金屬工件表面激光仿生強化方法及裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術提供一種金屬工件表面激光仿生強化方法及裝置，該方法包括以下步驟：步驟1，針對金屬工件表面容易發生破壞的部位，設計平面或空間曲線骨架；步驟2，根據設計的曲線骨架，利用激光加熱的方法對金屬工件表面進行熔凝，以形成仿生單元體。本發明專利技術不但可以增強金屬工件表面抗磨損性能、抗熱疲勞性能，大幅度提高使用壽命，而且強化工藝簡單、成本較低。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種金屬工件表面強化方法及裝置，尤其涉及一種金屬工件表面激光仿生強化方法及裝置，屬于金屬材料加工

技術介紹
仿生學近年來在材料領域開始研究及應用，在金屬材料的設計制造領域非常具有前景。有許多金屬零件因功能需要，既需要高的韌性又需要較高的硬度和強度，采用模仿生物表面軟硬結合的組織可以實現所要求的性能。通常強度與韌性之間存在著制約關系，材料強度增加，總伴隨著材料韌性的降低。 要求高強度的同時，又要求材料有較高的韌性，是很困難的。強韌化處理多種多樣，但歸結之后，基本都是通過高溫淬火和高溫回火、低溫淬火等途徑來取得強韌化效果的充分利用板條馬氏體和下貝體組織形態，盡量減少片狀馬氏體；細化鋼的奧氏體晶粒和過剩碳化物， 獲得馬氏體與具有良好塑性的第二相的復合組織。金屬工件表面強化處理工藝主要有氣體氮化法、離子氮化法、電火花表面強化法、滲硼法、TD法、CVD法、PVD法、BRN法、激光表面強化法、等離子噴涂法等。但是，這些傳統處理方法常會在工件表面形成殘余張應力，降低工件的使用壽命，同時由于是對表面整體處理，效率低，成本較高。以典型的金屬零件——模具型芯、型腔為例，研究表明，利用激光仿生強化技術在模具表面形成“軟硬結合”的組織，可提高模具壽命至少50%以上，給企業帶來巨大經濟效益。例如中國專利申請200610016699. 6提出了一種通過在金屬表面涂覆金屬粉末，添加化學元素，利用激光加熱實現仿生強化的工藝方法和制備裝置。但是，由于其需在金屬工件表面涂覆金屬粉末，存在工藝復雜、成本高較高的問題。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種金屬工件表面激光仿生強化方法及裝置，直接利用激光對金屬工件表面進行熔凝，在工件表面形成空間強化單元體骨架，改變熔凝區域的組織， 達到強化的目的，對具有空間復雜型面的金屬工件表面進行數控加工，實現具有空間自由曲面的金屬工件表面的仿生強化，以解決現有技術存在的工藝復雜、成本高的問題。為了實現上述目的，本專利技術提供的金屬工件表面激光仿生強化方法包括以下步驟步驟1，針對金屬工件表面容易發生破壞的部位，設計平面或空間曲線骨架；步驟2，根據設計的曲線骨架，利用激光加熱的方法對金屬工件表面進行熔凝，以形成仿生單元體。為了實現上述目的，本專利技術提供的金屬工件表面激光仿生強化裝置包括激光器， 用于發射激光以對金屬工件表面進行加熱；五自由度聯動設備，包括工作臺和立柱，所述工作臺在水平面內具有互相垂直的X向、Y向平移自由度，所述立柱上部設有雙擺頭座，所述雙擺頭座具有垂直的Z向移動自由度，所述雙擺頭座上設有軸線豎直的第一旋轉軸，所述第一旋轉軸下端設有軸線水平的第二旋轉軸，所述第一旋轉軸的軸線和所述第二旋轉軸的軸線垂直，所述激光器的激光頭設于第二旋轉軸上并使激光束始終與金屬工件表面的法線一致；控制系統，與所述激光器和五自由度聯動設備連接以控制、協調所述激光器和五自由度聯動設備的動作，并根據預設的激光加工工藝參數和金屬工件的空間網格、工件的外形和尺寸、單元體的幾何形狀對金屬工件進行激光強化。對上述分析可知，本專利技術可以在金屬工件表面形成軟硬結合的結構，激光強化部位硬度高(比基體組織高5(T300HV)，耐磨性好，基體組織硬度較低，保持良好的韌性，對提高工件耐磨損、抗疲勞性能十分有利，實驗表明，強化后的金屬工件的壽命可提高廣3倍。 