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激光处理汽车零部件表面结构
《现代制造》 2015/02/10
    零部件微结构表面处理可以减少高负荷条件下工作零部件的摩擦和磨损。零部件通过激光处理使其表面结构微量化,从而改变了摩擦机理。因激光作用时间短,故可用于零部件的批量生产。目前,有一个专门开发此项技术潜力的研究项目。

    发动机、泵以及密封系统的使用寿命和性能受其负荷的影响很大。工业机器设备的运动零部件表面自始至终都处于摩擦状态,磨损很快。而润滑剂只能延缓磨损的过程,但无法安全阻止。目前,位于德国亚琛的Fraunhofer生产技术研究所(IPT)和7个合作伙伴(其中6个来自欧洲其他国家),共同研究一种减少高负荷条件下工作零部件表面摩擦的方法。


图1 用于对5+3轴的表面结构进行激光微化处理的超短脉冲激光机的机床。这种机床的原型是5轴机床,为了对在高负荷条件下工作的结构件表面进行3D结构处理,该项目的研究单位开发研制出了CAD/CAM 系统

    批量处理零部件表面结构
    该方法便是用激光将微结构置入泵和密封件的运动接触表面。这样,运动的零部件表面光滑,相互摩擦减少。此外,润滑剂的分布将更加均匀。这样,不仅降低了高负荷条件下工作零部件的磨损,并且提高了工作效率,降低了能源消耗。这个研究项目共有6个企业和两个研究机构参与,目标是使高负荷条件下工作零部件的3D表面激光微结构化方法能够在零部件批量的生产中得到应用。
    德国IPT是该项目的负责单位,其工业合作伙伴是德国激光生产厂家Edge Wave公司和零部件表面处理技术专家Helltec公司。该项目的其他欧洲合作伙伴有罗马尼亚的泵及液压设备生产厂家Hesper SA、西班牙Zaratamo的密封件生产厂家Juntas Besma SA、爱尔兰Douglas的Laser Age公司以及爱沙尼亚Harjumaa的专用泵生产厂家SNC Promex AS。作为该项目合作伙伴的另一家研究机构是西班牙工艺技术中心。

图2 零部件表面摩擦性能的改善与激光源的脉冲以及脉冲时间有关。进行激光微化处理时,激光束吸收的状况不同,激光微处理程序也随之变化
    激光处理使工件表面结构微量化
    该项目的合作伙伴中6家生产厂家共同试验激光处理,使工件的表面结构微量化,以改善高负荷条件下工作零部件的表面性能。西班牙工艺技术中心负责研究开发出一个模拟的高负荷工作环境,以确定未经激光处理的不同零部件表面的性能, 以便得出零部件进行激光处理后表面结构微量化的计算定律。如果能够对高负荷条件下工作的零部件表面进行激光处理实现批量作业,不仅仅是泵、发动机和密封件生产厂家从中获益,而且,该技术还可用于汽车、模型制作、食品、制药、化工以及能源等工业领域。IPT提供了两台设备用于工件表面结构微量化的研究,该设备带有3D、短脉冲和超短脉冲激光机。
    这两台设备是在5轴加工机床的基础上研发而来的。为了对原有的5轴加工机床进行改造, IPT与机床设备生产厂家密切合作,这些厂家是:Kern Micro-und Feinwerktechnik公司和GF Agie Charmilles公司。IPT在试验现场为5轴加工机床加装激光源,以确定激光照射的形状与导向。为了进行3D处理, IPT自行研发出了CAD/CAM试验环境。根据之前得到的几何形状数据,该软件能够计算出进入加工机床的激光束轨迹,激光束轨迹的数据由计算机的控制器接收。
    为了使高负荷工作条件下零部件的摩擦机理达到最佳化,这种激光处理技术将会得到越来越普遍地运用。如在内燃机上便达到了减少零部件磨损和降低能耗的良好效果。该研究项目在液压领域的研究工作也得以推进,降低了对高负荷工作条件下的液压零部件表面的磨损。在以往几年的研究工作中,激光处理使工件表面结构微量化的成果已得以显现。
    激光处理技术减少内燃机和泵的零部件磨损
    IPT研发的激光处理技术可以改善各种材质零部件的磨擦情况,后续的研究证明,激光处理技术可提高泵的潜在生产效率。IPT与其工业合作伙伴对泵的高负荷零部件表面进行了激光处理,在专门设计的检验装置上进行试验,如在轴向活塞表面置入微量结构,以测试激光结构微量化处理技术能否降低活塞与轴衬之间的摩擦。
    德国标准研究所(DIN)已将激光结构微量化处理技术列入了“激光束热摩擦”的标准章节。在这个程序中只使用脉冲激光束。在试验中,脉冲和激光能量的作用时间不同,吸收激光束后零部件的磨损程度也不同。一个零部件经微量处理对摩擦的改善仅需要几飞秒的激光束作用时间。在受到激光束影响时间约100ps(1ps = 10-12s),激光束的大部分热量通过结构件表面传入材料中。零部件受到激光束作用的部分其材料熔化,这种熔化现象会在结构件材料表面形成熔化凸起或熔化毛削,使得零部件表面质量下降,在很多情况下不得不停产以解决这种问题。采用激光结构微量化处理技术时,脉冲持续时间小于100ps,处理后的零部件表面质量优于脉冲持续时间较长的处理效果。
    而每次脉冲对零部件表面磨损性能的改善较微弱,因此,需要最大的激光能量时,人们便采用超短脉冲激光机,激光能量范围在100μJ以内。而现有的激光束源通常脉冲持续时间以毫微计算,激光能量为几百毫焦耳。每次脉冲改善结构件表面的磨损率通常会在一定程度上受较高的脉冲频率的影响。研究结果表明,对钢质工件进行激光结构微量化处理时,宜使用持续时间以ps为单位的激光源,以毫微微秒为单位的激光源目前还在工业中应用。

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