一种激光表面微造型装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种激光表面微造型装置及方法，由激光器、外光路部件、旋转和移动工件部件、控制激光器和控制工件的旋转移动的控制部分组成，待加工工件随主轴做旋转运动；由增量编码器输出反映工件转过位置的脉冲信号，使激光器脉冲发出时间和工件旋转时间耦合，在两个或多个脉冲的空隙时间内正好走过工件上两个加工点之间的旋转距离；由工控机分频后输出声光调Ｑ开关的控制信号控制激光器输出单脉冲激光束，由四轴运动控制卡控制二维导轨和导轨的移动，使激光束和工件表面产生进给运动加工出微凹腔和微凹槽；本发明专利技术可使加工时由激光带来的热负面效应降到最低，在兼顾加工效率、加工成本的同时最大程度地保证形貌的表面加工质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光微加工领域，特别涉及一种能够在工件表面加工出微凹腔和微凹槽的 激光表面微造型技术。
技术介绍
在摩擦副表面加工出适当的表面微观形貌，可以显著改善摩擦副的润滑性能，提高摩 擦副的使用寿命。为了达到这些要求，就必须保证形貌的表面加工质量；同时，为了能在 工业生产领域推广应用，还必须尽可能的提高加工效率、降低成本。激光表面微造型技术是一种易控制、高效率的现代化加工方法。但是现有技术用于工 业生产实际还不成熟，特别是对于金属材料的表面微造型，其加工质量更是难以控制。例 如①传统的C02激光器和YAG激光器，其输出波长处于红外波段，聚焦光斑较大，因此 加工尺寸也相应较大，而且其激光与材料之间的相互作用是热过程，会导致材料的碳化和 表面加工质量变差。②铜蒸发激光器能输出波长为蓝光511nra和黄光578nm，输出功率可 达几百瓦，光束质量好，可以聚焦成几至几十微米很小的光斑，用于对陶瓷、金刚石、硅、 高分子聚合物以及各种金属材料进行微细加工。但铜蒸发激光器外形尺寸庞大，价格昂贵， 可靠性差，维护保养工作量大，不适合用于大量的工业生产。O申请号为200310111573.3 的专利申请公开了一种准分子激光电化学微结构制造方法及其装置，可以在半导体、金属 等基片上加工微米量级的微结构，但这种方法存在着运转费用高、稳定性不够、难以加工 陶瓷材料等缺点。④申请号为03116837. x的专利申请公开了一种利用飞秒激光在金属薄膜 上加工周期性微结构的方法，但飞秒激光器体积庞大，结构复杂，价格昂贵，其稳定性和 可靠性在较差。目前，由于一个激光脉冲所能去除材料的量有限，这样为了达到表面形貌的预定深度， 用脉冲激光进行加工时，需要在同一个点处打多个脉冲，传统的打脉冲方式是"单脉冲连 续多次"，即用脉冲激光在同一个点处连续重复打多次，这种方式由于是连续打，时间较长， 热影响的负面效应比较严重，加工面的质量较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出了一种加工质量高的激光表面微 造型装置及方法，本专利技术装置采用的技术方案是由激光器、外光路部件、旋转和移动工件部件、控制激光器和控制工件的旋转移动的控制部分组成，沿所述激光器的光路方向依次内置了激光 装置、两块可调方向全反镜、声光调Q开关、光阑、光闸、激光发生器和输出镜；所述外 光路部件通过导光管连接激光器且从上到下依次安装有CCD摄像头、反光镜和激光头，外 光路部件一侧固定与伺服电机连接的Z向立式移动导轨，伸缩架固定在导轨上；所述旋转 和移动工件部件位于激光头下方，包含旋转主轴和平面二维导轨，分别连接伺服电机，在 主轴同轴方向安装一增量编码器；控制部分包括工控机、伺服电机和伺服电机驱动器。 本专利技术方法采用的技术方案是包括如下步骤(A) 将待加工工件固定于主轴上，随主轴做旋转运动；由增量编码器输出反映工件转 过位置的脉冲信号，经编码器计数卡四倍频、计数处理，使激光器脉冲发出时间和工件旋 转时间耦合，即在两个或多个脉冲的空隙时间内正好走过工件上两个加工点之间的旋转距 离；(B) 由工控机分频后输出声光调Q开关的控制信号控制激光器输出单脉冲激光束；激 光束通过光路系统聚焦照射在工件表面；由四轴运动控制卡控制二维导轨和导轨的移动， 使激光束和工件表面产生进给运动；(C) 借助于D/A卡和编码器计数卡对主轴和激光器的控制以及工件与激光束产生的进 给运动，在工件表面的同一个点处间隔反复地打多个激光脉冲，加工出可控制深度的微凹 腔和微凹槽。本专利技术的有益效果是-1、 通过调整工件上同一个点处多个脉冲作用时间上的间隔，可使加工时由激光带来的 热负面效应降到最低，在兼顾加工效率、加工成本的同时最大程度地保证形貌的表面加工 质量。