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激光微织构加工技术与设备研究

摘要:首先,综述激光微织构加工技术与设备的研究进展,依据织构形貌特征的不同来分类激光微织构加工技术;其次,介绍激光毛化加工技术、激光微凹坑加工技术、激光微沟槽加工技术以及激光复杂织构加工技术的当前研究进展,阐述激光微织构加工设备的研究现状;最后,揭示激光微织构加工技术的应用前景,指出激光微织构加工设备的研究值得研究者不断探索。

关键词:激光加工技术;微织构形貌;激光加工设备

1研究背景

激光具有亮度高、方向性好、相干性强以及单色性好等特性,被广泛应用于医疗、通信、航空航天和制造业领域,并逐渐衍生出新的加工技术——激光加工技术[1]。激光加工技术的加工条件较低,加工区域较小,能够精准加工复杂微观形貌结构等,实现了传统机械加工从粗糙化向精细化的转变,并将激光加工技术进一步升级为激光微织构加工技术。近年来,激光微织构加工技术作为一种新兴加工技术,在我国先进机械制造行业尤其是精细加工领域得到了飞速发展。尤其是它在减磨润滑性能方面的优异表现,是我国传统机械加工手段无法比拟的。同时,激光微织构加工技术具备非接触、无磨损、无污染和高效高精等优点,正逐渐取代传统加工技术成为精细加工技术的主流。但是,激光微织构加工的工艺参数众多,实际工况也较为复杂。

2激光微织构加工技术分类

激光微织构加工技术由激光加工技术衍生而来,特指激光加工技术应用在微加工领域的加工技术。其中,激光微织构加工技术是指在几百微米内的加工尺寸下,以激光作为加工源,将激光光束作用于加工材料表面,使材料表面发生融化、汽化与相变等物理现象或化学现象,以改变材料表面的机械特性的一种加工方法[2],是当前激光加工技术的一种常用方法。激光微织构加工技术具有加工速度快、效率高及非接触式加工方式等优势。加工的常见微织构形貌有凹坑形、凹槽形、凸体形和鳞片形等[3-4]。因此,根据加工所得的织构形貌特征的不同,可将激光微织构加工技术细分为4类,类型特征如图1所示。

2.1激光毛化加工技术

激光毛化加工技术是指应用激光微织构加工在材料表面形成微凸起、凸体形微观形貌的加工方法。激光毛化形貌依据形貌直径和高度的表征差异,分为球冠状、凹顶球冠状、M状以及火山口状,如图2所示[5]。图2中,D1、D2分别为形貌内径和形貌外径,H1、H2分别为形貌高度和形貌深度。激光毛化加工技术最早开始于1980年的比利时冶金研究中心。该中心起初利用CO2激光器对冷轧辊表面进行激光毛化加工[6],随后激光毛化加工技术引起了国内外研究学者的广泛关注,成为激光微织构加工的研究热点,并促进了激光毛化加工技术的高速发展。王春艳等将激光毛化加工技术与NaOH阳极氧化技术进行工艺对比,发现激光毛化和NaOH阳极氧化在提高TB8钛合金与复合材料的胶接剥离强度方面均有良好表现[7];符永宏、刘新金、符昊等利用单因素法分析激光脉宽、功率等激光参数以及辅助气体压力、涂料涂层等辅助工艺对毛化形貌的影响,得到了普适性规律[8];叶云霞等分析激光脉宽和峰值功率密度对45#钢表面微凸起形貌的影响规律,提出了激光毛化形貌形成的新机理[9];符永宏、潘彩云、符昊等在模具钢5CrNiMo表面进行激光毛化处理,探究毛化织构面积占有率和织构高度对试样表面摩擦磨损性能的影响,对研究激光毛化加工改善金属工件成形性能具有重要意义[10]。

2.2激光微凹坑加工技术

激光微凹坑加工技术是激光微织构加工技术中最常见的方法之一。加工所得的微凹坑织构依据几何形状的不同可分为圆形凹坑、三角凹坑和方形凹坑等[11-12],如图3所示。激光微凹坑加工技术能够显著改善润滑性能、储存脱落颗粒以及优化储油条件,在润滑减磨方面表现优异,多用于模具和机械零件等场合。钟林等研究不同表面激光微凹坑织构对牙轮钻头轴承摩擦学性能的影响,发现激光微凹坑的几何形状和排布方式对轴承减摩和耐磨效果影响极大,得出了延长牙轮钻头轴承使用寿命的优化设计方案[13];何霞等探讨激光参数与微凹坑织构直径和深度间的变化规律,深入研究织构形貌的变化对摩擦副表面摩擦系数和磨损量的影响[14];蒋雯等通过对比润滑条件下的激光微凹坑织构的摩擦学性能,发现微凹坑织构能够明显改善7075铝合金表面的摩擦学性能,并探索了凹坑直径和面积密度对减摩性能的影响规律[15]。

