（机械制造及其自动化专业论文）激光珩磨设备的研究和开发.pdf

摘要 缸套和活塞环是发动机中最重要的部件之一，它们的润滑和磨损状况直接影响发 动机的性能。在人们能源和环境意识日益增强的今天，利用传统的缸套内表面机械珩 磨技术来提高缸套和活塞环的润滑性能已经越来越不能满足人们的要求。随着激光应 用技术的快速发展，国外又提出了一种叫激光珩磨技术的缸套处理新方法，它能够更 好地改善缸套和活塞环的润滑性能以及提高缸套的表面硬度，但相关技术均为保密。 因此，进行激光珩磨相关技术的研究并进一步开发具有我国自主知识产权的激光珩磨 设备具有重要的理论与实际应用价值。 根据激光珩磨设备的功能需求定位和激光珩磨的工艺特点，首先进行了设备的系 统设计。所设计的系统由激光器与光路部分、工作台部分、用于控制激光器和工作台 的控制部分和辅助装置等四部分组成。主要研究了基于二极管泵浦y a g 激光器、工控 机、运动控制卡和编码器计数卡的激光珩磨专用设备的硬件系统设计，以及控制软件 的开发。在硬件方面，论述了控制系统的组成和工作机理，并深入研究了m c 8 0 4 1 p 卡的内部控制原理和外部接口，提出了用一块编码器计数卡进行激光器和运动控制系 统的协同控制，实现了激光微造型形貌可控以及单脉冲同点间隔多次激光微加工新工 艺，这是激光珩磨设备的核心技术与关键。在软件方面，论述了如何利用面向对象的 编程语言和动态链接库技术实现应用程序与m c 8 0 4 1 p 间的通讯、各种加工方式以及 ；b n - r - 轨迹的显示，并在g 代码加工方式下设置了g 代码编译模块，保证了加工的顺利 进行。最后进行了典型摩擦副的激光珩磨实验和平板的激光微造型实验，验证了设备 的性能。 关键词：缸套，激光珩磨，二极管泵浦y a g 激光，计算机数控系统，m c 8 0 4 1 p ， 动态链接库 a b s t r a c t t h et r i b o p a i ro fc y l i n d e rl i n e ra n d p i s t o nr i n g si so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t s i ne n g i n e t h e i rl u b r i c a t i o na n dw e a rs t a t u sd i r e c t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fe n g i n e t o i m p r o v e t h el u b r i c a t i o n p e r f o r m a n c e b e t w e e nc y l i n d e rl i n e ra n d p i s t o nr i n g sb y c o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a lh o n i n gw a yc a l ln o tm e e tp e o p l e s r e q u i r e m e n tb e c a u s eo ft h e r a i s i n go fe n e r g y s o u r c e sa n de n v i r o n m e n tc o n s c i o u s n e s st o d a y a l o n gw i t l lt h ef a s t d e v e l o p m e n to fl a s e ra p p l i c a t i o nt e c h n i q u e ，an e ww a yo fc y l i n d e rl i n e rt r e a t m e n tn a m e d l a s e rh o n i n gw a si n v e n t e db yd e v e l o p e d c o u n t r y i tc a ni m p r o v et h el u b r i c a t i o np e r f o r m a n c e b e t w e e nc y l i n d e rl i n e ra n dp i s t o nr i n g sa n de n h a n c et h er i g i d i t yo fc y l i n d e rw a l lf a r t h e s t h o w e v e r ，t h ec o r r e l a t i v et e c h n o l o g yo fl a s e rh o n i n gi sk e p ts e c r e t t h u s ，i ti ss i g n i f i c a n tt o s t u d yi n t e r r e l a t e da s p e c to fl a s e rh o n i n ga n dd e v e l o pl a s e rh o n i n ge q u i p m e n tw i t h i n d e p e n d e n tk n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h