2、 能够在例如气缸套等桶类工件的内外壁表面进行微坑或凹槽的造型，微坑或凹槽的 间距及深度可控，在工件工作状态下，在其表面形成流体动压润滑，从而降低磨损，延长 使用寿命。3、 能够在平面类工件表面进行微坑造型，微坑间距及深度可控，适合用于机械密封、 推力轴承，密布在密封环表面的大量微坑成为储油的凹腔，可使机械密封工作在零泄漏、 非接触状态下，大大延长其使用寿命。4、 能够在如凸轮轴凸轮、球关节等空间曲面类工件表面进行微坑造型，在工作状态下, 在其表面形成弹流润滑，可取得减磨、延寿的效果。附图说明图1为本专利技术装置的结构示意图； 图2为图1中激光器2内部结构图3为图1中外部光路结构图，其中(a)为弯头型激光头，(b)为直头型激光头； 图4为图1的控制部分框图； 图5为本专利技术加工工艺示意图6为用本专利技术方法加工出的微凹腔39的横断面示意图； 图7为用本专利技术方法加工出的微凹槽38的横断面示意图； 图8为本专利技术实施例1中的对缸套工件35微造型示意图； 图9为图8中缸套工件35的展开图； 图10为本专利技术实施例2中密封环工件36的微造型示意图11为宽螺旋槽40的加工原理图12为图11中宽螺旋槽40的A局部放大图。图中l.激光器电源；2.激光器；3.尾架；4.调Q开关驱动器；5.导光管；6.激光头； 7.CCD摄像头；8.伺服电机；9.前盖；IO.Z向立式导轨；ll.伸缩架；12.套筒；13.伺服电 机；14.主轴；15.伺服电机；16. Y向移动导轨；17.伺服电机；18. X向移动导轨；19.底座；20.激光装置；21、 22.方向可调全反镜；23.全反镜；24.声光调Q开关；25.光阑；26.光闸；27.激光发生器；28.输出镜；29.反射镜；30.聚焦透镜；31.全反镜；32.保护镜；33.外光路系统；34.激光；35.缸套工件；36.密封环工件；37.工作台；38.微凹槽；39.微凹 腔；肌宽螺旋槽；IV微凹腔半径；hp.微凹腔深度；bs.微凹槽宽度；h8.微凹槽深度；1'， 2， ， 3'……n-1' ， n'.凹腔个数编号。具体实施例方式如图1-3所示，本专利技术的激光表面微造型装置主要包括激光器2与外光路部件、工作 台部件、用于控制工作台和激光器2的控制部分组成。激光器2固定于尾架3上方，沿光 路方向依次内置了HeNe激光装置20、两块方向可调全反镜21和22、全反镜23、声光调Q 开关24、光阑25、光闸26激光发生器27和输出镜28。激光器电源1和调Q开关驱动器4 固定于尾架3上。外光路部件位于激光器2的右方并和前盖9固定，从上到下依次为CCD 摄像头7、反光镜29和激光头6，激光头6依次由聚焦透镜30、全反镜31、保护镜32组 成。金属套筒12与激光头6连接。外光路部件的侧向带有辅助气体喷射装置，固定于伸缩 架11上，伸縮架11固定于Z向立式移动导轨10上，导轨由伺服电机8通过滚珠丝杠驱动； 激光器2和外光路部件是通过导光管5连接。安装在底座19上的工作台37部件位于激光头6下方，包含旋转主轴14和平面X、 Y方向的二维移动导轨16、 18，分别由伺服电机13、 15、 17驱动；主轴14同轴方向安装一高精度增量编码器。如图4，控制部分包括工控机、伺服电机驱动器和伺服电机；工控机内ISA总线上并 联装有一块四轴运动控制卡、 一块电隔离D/A卡、 一块编码器计数卡；四轴运动控制卡控 制X、 Y、 Z伺服电机驱动器，D/A卡控制主轴伺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光表面微造型装置，由激光器（２）、外光路部件、旋转和移动工件部件、控制激光器（２）和控制工件的旋转移动的控制部分组成，其特征在于：沿所述激光器（２）的光路方向依次内置了激光装置（２０）、两块可调方向全反镜（２１、２２）、全反镜（２３）、声光调Ｑ开关（２４）、光阑（２５）、光闸（２６）、激光发生器（２７）和输出镜（２８）；所述外光路部件通过导光管（５）连接激光器（２）且从上到下依次安装有ＣＣＤ摄像头（７）、反光镜（２９）和激光头（６），外光路部件一侧固定与伺服电机（８）连接的Ｚ向立式移动导轨（１０），伸缩架（１１）固定在导轨（１０）上；所述旋转和移动工件部件位于激光头（６）下方，包含旋转主轴（１４）和平面二维导轨（１６、１８），分别连接伺服电机（１３、１５、１７），在主轴（１４）同轴方向安装一增量编码器；控制部分包括工控机、伺服电机和伺服电机驱动器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：符永宏，米涛，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]