專利名稱：凸輪表面形貌的激光微造型方法
技術領域：
本發(fā)明涉及表面微造型技術，特指在發(fā)動機噴油泵凸輪表面進行激光微觀改 形改性復合處理技術。
背景技術：
噴油泵凸輪是柴油/汽油發(fā)動機上的一個主要受力元件。當發(fā)動機工作時， 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，而且又總是在 這個范圍內重復。所以，經過一定次數的滾壓循環(huán)后，這種壓應力就會首先在凸 輪的高負荷區(qū)內引起凸輪表面的拉痕、麻點、剝離或過度磨損。尤其是隨著現代 柴油/汽油發(fā)動機設計要求比功率和經濟性的增加，使得發(fā)動機所受到的交變負 荷不斷增加，燃油系統(tǒng)作為發(fā)動機的心臟，對其提出了更高的要求。隨著排放法 規(guī)的日益嚴格，發(fā)動機所需要的供油速率、噴油壓力不斷攀高，最終這些供油壓 力,運動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)動機的性能。 因此，提高凸輪的使用壽命、保證其工作可靠性，耐久性，動力學性能，已成為 柴油/汽油發(fā)動機發(fā)展中的一項十分重要的課題。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研究的深入和在工程中的實際應用發(fā)現，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 壓潤滑，容易產生黏著磨損，易擦傷。相反通過在表面設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， 在凸輪機構的設計階段，基于彈性流體動壓潤滑理論的凸輪輪廓形狀的設計、通 過選擇材料或對凸輪工作表面進行強化處理，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， 凸輪的彈流潤滑設計以滿足彈性流體動壓潤滑為前提,保證表面不產生磨損的膜 厚比來對凸輪機構進行耐磨損設計，通過選擇最佳的凸輪輪廓形狀來改善潤滑 條件，可顯著提高傳動的精度,提高摩擦副的使用壽命。表面強化處理是提高既 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、感應加熱、真空加熱、氣相沉積、氬弧重熔淬火等各種表面強化與處理技術。中國專利96109918.6凸輪中頻淬火新方 法，該種方法利用基圓預熱法對凸輪工作型面進行均勻加熱的方法，雖然解決了 現有凸輪強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 等熱處理缺陷，但存在表面殘余應力、加熱溫度不宜控制等缺點。近年來，激光 表面處理作為一種新的熱處理方法被廣泛應用于汽車、航空等制造業(yè)領域，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 僅僅是對工件進行表面改性處理，沒有對工件表面進行改形處理，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已有廣泛的工業(yè) 應用推力軸承的局部微造型，機械密封端面微造型，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。經過激光表面微造型，即使在 原本不具備產生楔形效應條件的兩平行摩擦副間也會自動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理論研究不足以及激光微造型
技術僅有少數幾個國家掌握，激光微造型技術在凸輪滾輪這種高副接觸表面還未
曾有過應用。

發(fā)明內容
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行的 激光微觀改形改性復合處理技術，即將激光微造型復合處理技術應用到凸輪副 中，從而對凸輪表面進行改形和改性處理，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，結合彈性流體動壓潤滑理論和實驗研究，優(yōu)化形 貌參數設計，提高凸輪的表面質量和性能。
本發(fā)明為達到上述目的，技術方案是首先根據噴油泵凸輪的工作條件、 使用性能、可靠性要求，并根據彈性流體動壓潤滑理論，對凸輪表面的微觀幾何 形貌進行優(yōu)化設計，確定表面微觀幾何形貌設計方案。再通過控制激光加工工藝