t i nt h i st h e s i s ，o nt h eb a s i so ff u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fl a s e rh o n i n ge q u i p m e n ta n d t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fl a s e rh o n i n g ，t h es y s t e md e s i g no fe q u i p m e n ti sp e r f o r m e d t h e d e s i g n e ds y s t e mi sc o m p o s e do fl a s e rs o u r c ea n dl i g h tp a t hs y s t e m ，w o r k t a b l e ，c o n t r o l s y s t e ma n da c c e s s o r i a ld e v i c e s t h eh a r d w a r es y s t e md e s i g no fl a s e rh o n i n ge q u i p m e n ta n d s o f t w a r ed e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e ma r es t u d i e db a s e do nd p s sy a gl a s e r , i p c ，m o t i o n c o n t r o lc a r da n de n c o d e rc o u n t e rc a r d f o rh a r d w a r e ，t h ec o n s t r u c t i o na n dw o r k i n g m e c h a n i s mo fc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e d ，t h e nt h ei n t e r n a lc o n t r o l l i n gm e c h a n i s ma n d o u t e ri n t e r f a c eo fm c 8 0 41p a n da l le n e o d e rc o u n t e rc a r di sp r e s e n t e dt ob eu s e df o r s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lo fl a s e ra n dm o t i o nc o n t r o ls y s t e mw h i c hi st h ek e yt e c h n i q u eo ft h e e q u i p m e n t f o rs o f t w a r e ，h o wt op e r f o r mt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e na p p l i c a t i o ns o f t w a r e a n dm c 8 0 41p , a l lk i n d so fp r o c e s s i n gm o d e sa n dd i s p l a yo fp r o c e s s i n gt r a c kw i t h o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dd l lt e c h n i q u ea r ed e s c r i b e d a n dagc o d e s c o m p i l i n gm o d u l ei ss e ti ngc o d e sp r o c e s s i n gm o d et oe n s u r es u c c e s s f u l l yp r o c e s s i n g i n t h ee n d ，l a s e rm i c r o - t e x t u r i n ge x p e r i m e n t so ff l a ts a m p l e sa n dl a s e rh o n i n ge x p e r i m e n t so f r e p r e s e n t a t i v ef r i c t i o n u n i t sa r ep e r f o r m e dt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo fe q u i p m e n ta n dg o o d r e s u l t sa r ea c h i e v e d k e y w o r d s ：c y l i n d e rl i n e r , l a s e rh o n i n g ，d p s sy a gl a s e r , c n cs y s t e m ，m c 8 0 41p d l l 江苏大学硕士学位论文 1 1 缸套珩磨工艺的发展 第一章绪论 在常见的机械系统中，存在着各式各样的摩擦副。