2.3激光微沟槽加工技术

激光微沟槽加工技术具有加工方便和价格低廉等特点,在摩擦学和医学等领域应用广泛。激光微沟槽形貌依据其几何参数的不同,可分为平面沟槽、V形沟槽和正弦型沟槽等[16]。近年来,部分专家将其与仿生学相结合,通过改变沟槽横截面形状达到了减阻的目的[17-19]。娄德元等利用激光微织构加工技术得到正方形网格沟槽凸起结构的超亲水表面,通过对比微织构表面与单一超疏水表面的冷凝传热系数,发现激光微沟槽织构相较原始、超亲水及超疏水表面具有更好的冷凝传热效果[20];武伟等以高速钢为研究对象,研究激光加工参数与微沟槽织构几何参数之间的关系,分析得到激光功率为10~14W、脉宽重复频率为20~30kHz、扫描速度为1000ms左右时,高速钢表面微沟槽织构质量较好[21];欧阳承达等采用光纤激光器在化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,CVD)金刚石薄膜表面进行V形微沟槽形貌加工,如图4所示,并对3种不同截面的微凹槽织构进行实验对比,明确了沟槽深度与沟槽形状、激光扫描频次以及脉宽的关系[22]。

2.4激光复杂织构加工技术

激光微织构加工技术除了能够加工毛化、微凹坑以及微沟槽等常见的织构形貌外,还可以加工鳞片形的仿生织构、凹坑-凹槽的组合织构[23]以及基于椭圆优化[24]的复合织构等特殊表面织构,如图5所示。考虑这类织构的形状复杂、加工难度大等,将这类激光微织构加工技术统称为激光复杂织构加工技术。目前,针对激光复杂织构加工技术的理论基础较为薄弱,实验研究还处于发展阶段。郭志远等基于蜣螂表皮和鲨鱼表皮,提出微凹坑织构、微沟槽织构和微坑-槽复合织构的复杂织构,并验证仿生学织构在改善陶瓷刀具切削性能方面具有优良表现[23]。陈小兰等利用纳秒激光加工设备,在液压缸缸筒内表面加工仿鲨鱼体表菱形微织构形貌,探讨织构形貌与表面粗糙度对液压缸的动压润滑的改善效果[25]。彭龙龙等以方形织构、菱形织构、球形织构以及Koch雪花织构为例,对比不同织构形状对轴承湍流润滑效果大小,验证了复杂织构能够提高液膜湍流流动性,进而提高液膜压力和承载力[26]。

3激光微织构加工设备研究进展

激光微织构加工设备是激光微织构加工过程中的重要设备,特别是激光微织构加工技术的研究对加工设备提出了更高要求。目前,激光微织构加工设备已经成为机械制造行业的热门研究对象。2018年,西安中科微精光子制造科技有限公司在五轴加工的基础上推出六轴超快激光微加工设备,可实现其在金属、非金属以及复合材料等大幅薄壁复杂曲面上的表面纹理、轮廓和微腔加工,适合复杂曲面薄壁零件微加工[27]。江苏大学的华希俊等根据多功能皮秒激光加工系统当前存在的性能不达标及功能单一等问题,通过设计光学系统、机械系统和电控系统在内的各子系统,集成优化了多功能皮秒激光加工系统,可实现性能升级和功能全面优化,为皮秒激光微织构工艺研究奠定了良好基础[28]。江苏大学符永宏教授的团队优化升级传统的采用单片机串行时序工作方式的激光微加工控制系统,研制了一套基于现场可编程逻辑门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)并行时序工作方式的控制系统,有利于提高主轴电机和主轴编码器的运行精度,为内燃机缸套内表面激光微织构加工工艺研究提供设备支撑,具有重要的应用价值[29]。

4结语

依据织构形貌特征的不同,分类激光微织构加工技术,介绍激光毛化加工技术、激光微凹坑加工技术、激光微沟槽加工技术以及激光复杂织构加工技术的当前研究进展,阐述激光微织构加工设备的研究现状。激光微织构加工技术能够显著改善运动表面润滑性能,降低摩擦和磨损,提高零部件的机械性能和材料性能,成为摩擦学领域的关注热点,具有广阔的研究和应用前景。激光微织构加工设备涵盖的内容十分广泛,其中控制系统的设计、研究与开发是对激光微织构加工设备和多轴机床伺服运动控制系统的一种深度挖掘。为使激光微织构加工设备的功能更加完善、性能更加优化,需要不断对其进行探索与研究。

作者:王矾 顾建 张旭东 单位:淮安生物工程高等职业学校机电工程系

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