专利名称：一种仿生耐磨高可靠性铸铁滚动机床导轨及其制作方法
技术领域：
本发明涉及提高在疲劳磨损工况条件下使用的滚动机床导轨服役可靠性的制造加工技术。也涉及一种用机床床身兼做机床导轨的铸铁滚动机床导轨。
背景技术：
目前，机床导轨可分为三类，一是铸铁静压导轨，它是直接在铸铁的床身上加工形成，工作时在导轨和工作台中间通压力油，靠压力油的静压起支撑作用，完成支撑工作台移动的任务。二是镶钢滚动导轨，工作台下装有滚架，滚架上的滚轴在导轨上滚动使工作台水平移动，由于滚轴压在导轨上的压力峰值较大，铸铁材料本身较软用床身直接做导轨承受不了滚轴的压力，而是采用在铸铁的床身上镶上钢板作为滚动导轨，镶钢导轨有两种，一种是整个导轨都是钢的，还有一种是在铸铁导轨上滚轴滚动的部位加工出槽，在槽上镶上钢作为导轨。第三种导轨是V形钢导轨，是使工作台做垂直上下移动的导轨。三种导轨中镶钢的滚动导轨生产工艺最为复杂，大大提高了生产成本影响工作效率，其可靠性也相对最差， 因为镶上的钢导轨牢固程度直接影响导轨的可靠性，尽管做了很多工作仍然经常出问题， 这个问题一直是机床导轨研究的焦点。因此，开发一种能够使铸铁具有钢导轨的性能，替代镶钢导轨的铸铁导轨有非常的实用价值，对提高机床的可靠性也具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是突破从整体或整个表面进行处理改善机床导轨性能的传统理念， 开发出一种更为合理、行之有效的提高在疲劳磨损工况条件下使用的一种仿生耐磨高可靠性铸铁滚动机床导轨及其制作方法。本发明的上述目的通过以下技术方案实现一种仿生耐磨高可靠性铸铁滚动机床导轨，所述导轨与铸铁机床底座为一体，在导轨面上的滚动部位，采用激光熔敷法，制备规律分布、具有碳化物组织、高硬度并于导轨母体呈冶金结合的圆柱形和网格形单元体，这些单元体和机床导轨母体共同构成软硬相间的仿生物体结构的仿生耦合区域，所述激光熔敷是在单元体上均勻涂覆有合金粉末，通过激光直接照射熔化后再快速凝固，获得组织不同于母体的微米级碳化物、马氏体、合金碳化物、WC或TiC，硬度要求HV630-1150。所述单元体直径为1 3mm之间均勻分布或随机分布的斑点状；或宽度为1 2mm,间距为1 3mm，倾斜角度为0 90°，深度为0. 2mm的条纹状交叉分布构成网格状单元体。所述合金粉末包括WC、TiC、重量百分比为C 1. 0-3. 2、Cr 50-69、余量为铁的高铬合金或重量百分比为C 0. 8-1. 0、V50-55、余量为铁的钒铁合金，合金粉末涂覆厚度为 0. 3mm,导轨母材和表面涂覆的材料经激光照射熔化后混合，单元体组织为碳化物+马氏体 +WC或TiC，熔敷WC硬度要求HVl 100-1150，熔敷TiC硬度要求HVl 150-1200，熔敷高铬合金的单元体组织为微米级的合金碳化物和马氏体，熔敷高铬合金硬度要求HV750-850，熔敷钒铁合金硬度要求HV850-900。
所述的激光熔敷采用离焦量士 4. 5mm，激光电流100_300mA，激光照射频率 5-lOHz，激光脉宽5-lOms的激光光束。
所述圆柱形单元体的分布为单一尺寸分布或不同尺寸混合分布。
所述网格形单元体的分布为单一尺寸分布或不同尺寸混合分布。
所述单一尺寸的圆柱形单元体与单一尺寸网格形单元体按混合分布，或不同尺寸的圆柱形单元体与不同尺寸的网格形单元体混合分布，或单一尺寸的圆柱形单元体与不同尺寸的网格形单元体混合分布，或不同尺寸的圆柱形单元体与单一尺寸网格形单元体混合分布。
