本发明专利技术涉及激光表面微造型技术领域，特指一种用于发动机汽缸内表面的激光微加工装置及其加工方法。本装置加工的对象是发动机汽缸体，由于加工对象形状不规则，体积、质量较大，故采用工件固定、激光头既旋转又上下直线运动的加工方案。激光束从激光器内部光路输出，经过外光路系统后由激光头里的聚焦透镜聚焦后再由全反镜折返到工件加工表面。借助于数控系统对工作台各轴运动控制以及激光器单脉冲输出控制的协调联动，使激光器在规定的时间、规定的加工点输出单个激光脉冲，实现工件表面激光微加工。?
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及摩擦副表面激光微造型技术(Surface Laser Micro-Texturing)，特指一种用于。
技术介绍
在机械工程领域中，气缸与活塞环是一个典型的摩擦副。根据摩擦学原理可知，在其摩擦副表面加工出符合减磨润滑机理的微观形貌，可以显著改善其摩擦副的润滑性能， 提高摩擦副的使用寿命。激光表面微造型技术以其加工速度快、成本低、无污染、非接触式、无工具磨损、优良的尺寸控制精度等优点而受到广泛的应用。专利申请公开号为CN1857844A的中国专利公开了一种摩擦副零件表面形貌的激光微造型方法及设备。在此专利中，采用工件夹持旋转、激光头上下运动的加工方案。倘若工件体积、质量较大，这种加工方案就难以使激光脉冲与工件表面产生耦合，带来加工局限性。发动机气缸表面激光微加工装置采用工件固定、 激光头即旋转又上下运动的加工方案，完全不受工件体积、质量所带来的影响。激光表面微造型技术大都采用脉冲激光加工的方式，由于一个激光脉冲所能去除的材料有限，为了达到表面形貌要求的深度，就需要在同一点处打多个激光脉冲。目前，普遍的激光微加工过程中，为了达到形貌深度要求，在同一点上的激光脉冲是连续打出的。由于激光微造型技术是激光的热效应加工，采用这种加工方式会带来较严重的热负面效应， 使加工表面的形貌质量变差。发动机气缸表面激光微加工装置利用激光脉冲之间发出的时间间隔，使在同一点处需要打的几个激光脉冲有间隔重复地打出，成功实现在规定的加工点、规定的时间打出单个激光脉冲。这种加工方法能很大程度地降低激光微加工过程中所产生的热负面效应，能在工件表面高效、高质量地加工出符合减磨润滑机理的微观形貌。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，采用工件固定不动、激光头既旋转又上下直线运动的加工方案，解决了由于工件体积、质量较大所带来的加工局限性。利用激光脉冲之间发出的时间间隔，使得在同一点处的激光脉冲有间断的输出，很大程度地降低了激光微加工过程中所产生的热负面效应。本专利技术的发动机气缸表面激光微加工装置包括由主机壳与右侧机壳组成的外机壳部分、置于主机壳上的激光器、主机壳内的高精度工作台部分、旋转通光进气装置部分、 右侧机壳内的计算机数控系统部分和右侧机壳后的辅助系统部分。置于主机壳上的激光器包括内部光路系统和外部光路系统。在激光器内部光路系统中，沿着光路方向从右到左设置了后反镜、声光调Q开光、激光器泵浦源、二向色镜、倍频晶体、输出镜、全反镜、全反镜、 望远镜。激光束从激光器内部光路系统输出，经过外部光路系统进入到旋转通光进气装置。 高精度工作台由X、Y轴平面工作台、Z轴立式工作台及用于驱动各轴工作台运动的X、Y、Z 轴伺服电机组成。在X、Y、Z轴工作台上分别安装直线光栅尺，一个专用夹具固定在X、Y轴平面工作台上。旋转通光进气装置部分旨在实现激光头多角度均勻送气，激光头旋转的同时传输辅助气体并保证良好的气密性，激光头旋转时保证较小的圆跳动，足够的吹气压力去除加工表面的金属残渣，同时使激光聚焦镜和加工表面及时散热。