本发明专利技术涉及到一种激光冲击强化发动机活塞顶部的装置与方法，包括了激光发生系统，光路系统，激光加工平台以及控制系统。高功率脉冲激光发生装置产生的激光经过扩束镜放大光斑直径，并且通过全反镜反射产生的激光束，再经过聚焦透镜竖直射在发动机活塞顶部。发动机活塞由三爪卡盘固定在旋转平台上，旋转平台下面通过安装一个水平移动平台来控制其水平移动。通过电机控制旋转平台和水平移动平台，最终达到冲击强化整个活塞顶部的目的。本发明专利技术使用激光冲击强化活塞顶部改善其物理化学性能，易于操作无污染，而且通过计算机编程，使电机控制平台移动，实现了自动化加工的目的。
【技术实现步骤摘要】
一种激光冲击强化发动机活塞顶部的装置与方法
：本专利技术属于激光冲击强化领域，特指一种激光冲击强化发动机活塞顶部的装置与方法。
技术介绍
：汽车行业的蓬勃发展对汽车制造业提出了更高的要求和期望，集中体现在汽车的安全性、舒适性以及易于维护等方面。发动机作为整个汽车的核心部件，对汽车的运行可靠性和使用性能具有决定性影响。而活塞作为汽车发动机汽缸体中作往复运动的机件，活塞顶在高温、高压、高速的条件下工作。活塞顶直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞顶工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；并且活塞顶承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞顶受到冲击，并承受侧压力的作用；活塞顶在气缸内以很高的速度（8～12m/s）往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞顶受到很大的附加载荷。活塞顶在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时还受到燃气的化学腐蚀作用。因此,为提高活塞顶的耐磨性能,一般可以通过表面处理,降低活塞顶的摩擦系数,或提高活塞顶的表面硬度、强度来实现。常见的活塞顶的强化方式有：镀铬和镀锡。镀铬是最常见最普通的一种提高材料抗磨损性能的方法。众所周知，在一定条件下沉积的铬镀层具有很高的硬度和耐磨损性能，硬铬的硬度达HV900～1200，是常用的硬度最高的镀层。基体强度的提高，可提高零件的耐磨性，延长使用寿命。电沉积或化学沉积的锡镀层具有优良的润滑性能，活塞表面镀锡可以改善配副摩擦件之间的初期磨损性能，降低配副间的摩擦系数，从而选到减低活塞表面磨损量的目的。激光冲击强化技术，也称激光喷丸技术。它是高功率密度、短脉冲的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温等离子体。该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料表面一定区域内产生塑性变形和复杂的位错结构，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时残余压应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。同时也可以有效地提高活塞的摩擦磨损，以及抗腐蚀能力。虽然镀铬镀锡在一定程度上可以提高活塞顶的摩擦磨损性能，也可以增强抗腐蚀能力，然而相比较于激光冲击强化，它有时并不一定能够达到活塞顶工作的强度，或者疲劳寿命相对激光冲击强化较短，而且活塞顶镀铬镀锡操作相对复杂，不易于实现自动化加工，还污染环境。
技术实现思路
：为了进一步地提高活塞顶的摩擦磨损性能，增强其抗腐蚀能力，本专利技术提供了一种激光冲击强化发动机活塞顶部的方法与装置，该方法不仅可以达到大大改善活塞材料表面的物理化学性能，而且激光加工操作简单，易于控制，比较容易实现自动化加工的目的。另外，激光加工无污染，达到了保护环境的目的。为实现上述的目的，本专利技术采用的技术方案：一种激光冲击强化发动机活塞顶部的装置，包括激光发生系统和水平移动平台，所述水平移动平台上放置有旋转平台，活塞固定在所述旋转平台上，所述激光发生系统、所述旋转平台和所述水平移动平台均与计算机连接。上述方案中，所述旋转平台上设有三爪卡盘，所述活塞通过所述三爪卡盘固定在所述旋转平台上。上述方案中，所述旋转平台的下方设有第一电机，所述第一电机与所述计算机连接，所述第一电机用来带动所述旋转平台转动。上述方案中，所述第一电机和所述旋转平台之间安装有减速器。上述方案中，所述水平移动平台上安装有滚珠丝杠，所述滚珠丝杠通过滚动轴承和联轴器与第二电机连接，所述第二电机与所述计算机连接。上述方案中，所述激光发生系统由依次连接在一起的激光器、扩束镜、全反镜和聚焦透镜构成，所述激光器与所述计算机连接。本专利技术还提供了一种激光冲击强化发动机活塞顶部的方法，包括如下步骤：A.调整全反镜和聚焦透镜，使得脉冲激光可以照射在活塞的顶部边缘，保证激光圆形光斑与活塞顶部的圆形轮廓相切；B.开始加工时，计算机控制第一电机，每两秒让旋转平台转动一次，保证圆形激光光斑搭接率是50%；C.