内燃机缸套一活塞环是较为典 型的一种。它们通常工作在高温、高压和带有固体微粒及腐蚀介质的环境下，摩擦及 润滑条件极为不利。有研究表明，内燃机摩擦功的2 5 5 0 是由缸套一活塞环摩擦副 消耗掉的【。过度磨损会造成漏油、漏气、功率下降和活塞环的快速报废，甚至发生 事故。缸套一活塞环是内燃机故障的多发系统之一【2 】。因此，如何解决好这对摩擦副 的润滑和耐磨问题，成为人们长期追求的目标，并为此做出了新的探索。一般来讲， 摩擦副表面的耐磨抗磨性能与四个因素有关，即表面的粗糙度、配伍性、材料的表面 硬度以及表面的润滑状况。为了摩擦副表面有较高的粗糙度和良好的配伍性，通常表 面最终加工都是采用机械珩磨工艺，有时甚至再加上平顶珩磨。现在被广泛使用的激 光相变硬化技术，可以显著提高材料的表面硬度。传统的机械珩磨加工方法，在工件 表面留下的珩磨痕迹具有贮存和输送润滑油，进而起到改善润滑性能的作用。但由于 珩磨痕迹是紊乱无序、随机不可控的，因而作用十分有限。由此，根据摩擦学理论可 以推断，存在一个既定的与润滑性能要求匹配的理想的微观结构形貌工件表面，以优 化摩擦副表面的润滑状况。2 0 世纪9 0 年代中期，德国著名珩磨机生产商格林( g e h r i n g ) 公司发明了激光珩磨( 1 a s e rh o n i n g ) 技术t 3 。5 l ，并率先将该技术应用于缸套表面处理， 以改善其表面磨损润滑状态。 衡量发动机性能的技术指标包括：动力性指标、经济性指标、紧凑性指标、强化 性指标及可靠性指标、耐磨性指标等。其中动力性指标、紧凑性指标、强化性指标等 由设计过程决定，其它的指标几乎都由零件的制造工艺性能决定。缸套、活塞环是发 动机中最重要的零件，发动机的燃油耗、机油耗、颗粒排放等重要指标均取决于缸套 一活塞环摩擦副系统的制造工艺，一方面摩擦副之间密封性不好或过度磨损将导致燃 气泄漏量增加，机油耗升高，噪声振动加大，尾气排放等也随之升高。另一方面，缸 套一活塞环摩擦副间的润滑状况，将直接影响摩擦副之间的摩擦功耗：缸套活塞环之 江苏大学硕士学位论文 间摩擦力小，摩擦功耗低，反之增大，而且还会导致零件磨损，从而影响寿命。由此 看来，提高缸套活塞环摩擦副表面的耐磨性和改善摩擦副间的润滑状况成为提高发 动机性能、延长发动机寿命的关键所在 6 1 。 综合起来看，发动机的性能指标( 由工艺过程决定的项目) ，在材质不变的情况 下由以下四个因素决定：气缸壁内表面高精度加工、气缸壁与活塞环良好的配伍性、 气缸孔与活塞环表面硬度及良好的润滑系统。传统的气缸内壁珩磨工艺大致经历了以 下几个阶段：普通机械珩磨、过渡珩磨、平顶珩磨。 1 1 1 普通机械珩磨 普通机械珩磨是利用珩磨油石加工出气缸套表面的网纹，并控制其具有一定的夹 角及网纹沟槽深度，缸套珩磨后的断面呈锯齿状。经普通珩磨后的气缸套在活塞环行 程范围内r a 值为0 4 um ，其余r a 为1 2 5um 【7 1 。采用普通珩磨工艺加工出的气缸 套内表面的储油性能较差，所形成的油膜的润滑效果也不理想，因此现在基本上不再 应用。 1 1 2 过渡珩磨 过渡珩磨是用软木油石对缸套内表面抛光，去除尖峰后，在活塞环行程范围内 r a 值为0 6 31 tm ，其余r a 值为1 2 5um 【7 1 。这是介于普通珩磨和平顶珩磨之间的一 种珩磨工艺。过渡珩磨工艺与平顶珩磨网纹加工工艺基本相同，但对珩磨网纹的深度、 沟槽的数量、轮廓偏斜度s k 、轮廓的支承长度率t p 等技术指标不作为检验项目，只 把内圆表面粗糙度作为验收项目。这种珩磨工艺要优于普通珩磨，但由于对珩磨网纹 的深度、沟槽的数量、轮廓偏斜度s k 、轮廓的支承长度率t p 等指标不作具体要求， 所以珩磨质量指标允许有一个波动范围。此种珩磨工艺加工的缸套内孔表面储油耐磨 效果一般。 1 1 3 平项珩磨 平顶珩磨是在普通珩磨的基础上，再增加一道精加工用磨石将缸套表面网纹 2 江苏大学硕士学位论文 磨成平顶状，如图1 1 所示【羽。采用平顶珩磨，可控制缸套表面支撑度，增强网纹储 油性能。在提高缸套表面抗磨能力的同时，充分保证缸套表面的润滑，改善发动机磨 合性能，延长发动机使用寿命。但由于油石磨粒的大小、形状、分布和磨损的不均匀 性以及珩磨过程中随机因素的影响，加工出的网纹必定会有不均匀性，因此就难以预 先算出与发动机性能有关的匹配参数。 图1 1 平顶珩磨表面形状 1 1 4 激光珩磨 传统的缸套内壁机械加工精度很高且基本已到了极限，对提高发动机性能而言几 乎无潜力可挖。目前能够应用的就是后两个因素，即提高零件的表面硬度和改善摩擦 副之间的润滑状况。9 0 年代中期，受平顶珩磨的启发，德国格林公司发明了激光珩磨 ( 1 a s e rh o n i n g ) 技术，以显著改善缸套活塞环之间的润滑状态。激光珩磨技术是激光 技术与机械珩磨技术的结合。其原理是利用具有一定能量密度的激光束在已经机械珩 磨的工作表面上，通过去除表面材料进行微观几何造型，在表面上形成与润滑性能要 求优化匹配的、连续均匀的、具有一定密度( 间距) 、宽度、深度、角度、形状的贮存 和输送润滑油的油路和凹腔，从而提供能优化润滑状况和有利于形成液体动压润滑条 件的表面结构形貌，以便在摩擦副表面之间形成具有最小厚度的动压润滑油膜，减少 固体间的直接接触，达到减小磨损的作用【9 】。