在Z轴立式工作台上水平安装一个悬臂梁，悬臂梁的右端开设一通孔，一个气腔套筒经过这个通孔固定在悬臂梁的下端面。一根旋转轴通过两个密封轴承与气腔套筒的内壁连接。气体传输采用独立式气腔设计，即气腔套筒不随旋转轴旋转。圆环状的上轴承压盖穿过旋转轴固定在悬臂梁上端面，此圆环状的上轴承压盖与悬臂梁上端面连接处设有密封圈，与上密封轴承之间设有毡圈，保证气腔套筒上端面的密封。圆环状的下轴承压盖穿过旋转轴固定在气腔套筒下端面，此圆环状的下轴承压盖与气腔套筒下端面连接处设有密封圈，与下密封轴承之间设有毡圈，保证气腔套筒下端面的密封。上轴承压盖、旋转轴、气腔套筒、下轴承压盖之间就形成一个密闭腔。气腔套筒外部开设一个气腔进气孔用于外部气源气体的输入。悬臂梁的左端固定一个旋转轴伺服电机，旋转轴伺服电机通过同步带的传动驱动旋转轴的旋转，旋转轴的转速时刻保持与旋转轴伺服电机一致。在旋转轴的同轴方向安装一个高精度增量式旋转编码器用于输出反映旋转轴转动时角位移变化量的脉冲信号。在两个密封轴承之间的那段旋转轴外圆周表面上开设一定数量的通气孔用作旋转轴上的输气孔，这样就能在旋转轴旋转的同时把辅助气体通入到旋转轴内部。在旋转轴顶端放置一块高透光度透镜并用透镜压盖固定。旋转轴下端连接一个激光头，为了保证激光头旋转同轴度以及激光头与旋转轴连接处的密封性，旋转轴与激光头的连接方式有莫氏锥度联接和法兰连接。在激光头的内部安装一个聚焦透镜用于对激光束的聚焦，激光头的底部安装一块45 °全反镜用于将聚焦以后的激光束反射到工件加工表面。聚焦透镜插在一个聚焦透镜套筒的插槽里，聚焦透镜套筒的外径小于激光头的内径。聚焦透镜套筒插在激光头内部，在激光头外表面上均勻开设 3个螺纹孔，从三个螺纹孔旋入3个紧定螺钉与聚焦套筒接触，从而固定聚焦透镜在激光头内的位置。松开3个紧定螺钉，聚焦透镜套筒可在激光头的轴向位置实现移动，从而改变聚焦焦点的位置。聚焦透镜套筒与激光头内壁之间留有的空隙用作传输辅助气体。激光束经激光头里的聚焦透镜聚焦，由激光头底部的45°全反镜反射后，从激光头出光出气孔射出。 右侧机壳内的计算机数控系统包括调Q开关驱动器、激光器泵浦电源、上位工控机、X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器、Z轴伺服驱动器及旋转轴伺服驱动器。上位工控机内四轴三联动运动控制卡分别与X、Y、Z轴伺服驱动器相连，通过各轴伺服驱动器控制相对应伺服电机的运转，实现三维工作台的平移运动以及旋转轴的旋转运动。高精度增量式旋转编码器、调 Q开关驱动器分别与上位工控机内的激光控制卡相连。激光控制卡将高精度增量式旋转编码器反馈的脉冲处理后，输出激光控制信号给调Q开关驱动器，再由调Q开关驱动器控制声光调Q开关，驱动激光器输出所需频率的激光脉冲。右侧机壳后方放置的辅助系统包括辅助气体和激光器水冷机。加工过程中，辅助气体能吹走热效应所产生的熔渣，保证加工表面形貌质量。激光器水冷机能把激光器在工作过程中产生的热量以水冷的方式转换掉。发动机气缸表面激光微加工装置的数控系统是通过Visual C++软件利用动态链接库技术，调用四轴三联动运动控制卡和激光控制卡封装的库文件来实现对底层硬件接口的访问。通过利用面向对象的C++语言编写的相应程序来实现工作台的三维平动和激光头的旋转运动，借助于激光控制卡对系统机械运动与激光器单脉冲输出的协同控制，使激光器在规定的时间、规定的加工点输出单个激光脉冲，完成所需加工要求。