待一圈加工完成后，第一电机停止工作，计算机控制第二电机，使得水平移动平台向活塞顶部圆心处移动，每一次移动一个激光光斑半径的距离，保证其搭接率也是50%；D.水平移动结束后，第二电机停止工作，再次启动第一电机，使转动平台每两秒转动一次，保证激光光斑搭接率是50%；D.依次循环，重复以上B和C步骤，直至活塞顶部全部加工完成。上述方案中，激光冲击强化之前需要对活塞顶进行清洁处理。上述方案中，激光冲击强化所用的吸收层材料是硅酸乙酯黑漆，约束层用的是自制柔性约束层。上述方案中，所述激光器（2）是Nd:YAG脉冲激光器，波长是1064nm，脉宽是10ns，重复频率是0.5Hz，光斑直径是3mm，激光能量是5J。本专利技术的有益效果：（1）本专利技术采用激光冲击强化活塞顶部，较之传统方法镀铬镀锡，不仅大大改善了其材料表面的物理化学性能，而且还保护环境。（2）本专利技术采用激光加工方式，易于操作，比较容易实现自动化加工。附图说明：图1是本专利技术所述的激光冲击强化活塞顶部的装置示意图。图2是激光冲击强化的冲击路径示意图。图中：1.计算机；2.激光器；3.脉冲激光；4.第一电机；5.扩束镜；6.减速器；7.全反镜；8.聚焦透镜；9.活塞；10.三爪卡盘；11.旋转平台；12.水平移动平台；13.滚珠丝杠；14.滚动轴承；15.联轴器；16.第二电机。具体实施方式：下面结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。本实施例的激光冲击强化活塞顶部装置包括：1.计算机；2.激光器；3.脉冲激光；4.第一电机；5.扩束镜；6.减速器；7.全反镜；8.聚焦透镜；9.活塞；10.三爪卡盘；11.旋转平台；12.水平移动平台；13.滚珠丝杠；14.滚动轴承；15.联轴器；16.第二电机。所采用的激光器2是Nd:YAG脉冲激光器，波长是1064nm，脉宽是10ns，重复频率是0.5Hz，光斑直径是3mm，激光能量是5J。首先由激光器2产生脉冲激光3，经过扩束镜5放大信号，扩大激光的光斑直径，使聚焦后形成较大的光带，提高了激光与工件的作用面积。再通过全反镜7反射改变光路，经由聚焦透镜8聚焦成高能量的光束，进而来冲击强化活塞9顶部。活塞9被固定在旋转平台11上，通过三爪卡盘10固定，旋转平台下方再安装一个水平移动平台来控制其左右移动。旋转平台和水平移动平台由计算机控制系统控制其旋转和移动，达到自动化加工的目的。通过计算机1控制第一电机4和第二电机16，第一电机4再连接一个减速器6来控制旋转平台11的旋转，有利于调节第一电机4的输出转速，便于控制旋转平台11；第二电机16通过联轴器15、滚动轴承14以及滚珠丝杠13来达到控制水平移动平台12的目的。进行激光冲击强化加工时，所述的激光加工平台的移动和旋转都是通过计算机8利用编程的程序来控制实现的，如图2所示，以此达到自动化加工的目的。首先对活塞顶部进行清洁处理，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激光冲击强化发动机活塞顶部的装置，其特征在于，包括激光发生系统和水平移动平台(12)，所述水平移动平台(12)上放置有旋转平台(11)，活塞（9）固定在所述旋转平台（11）上，所述激光发生系统、所述旋转平台(11)和所述水平移动平台(12)均与计算机(1)连接。
【技术特征摘要】
1.一种激光冲击强化发动机活塞顶部的装置，其特征在于，包括激光发生系统和水平移动平台(12)，所述水平移动平台(12)上放置有旋转平台(11)，活塞（9）固定在所述旋转平台（11）上，所述激光发生系统、所述旋转平台(11)和所述水平移动平台(12)均与计算机(1)连接。2.根据权利要求1所述的一种激光冲击强化发动机活塞顶部的装置，其特征在于，所述旋转平台(11)上设有三爪卡盘（10），所述活塞（9）通过所述三爪卡盘（10）固定在所述旋转平台(11)上。3.根据权利要求1或2所述的一种激光冲击强化发动机活塞顶部的装置，其特征在于，所述旋转平台(11)的下方设有第一电机(4)，所述第一电机(4)与所述计算机(8)连接，所述第一电机(4)用来带动所述旋转平台(11)转动。4.根据权利要求3所述的一种激光冲击强化发动机活塞顶部的装置，其特征在于，所述第一电机(4)和所述旋转平台(11)之间安装有减速器(6)。5.根据权利要求1或2所述的一种激光冲击强化发动机活塞顶部的装置，其特征在于，所述水平移动平台(12)上安装有滚珠丝杠(13)，所述滚珠丝杠(13)通过滚动轴承(14)和联轴器(15)与第二电机(16)连接，所述第二电机(16)与所述计算机(1)连接。6.根据权利要求1或2所述的一种激光冲击强化发动机活塞顶部的装置，其特征在于，所述激光发生系统由依次连接在一起的激光器（2）、扩束镜(5)、全反镜(7)和聚焦透镜(...
【专利技术属性】
技术研发人员：任旭东，王日红，马服辉，王冕，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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