一种仿生耐磨高可靠性铸铁滚动机床导轨制作方法，按以下步骤进行
步骤一，根据不同的机床导轨所需的表面硬度以及其受力大小，选择不同硬度对应的合金粉末；
步骤二，利用玻璃水将合金粉末以0. 3mm的厚度均勻涂抹在导轨表面，涂抹痕迹为网格型或者斑点状
步骤三，控制激光器以不同的激光参数和运动方式对涂有合金粉末的导轨表面进行扫描，使母材与合金粉末同时熔化，最终在导轨表面形成仿生单元体。
本发明的技术效果通过激光熔凝(敷)的方法，直接在铸铁床身上滚动轨道滚动的部位处，制备按一定规律分布、具有碳化物组织、高硬度和导轨母体呈冶金结合的圆柱形或网格形单元体，由这些单元体和机床导轨母体共同构成软硬相间的类似生物体结构的仿生耦合区域，作为导轨面的滚动轨道，替代原来在机床底座上整体镶钢或局部镶钢的导轨。 采用这种方法制备的仿生耦合单元体其组织为微米级的碳化物和马氏体不同于母体，其机械性能、硬度等大大高于母体材料，软硬相间的仿生物体结构相互衬托发挥作用，单元体如同在导轨表层增加了坚固的桩钉或加强筋，抵抗滚动轨道滚轴的碾压，在导轨表面形成了保护机床导轨的抗压耐磨层，单元体周围包缚的母材将单元体连成一体，使得导轨表面局部压力峰值分散受力均勻，打破了铸铁材料硬度低不耐压不耐磨不能单独作为导轨轨面使用的限制，克服了原来在机床底座上整体镶钢或局部镶钢导轨、生产工艺复杂、成本高、易脱落剥离等缺点。使导轨服役的故障率大幅度降低，同时，也大大简化生产工艺，降低了生产成本，提高了生产效率。
图1单元体在导轨表面呈网格状分布。
图2单元体在导轨表面呈斑点状即圆柱状分布。
具体实施方式
下面结合实例进一步说明本发明的具体内容。
生物经过亿万年的进化，不仅能够适应自然，而且其进化程度接近完善，他们一些奇妙的功能远远超过人类自身先前的设计，并逐渐成为解决疑难工程问题的答案。本发明通过观察自然界具有优异抗疲劳磨损的生物，发现他们有如下的特征
1.它们都具有软硬相交替的结构；
2.该结构中硬质单元自身可以有不同的分布形态；3.硬质单元的相对高硬度均来自其与软质单元的组成材料或组织结构差别。这种形态、结构和组成材料的有机耦合使得生物具有优异的力学性能和抗疲劳磨损功能。由此本发明提出了采用激光熔凝(敷)技术，在铸铁床身表层加工形成类似生物体中硬质单元，获得其组织不同于母体，机械性能、硬度等大大高于母体的单元体， 在部件表层增加了坚固的桩钉或加强筋的特殊结构。其和其他激光仿生处理的发明不同(具有仿生非光滑表面的模具Z1200410011036. 6 ；具有仿生非光滑表面的制动鼓zl 200410011355. 7)，一、本发明单元体和材料表面处于同一平面。二、控制单元体嵌入材料表层的深度不相同，这样通过单元体传给母材的压力不会作用在同一面上，使其受力均勻。 三、单元体的分布设计是依据表面承受压力设计的，单元体的硬度和单位压强是设计的基础。四、解决的问题不同，其他是解决磨粒磨损，本发明是解决疲劳磨损。表1. TK(H) 6916系列落地铣镗加工中心导轨应用实例
权利要求
1.一种仿生耐磨高可靠性铸铁滚动机床导轨，其特征在于，所述导轨与铸铁机床底座为一体，在导轨面上的滚动部位，采用激光熔敷法，制备规律分布、具有碳化物组织、高硬度并于导轨母体呈冶金结合的圆柱形和网格形单元体，这些单元体和机床导轨母体共同构成软硬相间的仿生物体结构的仿生耦合区域，所述激光熔敷是在单元体上均勻涂覆有合金粉末，通过激光直接照射熔化后再快速凝固，获得组织不同于母体的微米级碳化物、马氏体、 合金碳化物、WC或TiC，硬度要求HV630-1150。