本专利技术的发动机气缸表面激光微加工装置的加工方法是按照如下步骤A、将工件固定于专用夹具上，打开控制系统，将工作台调整到适当的位置，使激光束聚焦以后的焦点落在工件加工表面；B、在控制程序软件加工界面设置具体的加工参数，打开辅助气体开关，运行加工程序， 激光头开始旋转，激光器输出一定频率的激光脉冲；C、当一个气缸孔加工完毕以后，整个系统处于静止状态，利用工作台的移动找到下一个气缸孔的加工位置，开始加工；D、当全部气缸孔加工完毕以后，退出程序，关闭控制系统。本专利技术的有益效果本专利技术能最大程度的降低激光微加工过程中所产生的热负面效应，实现对工件表面高效、高质量的微米量级任意形貌的微加工。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．发动机气缸表面激光微加工装置，其特征在于，由外机壳部分、激光器（２）、高精度工作台部分、旋转通光进气装置部分、计算机数控部分和辅助系统部分组成；所述外机壳部分包括主机壳（１）和右侧机壳（６）；所述激光器（２）位于主机壳（１）上方，包括激光器内光路系统和激光器外光路系统；所述高精度工作台部分包括底座（２５）、Ｘ轴直线导轨（２３）、Ｘ轴伺服电机（２４）、Ｙ轴直线导轨（２１）、Ｙ轴伺服电机（１５）、Ｚ轴直线导轨（１８）、Ｚ轴伺服电机（１７）、工作平台（１３）、Ｚ轴立式工作台（１９）、Ｘ轴光栅尺（１４）、Ｙ轴光栅尺（２２）、Ｚ轴光栅尺（２０）、立柱（１６）和专用夹具（１２）；底座（２５）置于主机壳（１）内部，在底座（２５）上用螺栓固定Ｘ轴直线导轨（２３），Ｘ轴伺服电机（２４）安装在Ｘ轴直线导轨（２３）底座上，所述Ｘ轴伺服电机（２４）通过滚珠丝杠驱动Ｙ轴直线导轨（２１）和工作平台（１３）沿Ｘ轴直线导轨（２３）做左右移动；Ｙ轴伺服电机（１５）安装在Ｙ轴直线导轨（２１）底座上，所述Ｙ轴伺服电机（１５）通过滚珠丝杠驱动工作平台（１３）沿Ｙ轴直线导轨（２１）做前后移动；在工作平台上设置专用夹具（１２）；立柱（１６）与底座（２５）竖直连接；Ｚ轴直线导轨（１８）固定在立柱（１６）上，Ｚ轴伺服电机（１７）固定在Ｚ轴直线导轨（１８）底座上，所述Ｚ轴伺服电机（１７）通过滚珠丝杠驱动Ｚ轴立式工作台（１９）在竖直方向做上下运动；所述的旋转通光进气装置部分包括悬臂梁（４５）、气腔套筒（４７）、上轴承压盖（３１）、下轴承压盖（３７）、旋转轴（２９）、密封轴承Ａ（３４）、密封轴承Ｂ（３５）、旋转轴伺服电机（４４）、同步带轮Ａ（３０）、同步带轮Ｂ（４３）、同步带（４８）、高精度增量式旋转编码器（２８）、高透光度透镜（２７）、透镜压盖（２６）、激光头（３９）、聚焦透镜套筒（５０）、４５°全反镜（４１）和激光头出光出气孔（４２）；所述悬臂梁（４５）通过螺栓连接水平安装在Ｚ轴立式工作台（１９）上，悬臂梁（４５）的右端开一个通孔，所述气腔套筒（４７）经过该通孔通过螺栓联接固定在悬臂梁（４５）的下端面；所述旋转轴（２９）穿过气腔套筒（４７），通过密封轴承Ａ（３４）和密封轴承Ｂ（３５）与气腔套筒（４７）内壁连接；所述上轴承压盖（３１）为圆环状且与旋转轴（２９）同轴，套在旋转轴（２９）上通过螺栓连接固定在悬臂梁（４５）的上端面；所述下轴承压盖（３７）为圆环状且与旋转轴（２９）同轴，套在旋转轴（２９）上通过螺栓连接固定在气腔套筒（４７）的下端面；所述密封轴承Ａ（３４）和密封轴承Ｂ（３５）的内圈与旋转轴的连接为（２９）过盈配合，随旋转轴（２９）转动；所述密封轴承Ａ（３４）和密封轴承Ｂ（３５）的外圈与气腔套筒（４７）的内壁的连接为过盈配合，不随旋转轴（２９）转动；所述密封轴承Ａ（３４）与上轴承压盖（３１）之间设有毡圈Ａ（３３），所述上轴承压盖（３１）与悬臂梁上端面连接处设有密封圈Ａ（３２）；所述密封轴承Ｂ（３５）与下轴承压盖（３７）之间设有毡圈Ｂ（３８），所述下轴承压盖（３７）与气腔套筒下端