激光珩磨后工件表面的微观结构形貌如 图1 - 2 所示。 图1 - 2 激光珩磨后工件表面的微观结构形貌 定性分析激光珩磨的减磨机理，就在手： ( 1 ) 利用激光束可控性的特点，在气缸工作表面整个工作长度上，根据磨损状况 和润滑性能要求，进行表面微观造型，从而保证在整个工作长度上磨损均衡； 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 在气缸整个工作表面上形成与润滑性能要求优化匹配的、连续均匀的、并具 有一定密度、宽度、深度、角度及形状的贮存和输送润滑油的沟槽、凹腔，这些油路 通过交叉点相互连通，且都均匀地分布于工件表面，为工件表面提供迅速有效的润滑， 减少了贫油区的出现，降低了粘着磨损； ( 3 ) 由于激光与材料独特的作用机理，使得要去除的金属被汽化掉，形成的油路 光滑清洁，从而保证油路畅通无阻；同时，在油路周围和表面，因淬火效应而硬度提高； ( 4 ) 在油路上设置的一系列凹腔，具有蓄油池和聚集微小颗粒的双重作用，它一 方面为周围附近区域提供润滑油，另一方面又能大大降低磨粒磨损； ( 5 ) 激光珩磨属非接触式加工，不像机械珩磨会发生挤压、耕犁现象，从而在金 属表面不产生所谓的“金属疤皮 ； ( 6 ) 虽然激光珩磨在工件表面留下了纵横交错的网格状油路，但就宏观效果而言， 并不影响活塞环的支承面积【1 0 1 。 1 2 激光珩磨技术的特点 激光珩磨技术是利用激光能量密度集中的特性，将激光束聚焦照射到被加工物体 表面，靠光热效应来加工出各种符合摩擦学原理和流体动压原理的微观形貌组织，几 乎不受所加工材料的限制。下面将激光珩磨技术与其他加工技术作一对比【l l 1 2 1 。 表1 1 激光珩磨技术与其他加工技术的对比 电火花加工电化学加工光化学腐蚀法激光珩磨 加一l ：原理 在加工过程中，包括从工件上去光学照相制版和 利用激光能量密 使工具和工件之除金属的电解加 光刻( 化学腐蚀)度集中的特性， 间不断产生脉冲工和向工件上沉相结合的一种精将激光束聚焦照 性的火花放电，积金属的电镀、密微细加工技术射到被加工物体 靠放电时局部、 涂覆加工两大类表面，靠光热效 瞬时产生的高温 应来加工出各种 把金属蚀除下来 符合要求的微观 形貌组织 4 江苏大学硕士学位论文 能量来源电能、热能电化学能光、化学能光能、热能 加工材料任何导电的金属任何导电的金属易于化学腐蚀的任何材料 材料材料材料 加工速度随表面粗糙度减生产率为电火花经历较长的材料瞬时去除率很高 小而显著下降，加工的5 1 0 倍腐蚀过程 精加工时一般在 l o m m 3 m i n 以下 加工精度( 最高) 31 051 l 比r n 由上表可见，激光珩磨技术具有其他方法所不能比拟的优越特性。它具有如下特 点： 1 ) 加工时间短，工件热应力小，可控性能好。 2 ) 由于是非接触无刀具加工，不存在刀具的损耗和折断等问题，不会引起工件 的物理变形。 3 ) 在加工过程中，不需要润滑和工作液介质。 4 ) 激光加工时，激光器和工件间有一定的距离，故可在其他加工方法不易达到 的狭小空间实现。 5 ) 由于激光的能量密度高，几乎所有的材料都可以进行加工。 6 ) 利用超短脉冲激光加工可避免熔化材料，并可对其进一步精加工【1 3 1 。 此外，激光珩磨的加工顺序是首先通过粗珩加工出对气缸套进行造型的原始表 面，然后利用激光加工出预定的表面网纹结构，最后精珩磨去除激光加工所产生的毛 刺。其中激光加工的质量在很大程度上受到预处理表面的影响，因而应当综合考虑激 光加工前的表面预处理要求。只有建立合理的预处理表面形貌，才能更有效地实现激 光珩磨加工的目的【1 4 】。 江苏大学硕士学位论文 1 2 1 激光珩磨与激光淬火的区别 激光淬火是利用具有一定能量密度的激光束在工件表面快速扫描，在瞬态完成对 表面材料加热和冷却过程，从而实现对工件表面的淬火，在表层形成晶体细化、组织 致密的马氏体和莱氏体。因此，从本质上讲，激光淬火是通过改变工件表面的金相组 织，显著提高工件表面硬度，来达到耐磨延寿的目的1 1 5 】。 激光淬火和激光珩磨的处理加工工艺，在选用激光类型、光斑大小、功率扫描、 速度等方面均存在较大的差别。见表1 2 。 表1 2 激光淬火与激光珩磨处理加工工艺比较 光斑激光扫描是否去除 裳 激光器 方法 直径功率速度材料 激光淬火c 0 2 y a g 大大 较慢 否 y a g 分子 激光珩磨小小较快是 等离子 众所周知，激光淬火通过大幅度提高工件表面硬度，来提高耐磨性，通常经过激 光淬火的缸套，其耐磨性和寿命可以增加3 4 倍。而激光珩磨不仅能通过改善气缸套 表面的润滑状态来提高耐磨性，延长使用寿命，而且还能降低机油耗、颗粒排放和 h c 排放。 1 2 2 激光珩磨与激光毛化的区别 激光珩磨是直接在摩擦副表面进行几何微观造型。而激光毛化基本上是特指在轧 辊表面按预定形貌和几何分布进行熔凝造型，再用该激光毛化轧辊轧制金属板材，生 产出最终产品激光毛化板。两者在加工对象上有着显著区别。 