程如下1.根據(jù)摩擦副表面微觀形貌要求設(shè)計(jì)顯示屏顯示的圖形。
2.根據(jù)工件表面要加工凹痕的深度、加工區(qū)域的尺寸優(yōu)化激光光斑直徑和能量等工藝參數(shù)。
3.在工件表面涂布吸收層材料，并把工件安裝到夾具上。
4.根據(jù)激光能量和液晶屏損壞閾值調(diào)節(jié)散光系統(tǒng)焦距。
5.根據(jù)工件表面加工部位外形尺寸調(diào)節(jié)聚焦系統(tǒng)焦距。
6.由激光發(fā)生器控制裝置控制激光發(fā)生器按優(yōu)化好的參數(shù)產(chǎn)生的激光脈沖，經(jīng)散光系統(tǒng)放大照射到液晶屏上，由于液晶屏上顯示圖象的阻斷作用，使通過(guò)顯示屏后的激光束成為與顯示屏圖像成反轉(zhuǎn)關(guān)系的鏤空?qǐng)D形光斑，經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)的會(huì)聚形成與工件表面加工區(qū)域外形尺寸一致的鏤空光斑，通過(guò)約束層照射到工件表面的吸收層上引起吸收層的汽化、電離形成沖擊波，工件表面在沖擊波的作用下發(fā)生變形形成微觀凹坑。
7.根據(jù)工件表面要求的微觀凹痕加工深度，可進(jìn)行多次重復(fù)沖擊，直到達(dá)到要求為止。
8.通過(guò)工作臺(tái)控制裝置控制工件移動(dòng)，按區(qū)域分片加工，直到整個(gè)工件表面加工完成。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是由于采用液晶顯示屏作為掩模，加工任意形狀的凹坑，同時(shí)可一次多點(diǎn)沖擊成形，提高了加工效率。另外利用沖擊波作為成形力源，使用了具有保護(hù)作用的吸收層，避免了激光熱效應(yīng)對(duì)材料的影響，使材料保持原有的表面性能。


下面結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明圖1為本發(fā)明提出的基于液晶掩模的激光微細(xì)加工裝置的示意圖。
1.激光發(fā)生器控制裝置 2.激光發(fā)生器 3.激光束 4.散光系統(tǒng) 5.液晶顯示屏6.顯示屏控制裝置 7.聚焦系統(tǒng) 8.約束層 9.吸收層 10.工件 11.夾具12.工作臺(tái) 13.工作臺(tái)控制裝置 14.數(shù)字控制系統(tǒng) 15.計(jì)算機(jī)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提出的具體裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。
用本發(fā)明進(jìn)行激光表面微細(xì)加工的裝置包括依次相連的激光發(fā)生器控制裝置1、激光發(fā)生器2、散光系統(tǒng)4、液晶顯示屏5及顯示屏控制裝置6、聚焦系統(tǒng)7以及工件夾具系統(tǒng)，及與激光發(fā)生器控制裝置1、顯示屏控制裝置6、工作臺(tái)控制裝置13相連的數(shù)字控制系統(tǒng)14、計(jì)算機(jī)15。其中散光系統(tǒng)4由一組凹透鏡和一片大曲率的凸透鏡組成；聚焦系統(tǒng)7由一組凸透鏡和一片大曲率的凹透鏡組成；工件夾具系統(tǒng)包括約束層8、吸收層9、工件10、夾具11、工作臺(tái)12及工作臺(tái)控制裝置13。
激光發(fā)生器產(chǎn)生能量在10～100焦?fàn)?、持續(xù)時(shí)間為8～80納秒的激光脈沖，激光束3的光斑模式可以是基模、多模等多種模式，其由激光發(fā)生器控制裝置1調(diào)節(jié)和控制。由激光發(fā)生器2產(chǎn)生的平行激光束通過(guò)散光系統(tǒng)，被散光系統(tǒng)中的凹透鏡發(fā)散直徑變大同時(shí)能量密度降低，再經(jīng)凸透鏡會(huì)聚成低能量密度的大直徑平行光束并照射到液晶顯示屏5上，液晶顯示屏5顯示著工件表面加工部位形狀的反轉(zhuǎn)放大圖像，即工件上不需要加工的部位在顯示屏上的圖形顯示黑色，需要加工的部位呈無(wú)色。激光束通過(guò)顯示屏后由于顯示屏圖形的阻斷作用，而形成形狀與工件加工部位外形一致的鏤空光斑，然后經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)7，被聚焦系統(tǒng)中的凸透鏡會(huì)聚光斑直徑縮小，同時(shí)能量密度增加，再經(jīng)凹透鏡發(fā)散成與工件表面加工部位尺寸一致的平行鏤空光斑，經(jīng)過(guò)約束層8后照射到涂布在工件10表面的吸收層9表面。吸收層材料吸收激光能量并汽化、電離形成沖擊波，工件表面在沖擊波作用下發(fā)生變形形成微觀凹痕。根據(jù)需要的凹坑深度不同可重復(fù)進(jìn)行沖擊加工。