參數，即功率密度(lo5~107W/cm)、脈沖寬度(25ns 200ns)、重復頻率(5 15KHz)、掃描速度(0r/min 300r/min)和輔助氣體(氮氣或氧氣)等，以及工件運動的空間軌跡，實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)點是凸輪表面呈現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，重復性好，其形貌可根據預先設計要求，通過調整激 光加工參數精確控制。當這種經過激光復合處理的凸輪工作時，由于激光束的熱 效應，凸輪表層材料得到硬化，強化處理，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)化設計的微觀幾何形貌，既能起到存儲潤滑油和保持良好潤 滑的作用，又能起到收集磨粒的作用，可以長時間的保護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)域包括了凸論反復受載區(qū)，并且是基于彈流潤滑理論對表面微形貌進行的微 形貌參數的優(yōu)化設計，因此所產生的彈性流體動壓潤滑效應可以極大的改善表面 的潤滑狀況，這樣即使凸輪的高負荷區(qū)經過多次重復的滾壓循環(huán)，也不至于在凸 輪表面引起拉痕、麻點、剝離或過度磨損。因此，采用本發(fā)明所提出的一種經激 光微觀改形改性復合處理的凸輪工作時，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。


下面結合附圖和實例對本發(fā)明作進一步說明，
圖1是本發(fā)明所使用的的激光加工設備示意圖2是凸輪-滾輪副的運動示意圖
圖3是經過激光微造型的凸輪側剖面示意圖
圖4是經過激光微造型的部分凸輪表面微凹腔示意圖
圖5是經過激光微造型的部分凸輪表面微凹槽示意圖
附圖的圖面數字和符號說明如下
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，W—凸輪所承受的總載 荷，R~~滾輪半徑，h~~凸輪上某點工作時的油膜厚度，N——接觸點的法向載荷，《——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。
具體實施例方式
激光加工設備選用釆用二極管泵浦Nd:YAG激光器。它主要由激光器部分、 制冷機部分、工作臺部分、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)動機噴油泵凸輪為實例說明本發(fā)明的具體實施過程。
1. 二極管泵浦Nd:YAG激光器，激光模式為TEMOO，腔內帶有望遠鏡擴束裝 置，輸出高質量光束，采用聲光調Q技術產生脈沖激光。試驗時的主要參數為 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Q重復頻率1064nm采用7 40KHz， 532nm 采用5 15KHz，光束質量系數M2〈2，發(fā)散角《mrad。吹送的輔助氣體氮氣。 凹腔掃描次數1~10次；凹槽重復系數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為 200|am、 40(Vm兩種，重復次數設為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5 10次。
3. 驅動激光器，調整激光參數(激光功率2.8 3.5w、直線掃描速度l~300r/min
連續(xù)可調，初始電流設為8A 22A，激光波長532nm，水溫穩(wěn)定時達到28~30 °c ) 使高能量密度、高重復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(氮氣)。
經過激光掃描后，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。
這種經過激光改形改性處理的油泵凸輪在工作時，隨著供油速率、噴油壓 力不斷攀高，會在兩表面間形成具有一定承載能力的彈性流體動壓潤滑油膜，使 表面形成介于邊界潤滑和流體動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；同時保證了發(fā)動機機經濟、可靠地運行，提高內燃機的可靠性和耐久性。
凸輪經過上述處理后， 一方面凸輪表層材料得到硬化，強化處理，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)動機的性能。
權利要求
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計方案；再通過控制激光加工工藝參數，即功率密度105～107W/cm、脈沖寬度25ns～200ns、重復頻率5～15KHz、掃描速度0r/min～300r/min和氮氣或氧氣這些輔助氣體，結合工件運動的空間軌跡，實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合處理技術，特指對發(fā)動機噴油泵凸輪表面進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計方案；再通過控制激光加工工藝參數，即功率密度10⁵～10⁷W/cm、脈沖寬度25ns～200ns、重復頻率5～15KHz、掃描速度0r/min～300r/min和氮氣或氧氣這些輔助氣體，結合工件運動的空間軌跡，實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)動機的整體性能。
文檔編號C21D7/00GK101318262SQ200810124318
公開日2008年12月10日 申請日期2008年6月25日 優(yōu)先權日2008年6月25日
發(fā)明者巍 楊, 符永宏 申請人:江蘇大學