2.根据权利要求1所述的一种仿生耐磨高可靠性铸铁滚动机床导轨，其特征在于，所述单元体直径为1 3mm之间均勻分布或随机分布的圆柱状；或宽度为1 2mm，间距为 1 3mm，倾斜角度为0 90°，深度为0. 2mm的条纹状交叉分布构成网格状单元体。
3.根据权利要求1或2所述的一种仿生耐磨高可靠性铸铁滚动机床导轨，其特征在于， 所述合金粉末包括WC、TiC、重量百分比为C 1. 0-3. 2、Cr 50-69、余量为铁的高铬合金或重量百分比为C 0. 8-1. 0、V50-55、余量为铁的钒铁合金，合金粉末涂覆厚度为0. 3mm，导轨母材和表面涂覆的材料经激光照射熔化后混合，单元体组织为碳化物+马氏体+WC或TiC， 熔敷WC硬度要求HVl 100-1150，熔敷TiC硬度要求HVl 150-1200，熔敷高铬合金的单元体组织为微米级的合金碳化物和马氏体，熔敷高铬合金硬度要求HV750-850，熔敷钒铁合金硬度要求 HV850-900。
4.根据权利要求1所述的一种仿生耐磨高可靠性铸铁滚动机床导轨，其特征在于，所述的激光熔敷采用离焦量士4. 5mm，激光电流100_300mA，激光照射频率5_10Hz，激光脉宽 5-10ms的激光光束。
5.根据权利要求1所述的一种仿生耐磨高可靠性铸铁滚动机床导轨，其特征在于，所述圆柱形单元体的分布为单一尺寸分布或不同尺寸混合分布。
6.根据权利要求1所述的一种仿生耐磨高可靠性铸铁滚动机床导轨，其特征在于，所述网格形单元体的分布为单一尺寸分布或不同尺寸混合分布。
7.根据权利要求1所述的一种仿生耐磨高可靠性铸铁滚动机床导轨，其特征在于，所述单一尺寸的圆柱形单元体与单一尺寸网格形单元体按混合分布，或不同尺寸的圆柱形单元体与不同尺寸的网格形单元体混合分布，或单一尺寸的圆柱形单元体与不同尺寸的网格形单元体混合分布，或不同尺寸的圆柱形单元体与单一尺寸网格形单元体混合分布。
8.如权利要求1所述的一种仿生耐磨高可靠性铸铁滚动机床导轨制作方法，其特征在于，按以下步骤进行步骤一，根据不同的机床导轨所需的表面硬度以及其受力大小，选择不同硬度对应的合金粉末；步骤二，利用玻璃水将合金粉末以0. 3mm的厚度均勻涂抹在导轨表面，涂抹痕迹为网格型或者斑点状步骤三，控制激光器以不同的激光参数和运动方式对涂有合金粉末的导轨表面进行扫描，使母材与合金粉末同时熔化，最终在导轨表面形成仿生单元体。
全文摘要
本发明涉及一种仿生耐磨高可靠性铸铁滚动机床导轨及其制作方法。导轨与铸铁机床底座为一体，在导轨面上的滚动部位，采用激光熔敷法，制备规律分布、具有碳化物组织、高硬度并于导轨母体呈冶金结合的圆柱形和网格形单元体，这些单元体和机床导轨母体共同构成软硬相间的仿生物体结构的仿生耦合区域。激光熔敷法是在单元体上均匀涂覆有合金粉末，通过激光直接照射熔化后再快速凝固，获得组织不同于母体的微米级碳化物、马氏体、合金碳化物、WC或TiC，硬度要求HV630-1150。本发明打破了铸铁导轨轨面硬度低不耐压不耐磨不能单独使用的限制，克服了原来在机床底座上整体镶钢或局部镶钢导轨，生产工艺复杂、成本高、易脱落剥离等缺点。
文档编号B23Q1/01GK102501077SQ20111036158
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者任露泉, 周倜, 周宏 , 苗淼 申请人:吉林大学