在表面造型方面，激光珩磨是利用高能量密度、连续的激光束在工件表面，根据 摩擦副表面的润滑性能要求，通过去除表面材料，进行几何形貌的微观造型，形成所 要求的油槽或凹腔。激光珩磨后的工件表面要求平整光洁，表面粗糙度不会下降。如 6 江苏大学硕士学位论文 图1 2 所示。 激光毛化是利用高能密度、高重复频率的脉冲激光束，在作旋转运动的轧辊表面， 形成若干微小熔池，同时将具有一定成分、一定压力的辅助气体沿一定角度侧吹熔池 中的熔融物，使其按指定要求堆积到熔池边缘。光脉冲作用停止后，熔池及边缘熔融 物迅速冷却，形成具有一定形貌的表面硬化的微坑和坑边凸台结构。激光毛化原理及 表面形貌如图1 2 ，1 3 所示。 抖竺屯 图i - 3 激光毛化原理示意图 图1 - 4 激光毛化表面形貌 在表面造型的作用方面，激光珩磨的目的是为了提供能优化润滑状况和有利于形 成液体动压润滑条件的表面结构形貌，以便在摩擦副表面之间形成具有一定最小厚度 的动压润滑油膜，减少固体直接接触，达到减摩延寿作用。而激光毛化的微坑和坑边 的凸台结构，在扎辊轧制或平整板材的过程中，坑边凸台在板面上将形成变形硬化质 点( 微坑) 。这种表面微观形貌结构能在不降低原材质表面韧性的情况下，由无数微 小均布的强化点对表面实现钉轧，实现表面刚柔相济的硬度分布构成，延长了轧辊的 使用寿命。在轧制过程中，因为这种凹凸形貌结构，增加了辊与板之间的摩擦力，改 善了接触条件，有利于轧制工艺顺利进行，提高板面质量。同时，在板材的成型过程 中，改善了板与模具之间的摩擦和接触条件，使成型工艺更易于进行，板材成形件表 面的涂漆光亮度和附着力也得以提高【1 6 1 。 7 p，。搋瞪黧垩蓬 l 江苏大学硕士学位论文 1 3 激光珩磨技术的国内外研究现状 激光珩磨技术是9 0 年代中期由德国著名珩磨机制造商格林公司的k l i n ku ， g r i m mh a n s 等人为研制高性能发动机气缸而提出的。因此，最早也应用于对气缸的 表面处理，并分别在柴油机、汽油机上试验了其有效性。格林公司在a v l 公司f 5 2 8 型发动机上进行了效能试验。结果表明，不仅使气缸和活塞环的磨损量下降5 0 ，而 且使柴油发动机的柴油消耗量下降4 0 ，颗粒排放量下降1 0 - - 3 0 ，汽油发动机 的汽油消耗量降低3 0 - - 6 0 ，h c 排放量下降约2 0 h a g 】。此技术目前还处于研究 试验阶段。 近年来，著名汽车制造商德国奥迪( a u d i ) 公司也开展了激光处理气缸套的研究。 l u d o l fh e r b s t 等人利用u v 激光在一台4 缸t d i ( t u r b od i r e c ti n j e c t i o n ) 柴油发动机缸 套上进行了激光处理，在发动机连续工作6 0 2 小时后，发现与机械珩磨缸套相比，激 光处理缸套摩擦磨损减少由2 3 上升到8 9 ，与之配合的活塞环的磨损减少由3 0 上升到8 8 。他们还在v 6 发动机缸套上进行了激光处理，在发动机连续工作8 0 0 小 时后发现机油耗降低了7 5 【1 9 1 。该技术目前也处于开发阶段。 自9 0 年代以来，以色列学者e t s i o n 发展了激光表面微造型技术。这一技术最初 被成功地应用于泵机械密封环端面的微观造型 2 0 - 2 2 1 。由于机械密封环材料大多都是由 耐磨的s i c 等材料制成的，用传统的c 0 2 和y a g 激光器就可以很容易实现微加工。 1 9 9 6 年他们在以色列的海法市成立了表面技术公司( s u r f a c e t e c h n o l o g i e sl t d ) ，目前 他们的产品已成功用于原油运输、石油化工、海运和水处理等行业。e t s i o n 、r o n e n 等人还利用在机械密封环端面用激光加工微压室的思想【2 3 】，对活塞环与缸套以及平行 的推力轴承表面进行微孔造型，从理论上进行了模拟分析，并用实验的方法进行了验 证，收到了良好的效果【2 抛7 1 。目前他们正在进行深入的理论和实验研究。 国内目前江苏大学对激光珩磨正在进行系统的研究，并取得了一系列阶段性研究 成果【9 , 1 0 , 1 3 1 5 , 2 8 3 0 。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的主要内容 不同形貌特征的摩擦副表面具有不同的摩擦学特性。目前来讲，在缸套表面上加 工的形貌特征主要有交叉网纹型和独立凹坑型。本课题针对激光珩磨网纹和凹坑造型 的工艺特点，主要研究激光珩磨设备的系统设计和软、硬件结构，以及用实验的方法 验证控制系统的功能。 ( 1 ) 硬件设计 根据激光珩磨设备的功能需求定位，构建合理的硬件组成系统。选择二极管泵浦 y a g 激光作为激光珩磨用光源：采用四轴运动控制器m c 8 0 4 1 p 和d a 卡p c l 7 2 8 分别对三维工作台和回转工作台进行位置控制和速度控制；自行设计一块编码器计数 卡实现激光器调q 开关和运动控制系统的协调联动控制，满足“单脉冲同点间隔多次” 等加工的需要：同时在编码器计数卡上集成继电器，实现对辅助装置的控制。 ( 2 ) 软件开发 在w i n d o w s 9 8 操作系统下，利用面向对象开发软件v b 6 0 开发了激光珩磨设备 的控制软件。