由于液晶掩模可以顯示任意形狀的圖形，因此可以在工件表面加工出不同形狀的凹坑，以滿足不同每層性能的要求。因?yàn)椴捎脹_擊波作為成形力源，使用了具有保護(hù)作用的吸收層材料，避免了激光的熱效應(yīng)對(duì)表面材料的影響，一次能夠在保持材料原有表面性能的基礎(chǔ)上加工出用以改善每層性能的微觀形貌。
權(quán)利要求
1.基于液晶掩模技術(shù)的激光沖擊波加工的方法，其特征在于利用液晶顯示屏作為掩模，以激光誘導(dǎo)的沖擊波作為成形力源，在工件表面加工出所需要形狀和布置方式的微觀凹坑；其中由激光發(fā)生器控制裝置控制激光發(fā)生器按優(yōu)化好的參數(shù)產(chǎn)生的激光脈沖，經(jīng)散光系統(tǒng)放大照射到液晶顯示屏上，使通過(guò)液晶顯示屏后的激光束成為與液晶顯示屏圖象成反轉(zhuǎn)關(guān)系的鏤空?qǐng)D形光斑，經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)的會(huì)聚形成與工件表面加工區(qū)域外形尺寸一致的鏤空光斑，通過(guò)約束層照射到工件表面的吸收層上引起吸收層的汽化、電離形成沖擊波，工件表面在沖擊波的作用下發(fā)生變形，形成微觀凹坑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶掩模技術(shù)的激光沖擊波加工的方法，其特征在于根據(jù)工件表面要求的微觀凹痕加工深度，可進(jìn)行多次重復(fù)沖擊，直到達(dá)到要求為止；同時(shí)通過(guò)工作臺(tái)控制裝置控制工件移動(dòng)，按區(qū)域分片加工，直到整個(gè)工件表面加工完成。
3.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的基于液晶掩模技術(shù)的激光沖擊波加工的方法的裝置，其特征在于包括依次相連的激光發(fā)生器控制裝置(1)、激光發(fā)生器(2)、散光系統(tǒng)(4)、聚焦系統(tǒng)(7)、工件夾具系統(tǒng)，其特征在于在散光系統(tǒng)(4)與聚焦系統(tǒng)(7)之間設(shè)有液晶顯示屏(5)及顯示屏控制裝置(6)，其中散光系統(tǒng)(4)由一組凹透鏡和一片大曲率的凸透鏡組成；聚焦系統(tǒng)(7)包括一組凸透鏡和一片大曲率的凹透鏡組成；工件夾具系統(tǒng)由設(shè)置在工件表面的約束層(8)、吸收層(9)與工件(10)、夾具(11)、工作臺(tái)(12)及工作臺(tái)控制裝置(13)依次相連而成。
全文摘要
本發(fā)明涉及加工沖擊加工領(lǐng)域，特指基于液晶掩模技術(shù)的激光沖擊波加工的方法和裝置，其在摩擦副表面加工出可以形成穩(wěn)定均勻的液膜的表面微觀形貌。本發(fā)明裝置由激光發(fā)生器、激光發(fā)生器控制裝置、散光系統(tǒng)、液晶顯示屏及顯示屏控制裝置、聚焦系統(tǒng)、約束層、吸收層及工件夾具系統(tǒng)組成。由于使用液晶屏作為液膜，可以進(jìn)行一次多點(diǎn)沖擊加工，且因利用沖擊波作為成形力源，避免了激光熱效應(yīng)對(duì)表面材料的影響，因而能夠在不改變材料表面性能的基礎(chǔ)上加工出改善摩擦性能的表面微觀形貌。
文檔編號(hào)B23K26/06GK1792536SQ20051009416
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月31日
發(fā)明者張永康, 顧永玉, 魯金忠 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)