面连接处设有密封圈Ｂ（３６）；所述气腔套筒（４７）、上轴承压盖（３１）、下轴承压盖（３７）和旋转轴（２９）之间形成一个密闭腔；所述气腔套筒（４７）上开设一气腔进气孔（４６），所述气腔进气孔（４６）与外部气源连接，为整个系统供气；在所述旋转轴（２９）与密封轴承Ａ（３４）、密封轴承Ｂ（３５）配合的中间段面上开设１２～１４个通气孔，辅助加工气体经过这些通气孔进入旋转轴（２９）内部；所述同步带轮Ａ（３０）安装在上轴承压盖（３１）上方的旋转轴（２９）上；在悬臂梁（４７）的左端固定一个旋转轴伺服电机（４４），所述旋转轴伺服电机（４４）的旋转主轴上安装同步带轮Ｂ（４３），所述同步带轮Ｂ（４３）与同步带轮Ａ（３０）的传动比为１：１，且在同一水平高度；所述旋转轴伺服电机（４４）转动时，通过同步带（４８）的传动驱动旋转轴（２９）的转动，旋转轴（２９）的转速时刻保持与旋转轴伺服电机（４４）转速一致；同步带轮Ａ（３０）上方的旋转轴（２９）上安装一个高精度增量式旋转编码器（２８），当旋转轴（２９）转动时，所述高精度增量式旋转编码器（２８）输出反映旋转轴角位移变化量的脉冲信号；所述旋转轴（２９）的顶端设置一块高透光度透镜（２７），并通过透镜压盖（２６）与旋转轴（２９）的螺纹连接将其固定，所述透镜压盖（２６）与旋转轴（２９）之间设有Ｏ型密封圈；在所述旋转轴（２９）的下端安装激光头（３９）；所述聚焦透镜套筒（５０）的外径小于激光头（３９）内径，并设有插槽，将聚焦透镜（４０）插在聚焦透镜套筒（５０）的插槽中，聚焦透镜（４０）的轴心在聚焦透镜套筒（５０）的轴心线上，聚焦透镜套筒（５０）插入激光头（３９）中；所述聚焦透镜套筒（５０）...
【技术特征摘要】
1.发动机气缸表面激光微加工装置，其特征在于，由外机壳部分、激光器(2)、高精度工作台部分、旋转通光进气装置部分、计算机数控部分和辅助系统部分组成；所述外机壳部分包括主机壳(1)和右侧机壳(6)；所述激光器(2)位于主机壳(1)上方，包括激光器内光路系统和激光器外光路系统；所述高精度工作台部分包括底座(25)、X轴直线导轨(23)、X 轴伺服电机(24)、Y轴直线导轨(21)、Y轴伺服电机(15)、Z轴直线导轨(18)、Z轴伺服电机 (17)、工作平台(13)、Z轴立式工作台(19)、X轴光栅尺(14)、Y轴光栅尺(22)、Z轴光栅尺 (20)、立柱(16)和专用夹具(12)；底座(25)置于主机壳(1)内部，在底座(25)上用螺栓固定X轴直线导轨(23)，X轴伺服电机(24)安装在X轴直线导轨(23)底座上，所述X轴伺服电机(24)通过滚珠丝杠驱动Y轴直线导轨(21)和工作平台(13)沿X轴直线导轨(23)做左右移动；Y轴伺服电机(15)安装在Y轴直线导轨(21)底座上，所述Y轴伺服电机(15)通过滚珠丝杠驱动工作平台(13)沿Y轴直线导轨(21)做前后移动；在工作平台上设置专用夹具(12)；立柱(16)与底座(25)竖直连接；Z轴直线导轨(18)固定在立柱(16)上，Z轴伺服电机(17)固定在Z轴直线导轨(18)底座上，所述Z轴伺服电机(17)通过滚珠丝杠驱动Z轴立式工作台(19)在竖直方向做上下运动；所述的旋转通光进气装置部分包括悬臂梁 (45)、气腔套筒(47)、上轴承压盖(31)、下轴承压盖(37)、旋转轴(29)、密封轴承A (；34)、密封轴承B (35)、旋转轴伺服电机(44)、同步带轮A (30)、同步带轮B (43)、同步带(48)、高精度增量式旋转编码器(28)、高透光度透镜(27)、透镜压盖(26)、激光头(39)、聚焦透镜套筒(50)、45°全反镜(41)和激光头出光出气孔(42);所述悬臂梁(45)通过螺栓连接水平安装在Z轴立式工作台(19)上，悬臂梁(45)的右端开一个通孔，所述气腔套筒(47)经过该通孔通过螺栓联接固定在悬臂梁(45 )的下端面；所述旋转轴(29 )穿过气腔套筒(47 )，通过密封轴承A (34)和密封轴承B (35)与气腔套筒(47)内壁连接；所述上轴承压盖(31)为圆环状且与旋转轴(29 )同轴，套在旋转轴(29 )上通过螺栓连接固定在悬臂梁(45 )的上端面；所述下轴承压盖(37)为圆环状且与旋转轴(29)同轴，套在旋转轴(29)上通过螺栓连接固定在气腔套筒(47)的下端面；所述密封轴承A (34)和密封轴承B (35)的内圈与旋转轴的连接为(29)过盈配合，随旋转轴(29)转动；所述密封轴承A (34)和密封轴承B (35) 的外圈与气腔套筒(47)的内壁的连接为过盈配合，不随旋转轴(29)转动；所述密封轴承A (34)与上轴承压盖(31)之间设有毡圈A (33)，所述上轴承压盖(31)与悬臂梁上端面连接处设有密封圈A (32);所述密封轴承B (35)与下轴承压盖(37)之间设有毡圈B (38)，所述下轴承压盖(37)与气腔套筒下端面连接处设有密封圈B (36);所述气腔套筒(47)、上轴承压盖(31)、下轴承压盖(37)和旋转轴(29)之间形成一个密闭腔；所述气腔套筒(47)上开设一气腔进气孔(46)，所述气腔进气孔(46)与外部气源连接，为整个系统供气；在所述旋转轴(29)与密封轴承A (34)、密封轴承B (35)配合的中间段面上开设12 14个通气孔， 辅助加工气体经过这些通气孔进入旋转轴(29)内部；所述同步带轮A (30)安装在上轴承压盖(31)上方的旋转轴(29)上；在悬臂梁(47)的左端固定一个旋转轴伺服电机(44)，所述旋转轴伺服电机(44)的旋转主轴上安装同步带轮B (43)，所述同步带轮B (43)与同步带轮A (30)的传动比为1:1，且在同一水平高度；所述旋转轴伺服电机(44)转动时，通过同步带(48)的传动驱动旋转轴(29)的转动，旋转轴(29)的转速时刻保持与旋转轴伺服电机(44)转速一致；同步带轮A (30)上方的旋转轴(29)上安装一个高精度增量式旋转编码器(28)，当旋转轴(29)转动时，所述高精度增量式旋转编码器(28)输出反映旋转轴角位移变化量的脉冲信号；所述旋转轴(29)的顶端设置一块高透光度透镜(27)，并通过透镜压盖 (26)与旋转轴(29)的螺纹连接将其固定，所述透镜压盖(26)与旋转轴(29)之间设有0型密封圈；在所述旋转轴(29)的下端安装激光头(39);所述聚焦透镜套筒(50)的外径小于激光头(39)内径，并设有插槽，将聚焦透镜(40)插在聚焦透镜套筒(50)的插槽中，聚焦透镜 (40)的轴心在聚焦透镜套筒(50)的轴心线上，聚焦透镜套筒(50)插入激光头(39)中；所述聚焦透镜套筒(50)的外圆周有三个均勻分布的凸台，凸台与激光头(39)内表面是间隙配合；所述聚焦透镜套筒(50)与激光头(39)之间留有的空隙传输辅助气体；在激光头(39) 外表面上每隔120°开设3个螺纹孔，从三个螺纹孔旋入的三个紧定螺钉A (51), B (52), C (53)与聚焦透镜套筒(50)接触；所述45°全反镜(41)置于激光头的底部，激光头出光出气孔(42)开设于激光头的底部，所述激光头出光出气孔(42)正对指向45°全反镜(...
【专利技术属性】
技术研发人员：符永宏，潘国平，华希俊，康正阳，符昊，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32
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