运用动态链接库技术，完成m c 8 0 4 1 p 的开卡、关卡操作和m c x 3 1 4 运 动控制芯片的寄存器输入输出操作，以及编码器计数卡的输入输出端口的操作等，实 现了v b 对底层硬件的控制；在g 代码加工方式下，设置了g 代码编译模块，保证 了加工的顺利进行；通过实时读取m c x 3 1 4 芯片逻辑位置寄存器的值，在v b 下运用 绘图控件对坐标值进行拟和，并运用视图变换原理实现了加工轨迹的三维实时显示； 针对不同的加工对象和要求，设置了典型的加工方式，使操作更为简便。 ( 3 ) 实验 首先进行了平板的表面微造型实验，对设备的功能进行了初步验证，并且优化了 激光参数组合和激光微造型加工工艺，为实际缸套的激光珩磨加工做好了充足的准 备。然后进行了缸套等典型摩擦副的激光珩磨实验，进一步验证了系统性能，并对实 验结果进行了分析，取得了满意的效果。 9 江苏大学硕士学位论文 1 5 本课题研究的目的和意义 大量研究事实表明，在摩擦副工作表面进行某些几何形貌的微观造型，可显著改 善摩擦副润滑状态，延长使用寿命，减少能耗等。这些微观形貌的尺寸要求一般在微 米量级( 如凹坑的直径或沟槽的宽度一般在几十微米，凹坑的深度或槽深一般在几微 米) ，有些摩擦副材料硬度很高( 如机械密封环一般采用的s i c 材料) ，用一般方法很 难完成加工，且存在成本高、效率低、污染严重的问题。由于激光加工具有速度快、 能耗低、洁净度高、不受材料限制和易于实现自动控制等一系列不可替代的优点，非 常适合用于摩擦副工作表面的微观造型。本课题研究的目的就是要选择一种合适的激 光器，构建一套计算机数控系统，完成激光珩磨设备的开发，最终实现摩擦副表面可 控几何形貌的微观造型。通过本课题的研究，可形成“单脉冲同点间隔多次”激光微 加工工艺新方法；同时，推动激光在微细加工领域的应用，促进光电子产业的发展。 随着全球汽车工业的高度发展，石油这种不可再生能源的日益短缺以及汽车对于 环境造成的污染( 如排气污染和全球气候变暖等) 日益引起人们的重视。如何使汽车 变得更加节能、环保、安全是汽车工业所面临的三大课题。世界上重要工业化国家都 通过政府立法等形式，对汽车产品的能耗和排放作出了严格的规定。在控制汽车尾气 排放方面，我国也在行动，其进展之快超过了国外。缸套一活塞环是汽车发动机的关 键部件，它在很大程度上影响着发动机的性能和可靠性。节能、低污染、高可靠性发 动机，必然对缸套一活塞环提出更高、更苛刻的要求。而内燃机缸套一活塞环摩擦副 是一个典型的复杂摩擦学系统，它含有多种类型的摩擦和磨损，润滑、摩擦、磨损的 相互作用相当显著。缸套、活塞环磨损到一定程度就会出现功率下降、油耗增加、污 染严重等一系列问题，甚至需要进行大修或报废。因而提高缸套一活塞环摩擦副的摩 擦学性能对提高内燃机的可靠性和耐久性，保证内燃机经济、可靠地工作具有决定性 的作用。本课题就是通过研究和开发一套缸套一活塞环摩擦副表面的激光珩磨设备控 制系统，实现各种符合摩擦学特性的微观造型，从而提高缸套一活塞环摩擦副的摩擦 学性能。同时，该技术也可运用于其他摩擦副系统中，如机械密封环、凸轮顶杆、滑 动轴承等。 本课题的研究是在江苏省十五科技攻关项目( b e 2 0 0 1 0 1 3 ) 、国家自然科学基金 1 0 江苏大学硕士学位论文 一一- 项目( 5 0 4 7 5 1 2 2 ) 和江苏省高校自然科学研究计划重点项目( 0 3 k j a 4 6 0 0 2 0 ) 资助下 开展的。 江苏大学硕士学位论文 第二章激光珩磨设备的系统设计 2 1 激光珩磨设备的功能需求定位 本文所开发的激光珩磨设备的主要加工对象是发动机缸套，同时还要满足加工机 械密封端面、凸轮轴表面等要求。因此，控制系统需具备以下功能： a 、控制系统可以实现x 、y 、z 、w 四轴三联动和激光调q 控制，能够控制激光在 圆柱形桶类零件内外表面上均匀、连续的打点、刻槽( 包括交叉网纹图案) ： b 、能够在圆环类工件表面进行多种几何图案的造型； c 、能够在平面零件上进行多种几何图案的造型； d 、满足“单脉冲同点间隔多次”凹坑造型要求； e 、软件能够读取g 代码程序，具有友好的人机界面。 图2 1 所示为几种常见工件表面的激光珩磨示意图。 i 图2 - l ( a ) 发动机气缸套工作表面的典型激光珩磨示意图 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 2 激光珩磨的工艺特点 激光珩磨属于激光微加工，它与激光切割、激光焊接、激光表面改性等存在明显 差别。激光珩磨磨擦副表面不仅要求表面微造型形貌可控，而且加工质量要求相对较 高，同时又要满足高效、低成本的要求，因此本文所开发的激光珩磨设备在加工工艺 ( 包括加工方法和保护气体) 、所采用的控制系统等方面有它自身的特点。 2 2 1 加工方法 激光珩磨是从机械珩磨发展而来的，因此在加工方法方面有一定的继承性。在加 工工具方面，以非接触式的激光喷射头代替了接触式的珩磨头。从理论上说，激光珩 磨可采用激光反射镜回转和工件回转两种加工方法。在激光脉冲加工气缸套表面时， 反射镜的转角是不同的，垂直的激光加工点在缸套壁上回转，会得到不同的特性。而 反射镜回转可能会导致照射不足，光圈对角线必须小于照射光斑的最小棱角长度。