专利名称：仿生耦合铸铁导轨及其制作方法、废旧机床导轨再生方法
技术领域：
本发明属于铸铁导轨技术领域，涉及一种仿生耦合铸铁导轨及其制作方法，以及一种废旧机床导轨的再生方法。
背景技术：
在机械工业中，机床通常被称为工作母机，是机械制造业的基本加工设备，它的品种、性能、质量和技术水平直接影响着其他机电产品的性能、质量、生产技术水平和企业的经济效益。我国是世界上最大的机床消费市场，目前拥有约800万台机床，依照国际通用的3%的裁减率，每年裁减的旧机床约25万台，其金属总份量超越150万吨。对于一台老旧机床，一般有45% 80%以上的残留价值，主要是耐久性较强的床身、立柱、底座等。重新制造这些主体部件，需要消耗大量钢铁和能源。如果保留主体，修复或更换损坏部件，则可制造出与新设备同等质量甚至性能更好的设备。机床导轨作为机床中的重要部件同时也是易磨损的部件，它的再生对整个机床的再制造具有重大的意义。机床导轨失效多为疲劳磨损失效，导轨在数以万计的往复运动中，在工件载荷的压力下，会产生一定的弧度不再保持水平，从而无法保证加工精度；同时在机床的使用过程中，在导轨表面不可避免的将会出现点蚀，也将会影响机床的加工精度，造成机床的报废。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种具有优异力学性能和抗疲劳磨损性能的仿生耦合铸铁导轨。为了解决上述技术问题，本发明的仿生耦合铸铁导轨由导轨主体及其表面组织细化层构成；所述表面组织细化层上分布有纳米级马氏体单元体。本发明的表面组织细化层共晶团尺寸小，性能好。表面组织细化层上分布有组织细密、高硬度的纳米级马氏体单元体，单元体与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，单元体如同在导轨表层增加了坚固的桩钉或者加强筋，抵抗轨道的碾压，在导轨表面形成了保护导轨的抗压耐磨层，而母体材料将单元体包围连成一体，使导轨表面局部压力峰值分散受力更加均匀。本发明具有优异的力学性能和抗疲劳磨损性能。所述表面组织细化层的共晶团平均尺寸为0.01 0.3mm。所述表面组织细化层的深度Cl1为0.8_2mm。所述单兀体为圆柱状，其直径D为0.5 4mm,间距s为0.5 4mm,深度d2为0.1 0.8mmο所述单元体均匀分布或随机分布在表面组织细化层上。所述单元体呈条纹交叉分布构成的网格状；网格状单元体的条纹宽度w为0.5 4mm,间距s为0.5 4mm,倾斜角度α为O 90。，深度d2为0.1 1.5_。所述单元体的分布可以为圆柱状单元体或网格状单元体的单一分布，也可以为圆柱形单元体与网格形单元体混合分布。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种上述仿生耦合铸铁导轨的制作方法。为了解决上述技术问题，本发明的仿生耦合铸铁导轨制作方法包括下述步骤:步骤一，利用高频电脉冲对导轨进行处理，得到表面组织细化层2 ；步骤二，采用激光熔凝方法，在表面组织细化层上制备纳米级马氏体单元体。(权6)所述高频电脉冲触发电压为1000 6000mV，循环次数为5 25次，单脉冲循环时间为5 25msο所述单元体为圆柱状，激光熔凝方法采用激光器功率为300W，离焦量±5.5_，激光电流100 350mA，激光出光频率1Hz，激光光束驻留时间为I 2s，激光脉宽4 15ms。所述单元体为网格状，激光熔凝方法采用激光器功率为300W，离焦量±5.5_，激光电流100 350mA，激光出光频率5 15Hz，激光脉宽4 15ms，激光光束扫描速度为
0.5 6mm/s。本发明要解决的第三个技术问题是提供一种废丨日机床导轨的再生方法。为了解决上述技术问题，本发明的废旧机床导轨再生方法包括下述步骤:步骤一，对废旧机床导轨的表面进行机械切削获得一个平整的表面；步骤二，利用高频电脉冲对平整表面进行电脉冲预处理得到表面组织细化层；所述高频电脉冲触发电压为1000 6000mV，循环次数为5 25次，单脉冲循环时间为5 25ms ；步骤三，利用激光器对预处理过的导轨表面的设定区域进行扫描，使激光扫描区域的导轨表面材料快速熔化和凝结，得到纳米级马氏体单元体，最终在导轨表面形成分布有纳米级马氏体单元体的表面组织细化层；所述激光器功率为300W，离焦量±5.5_，激光电流100 350mA,激光脉宽4 15ms。当单元体为圆柱状时，激光出光频率为1Hz。当单元体为网格状时，激光出光频率为5 15Hz，激光光束扫描速度为0.5 6mm/s。