本專利技術還可以針對不同的金屬材料和不同的自由型面，通過選擇不同的激光參數，獲得不同寬度和深度的強化單元體，構成空間的強化曲線骨架，來滿足被處理工件的性能要求。本專利技術提供的裝置包括五自由度聯動設備，自動化程度高，生產效率高。。附圖說明圖1為本專利技術裝置優選實施例運行時的結構簡圖2為本專利技術裝置優選實施例的五自由度聯動設備結構示意圖。具體實施例方式下面結合附圖及具體實施方式對本專利技術做進一步詳細說明。圖1和圖2基本示出了本專利技術裝置優選實施例的示意性結構，圖1-圖2所示的本專利技術金屬工件表面激光仿生強化裝置優選實施例包括圖中示出的激光器的激光頭J、五自由度聯動設備以及未圖示的控制系統。激光器的激光頭J用于發射激光以對金屬工件表面進行加熱。由于激光器的結構及使用方法均為公知技術，在此不再贅述。如圖2所示，五自由度聯動設備包括工作臺XY、床身1、雙擺頭座2、平衡配重吊索 3、立柱4和X向進給機構XI、Y向進給機構Yl、Z向進給機構Zl、B軸向進給機構Bi、C軸向進給機構Cl。Y向進給機構Yl安裝在床身1上，X向進給機構Xl安裝在Y向進給機構 Yl上，工作臺XY上放置金屬工件G。借此，工作臺XY在水平面內具有互相垂直的X向、Y 向平移自由度，立柱4上部設置的雙擺頭座2具有垂直的Z向移動自由度。為了增加雙擺頭座2的平衡性，立柱4上方安裝有平衡配重吊索3，與Z軸進給機構Zl相連。雙擺頭座2 上設有軸線豎直的由進給機構Cl驅動的旋轉軸C2，旋轉軸C2下端設有軸線水平的由進給機構Bl驅動的旋轉軸B3，旋轉軸C2的軸線和旋轉軸B3的軸線垂直，激光器的激光頭J設于旋轉軸B3的支架B2上并使激光束始終與金屬工件G表面的法線一致。控制系統與激光器和五自由度聯動設備連接以控制、協調激光器和五自由度聯動設備的動作，并根據預設的激光加工工藝參數和金屬工件的空間網格、工件的外形和尺寸、 單元體的幾何形狀對金屬工件進行激光強化。下面結合本專利技術裝置優選實施例的使用，對本專利技術方法優選實施例做進一步說明。本專利技術對金屬工件G表面進行仿生強化是模仿生物“軟硬”結合的結構，在金屬工件G表面通過激光熔凝加工形成一系列規律分布的單元體，這些單元體在金屬工件G表面形成空間曲線骨架Q，而且具有與基體截然不同的組織，它們在工件表面會起到提高工件耐熱疲勞和耐摩擦磨損性能的作用。在本專利技術裝置優選實施例運行時，將待處理的金屬工件G安裝在兩自由度工作臺 XY之上。首先，針對金屬工件G表面容易發生破壞的部位，設計空間曲線骨架Q，并預設在控制系統中。接著，在金屬工件G表面，根據設計的空間曲線骨架Q，利用激光頭J加熱，進行仿生單元體的加工，根據不同的工件材料，需要設置的激光參數包括離焦量、電流、脈沖寬度、 頻率、速度和路徑方向。空間曲線骨架Q的寬度優選為0. 0廣12mm，深度為0. 0廣10mm，硬度 (HV)比金屬基體材料可高達5(Γ400。激光頭J按照空間曲線骨架Q對金屬工件表面加熱時，通過控制系統的控制，工作臺XY由X向進給機構、Y向進給機構驅動進行兩個方向的運動；激光頭J經由B軸向進給機構Bl與C軸向進給機構Cl驅動，其具有兩個旋轉自由度， 再者雙擺頭座2具有Z向自由度，這樣激光頭J發射的激光束可以在復雜的金屬工件G的表面任一點以與該點法線一致的方向加熱。本專利技術裝置實施例的控制系統包括計算機及其他信號轉換、連接部件，該計算機可嵌入“激光仿生強化工藝數據庫”。“激光仿生強化工藝數據庫”的重要組成部分是加工工藝參數數據庫，該數據庫是對大量實驗數據總結和優化。數據庫中，每一條數據記錄包括材料、激光和單元體的參數三部分，材料參數包括金屬工件材料的牌號、原始顯微組織，硬度； 激光參數包括激光器的頻率、電流強度、脈寬、掃描速度，單元體參數包括單元體的分布規律、寬度、深度、硬度、處理后的顯微組織。因此，本專利技術裝置實施例的控制系統一方面可以根據用戶要求本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王義強，賈志欣，鄭堤，王龍山，張學昌，華順明，王曉軍，劉立君，
申請(專利權)人：浙江大學寧波理工學院，
類型：發明
國別省市：