一 个旋转光学系统的效率是一般总小于0 5 。因此本文所开发的激光珩磨设备采用的是 工件回转而反射镜固定的加工方法，如图2 2 所示。这样做的好处是：较小的光学系 统振荡激发；工件回转系统与激光放射系统无关；激光可以外部引导，便于增加辅助 江苏大学硕士学位论文 气体喷射装置；更加安全，因为激光脉冲总是向同一方向的。 2 2 2 运动与控制系统 图2 - 2 激光珩磨加工方法 件 目前国内用于数控激光加工机床的运动与控制系统可分为：通用c n c 系统和运 动控制卡系统。与通用c n c 系统相比，基于运动控制卡的数控系统具有系统开放性 好、配置灵活、结构简单、人机界面友好、二次开发方便、成本低廉等优点，越来越 有取代通用c n c 系统的趋势。因此，本文所开发的激光珩磨设备采用基于运动控制 卡的数控系统。 2 2 3 保护气体 当激光束照射到工件表面时，工件表面形成上千度的瞬时高温。对于一般金属来 讲，在此温度下它们将与空气中的氧气剧烈化合，生成该金属的氧化物，这将严重影 响激光珩磨加工工件的表面质量。同时，在激光珩磨加工过程中，必然有一部分金属 熔融后没有完全气化，这将导致熔渣的产生，影响微观形貌的质量。因此，在加工过 程中需向加工区吹保护气体( 如氮气) 。第一它可以将熔融金属从切缝中吹走，提高 1 4 江苏大学硕士学位论文 切口的表面质量；第二可挤开空气，防止氧化；第三吹散等离子体云，增加等离子体 中三体( e + e r 专e + a o ) 碰撞次数，降低等离子体中的电子密度，使等离子体维持在 紧靠表面的增强耦合状态。实践证明，利用氮气作为保护气体效果良好。 2 3 激光珩磨设备的系统建立 根据激光珩磨设备的功能需求及激光珩磨的工艺特点，从总体上构建了激光珩磨 设备系统。激光珩磨设备由四个主要部分组成，分别为激光器与光路部分、工作台部 分、用于控制激光器和工作台的控制部分和辅助装置，各部分的构成如图2 3 所示。 ( 1 ) 激光器与光路部分包括激光器结构、导光系统、c c d 监视系统、激光头 和激光器的控制。在激光器工作于脉冲方式时，激光器的控制是由对调q 开关的控制而实现的；而当激光器工作于连续光方式时，可通过光闸来控 制激光的输出。 ( 2 ) 工作台部分本部分包括三维移动导轨和旋转工作台。水平工作台在电机 x 和电机y 的带动下，完成在水平面的二维运动；电机z 驱动z 轴导轨， 从而带动激光头沿z 方向移动；电机0 驱动0 轴旋转工作台匀速运转。 ( 3 ) 控制部分包括对声光调q 开关的控制与运动控制系统的控制两部分。其 中根据激光珩磨设备的功能定位，对声光调q 开关的控制是至关重要的。 运动控制系统采用运动控制卡与工控机的方式，由运动控制卡向伺服电机 发送脉冲方向信号，控制电机运转；电机通过滚珠丝杠带动工作台移动。 ( 4 ) 辅助装置用于提供激光珩磨工艺过程所必需的辅助功能，主要是指保护 气体喷射装置和冷却系统。保护气体喷射装置用于吹去激光珩磨过程中生 成的熔融物质、降低加工区的温度、提高珩磨质量，同时还有保护激光头 的作用。通过控制气阀的开关来控制保护气体的输出。冷却系统用来向激 光器二极管模组提供冷却水循环。 江苏大学硕士学位论文 2 4 本章小结 图2 3 激光珩磨设备的系统构成 本章首先介绍了激光珩磨设备的功能需求定位，然后详细介绍了本课题所开发的 激光珩磨设备的系统建立。 激光珩磨设备的功能需求定位是本课题开发的依据。从总体上说，激光珩磨设备 由四个主要部分构成，分别为激光器与光路部分、工作台部分、用于控制激光器和工 作台的控制部分和辅助装置。其中控制部分是本设备的核心，承担着运动控制与调q 开关的联动协调控制。 1 6 江苏大学硕士学位论文 第三章激光珩磨设备的硬件开发 3 1 激光器的选择 3 1 1 固体激光器 自1 9 6 0 年第一台红宝石激光器问世以来，激光器的发展非常迅速。激光工作物 质包括晶体、玻璃、气体、液体及自由电子等数百种之多。激励方式有光激励、放电 激励、电激励、热激励、化学激励和核激励等多种方式。其中固体激光器和气体激光 器最为常用。固体激光器通常是以绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器，少量的过 渡金属或稀土离子掺入晶体或玻璃，经光泵激励后产生受激辐射作用。气体激光器以 气体或蒸汽为工作物质，通常采用气体放电泵浦方式。固体激光器和气体激光器的比 较如表3 1 所示【3 。 表3 1 固体激光器和气体激光器之比较 激光器类型工作物质激励方式优点 缺点典型激光器 固体激光器绝缘晶体或光激励离子浓度高，红宝石 玻璃易于获得大 n d ：y a g ， 能量输出钛宝石 气体激光器气体或蒸汽气体放电激方向性好体积庞大 氦氖，氩离 励单色性好 子，c 0 2 自由运转的固体激光器可分为连续固体激光器和脉冲固体激光器两类。能以连续 波的形式发射激光的固体激光器称为连续固体激光器。根据常用的几种固体激光器工 作物质的特性分析，它们的连续输出激光的性能有很大的差别。如红宝石只能在低温 条件下实现激光的连续输出，而且阈值很高，因此至今还没有制造出在室温下连续的 红宝石激光器。钕玻璃材料也难于在室温下连续运转。目前对于中小功率的连续固体 激光器仍以n d ：y a g 激光器为主。n d ：y a g 激光器阈值低，可以获得各种功率等级的 输出，因此得到广泛的研究和应用。 1 7 江苏大学硕士学位论文 脉冲固体激光器，首先根据要求选定激光器工作的脉冲频率，数分钟工作一次的 脉冲激光器为单次工作的激光器。每分钟工作数次到每秒钟工作数百次的脉冲激光器 为高重复频率脉冲激光器。根据红宝石、钕玻璃和n d ：y a g 三种激光材料的特性可知， 红宝石和钕玻璃做单次或低重频的脉冲激光器。而n d ：y a g 激光器不仅适合于连续运 转，而且在高重复频率脉冲运转中其性能也很优越。 3 1 2 二极管泵浦y a g 激光器 按照激光加工的应用类别分，可分为激光切割、激光焊接、激光打标、激光表面 改性、激光打孔和激光微加工等。当前用于激光加工的激光器主要有三类：c 0 2 、 n d ：y a g 和准分子( 心f 、a f t ) 激光器。随着半导体激光技术的迅速发展，使得二极 管激光器、二极管泵浦全固体化激光器已经进入材料加工业，特别是在微细加工中的 应用增长最快。 n d ：y a g 激光器采用掺钕钇铝石榴石( n d ：y a g ) 晶体作为工作物质，在这里， 参与整个激光过程的能级有四个，并且工作粒子( n d 3 + 离子) 在这些能级间具有如下的 跃迁特性( 如图3 1 所示【3 2 】) ： 4 3 1 图3 1 四能级系统原理图 1 ) 处于基态能级l 上的粒子被激发( 抽运) 到高能级4 上，这个过程的几率为w 1 4 。 2 ) 被抽运到能级4 上的粒子又以一定方式( 通常为非辐射跃迁) 迅速向另外一个较 低的激发态能级3 ( 亚稳态) 上，其非辐射跃迁几率为s 4 3 。 1 8 江苏大学硕士学位论文 3 ) 在亚稳态能级3 上的粒子有较长的寿命，因而易于实现粒子数积累。当粒子由 该能级向能级2 作自发辐射跃迁时，便产生普通的荧光辐射。自发辐射跃迁的 几率用a 3 2 表示。 4 ) 粒子通过辐射跃迁而到达能级2 后，就以一定方式比较迅速地转移到基态能级 l 上，我们用s 2 l 来表示这种非辐射跃迁的几率。同时，由于能级2 与能级1 之间的能量间隔远大于粒子的热运动能量k t ，因此粒子不可能因热运动而由 能级l 到达能级2 上。基于这两个原因，粒子不易在能级2 上集居。由此可见， 在外界激励下，能级3 与能级2 之间实现粒子数反转是比较容易的【3 3 1 。 固体激光器比较有效的泵浦源是半导体( 二极管) 激光器。激光二极管泵浦的主要 特点如下： 1 ) 提高了系统的效率。与闪光灯的发射带相比，在8 0 8 n m 时，激光二极管的发 射带与钕吸收带之间存在很好的光谱匹配，从而产生很高的泵浦效率。 2 ) 延长了元件的寿命。激光二极管泵浦固体激光器的系统寿命和可靠性，都优 于闪光灯泵浦。在连续工作时，激光二极管阵列的寿命是1 0 4 小时，大约发射 1 0 9 脉冲；闪光灯在连续工作时的寿命大约是5 0 0 小时，大约发射1 0 8 次。 3 ) 改善了光束质量。激光二极管泵浦激光器的发射和长波长钕吸收带之间的光 谱匹配减少了激光材料积聚的热量，从而降低了热效应，进而改善了光束质 量。此外，激光二极管辐射的方向性，使得有可能设计出泵浦辐射与低阶模 之间有良好的空间匹配的谐振腔，进而产生高亮度的激光输出。 4 ) 增大了脉冲重复率。准连续激光二极管除了具有闪光灯和弧光灯的低重复率 和连续运转特性外，还能够允许固体激光器在百赫兹到千赫兹的重复率范围 内产生脉冲运转。 5 ) 实现了激光系统的紧凑性。与灯泵浦源不同的是，激光二极管输出光束的方 向性好、发散角小，使得激光系统更为紧凑 3 3 ，3 4 1 。 本课题采用的激光器为二极管泵浦固体( d p s s ) y a g 激光器f l d 一1 5 ，具有聚焦 半径小、响应速度快、脉冲宽度窄、峰值功率高的特点。采用了世界上先进的模块制 造商c u t t i n ge d g eo p t r o n i c s 公司的r d 型号二极管模块。输出激光波长为1 0 6 4 n m 时 最大功率1 5 w ( 单模) 、波长为5 3 2 n m 时最大功率3 w 。具体参数如表3 2 所示。 1 9 江苏大学硕士学位论文 表3 - 2 激光器的技术指标 f l d 1 5 技术指标 激光器类型： d p s sq c wn d ：y a g 激光器 激光输出波长： 1 0 6 4n m 、5 3 2r l r f l 1 0 6 4n m ：1 5 w t e m l o o w m mc w 激光输出功率： 6 0 w m mq - c w 5 3 2n m ：3 w 重复频率： lk h z 5 0k h z 发散角： r 3 m r a d t e m o o 功率不稳定度： 3 脉冲宽度( 1 k h z ) 7 0 n s 激光器内部光路图如图3 2 所示，1 - 9 依次为输出镜、二极管模块、光闸、光阑、 调q 开关、全反镜、方向可调全反镜、方向可调全反镜、h e n e 激光装置。 l 567 图3 - 2 激光器内部光路图 声光调q 开关是激光光学系统中的一个重要组件，它通过阻断或不阻断光的谐振 信道来抑制或允许激光脉冲的产生。在不给压电换能器施加射频信号时，q 开关的石 英晶体保持其原有的常规特性，由宝石棒发射出来的平行光直接透过石英晶