在预想的修复过程中，首先处理不工整的导轨表面，在处理过程中，将会切削掉表面组织细密的部分，如果不对加工过的表面进行一定的处理手段，那么使用寿命将会大打折扣，故此处本发明采用高频电脉冲处理，使表面组织细化，达到甚至超过原先表面组织的性能，然后在其表面进行激光熔凝处理，获得组织更好，性能优良，高硬度的单元体，与表面组织形成软硬相间的仿生耦合区域。本发明的技术效果:通过对废旧机床导轨进行电脉冲处理，机床导轨表面组织的片状石墨变得卷曲，共晶团尺寸变小，达到细化晶粒，提高组织性能的目的，然后通过采用激光熔凝的方法，在处理过的废旧导轨表面制备按一定规律分布、具有细密组织、高硬度的圆柱形或网格形单元体，由这些单元体和机床导轨的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，作为导轨面的轨道，从而达到对废旧机床导轨的修复再生目的。采用激光熔凝制备的单元体其组织为纳米级的马氏体不同于母体，其机械性能、硬度等大大高于母体组织，软硬相见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者加强筋，抵抗轨道的碾压，在导轨表面形成了保护机床导轨的抗压耐磨层，而母体材料将单元体包围连成一体，使导轨表面局部压力峰值分散受力更加均匀，避免了机床在导轨报废后整体报废，或者更换新型导轨的损失，而且大大简化了机床导轨再生的生产工艺，降低了生产成本，提高生产效率，在废旧机床再生中有巨大的优势。
下面结合附图和具体实施方式
对作进一步详细说明。图1是本发明的仿生耦合铸铁导轨剖面图。图2是单元体为圆柱状时的导轨俯视图。图3是单元体为网格状时的导轨俯视图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的仿生耦合铸铁导轨由导轨主体I及其表面组织细化层2构成；所述表面组织细化层2上分布有纳米级马氏体单元体3。表面组织细化层2的共晶团平均尺寸为0.01 0.3_。表面组织细化层2的深度Cl1范围为0.8-2_。单元体3可以为圆柱状(如图2所不),其直径D为0.5 4mm,间距s为0.5 4mm,深度d2为0.1 0.8mm,圆柱状单元体均匀分布或随机分布在表面组织细化层2上。单元体3还可以呈条纹交叉分布构成的网格状(如图3所示)，网格状单元体的条纹宽度w为0.5 4mm，间距s为0.5 4mm，倾斜角度α (即条纹单元体与导轨轴线4之间的夹角)为O 90°，深度(12为0.1
1.5_。单元体3的分布还可以为圆柱状单元体与网格状单元体混合分布。上述仿生耦合铸铁导轨的制作方法详细步骤如下:步骤一，利用高频电脉冲对导轨进行处理，得到表面组织细化层2。高频电脉冲触发电压为1000 6000mV，循环次数(即通入电脉冲的次数)为5 25次，单脉冲循环时间(即单个电脉冲的持续时间)为5 25ms。得到的表面组织细化层2的共晶团平均尺寸为0.01 0.3mm,深度 Cl1 范围为 0.8_2mm。步骤一，采用激光熔凝技术，对预处理过的导轨表面进行激光扫描，使扫描过的区域母体材料快速熔化和凝结，最终在导轨表面形成纳米级马氏体单元体3 ;采用的激光器功率为300W，离焦量±5.5mm，激光电流100 350mA，激光脉宽4 15ms ;当单元体3为圆柱状时，激光出光频率为1Hz，激光光束驻留时间为I 2s ;当单元体3为网格状时，激光出光频率为5 15Hz，激光扫描速度为0.5 6mm/s。所述废旧机床导轨的再生方法具体包括下述步骤:步骤一，对废旧机床导轨的表面进行简单的机械切削获得一个平整的表面；步骤二，利用高频电脉冲对平整表面进行电脉冲预处理；经过高频电脉冲处理，导轨表面组织细化，组织性能提高，获得一个深度范围在0.8-2mm、共晶团平均尺寸为0.01
0.3mm的表面组织细化层2。所述高频电脉冲触发电压为1000 6000mV，循环次数(S卩通入电脉冲的次数)为5 25次，单脉冲循环时间(即每个电脉冲的持续时间)为5 25ms。步骤三，利用激光器对预处理过的导轨表面的设定区域进行扫描，使激光扫描区域的导轨表面材料快速熔化和凝结，得到纳米级马氏体单元体3，最终在导轨表面形成分布有纳米级马氏体单元体的表面组织细化层2 ;所述激光器功率为300W，离焦量±5.5_，激光电流100 350mA，激光脉宽4 15ms ;当单元体3为圆柱状时，激光出光频率为1Hz，激光光束驻留时间为I 2s ;当单元体3为网格状时，激光出光频率为5 15Hz，激光扫描速度为0.5 6mm/s。本发明可以通过对原导轨进行多元高能量束仿生耦合，不用更换废旧机床的导轨，也能够使废旧机床导轨能够继续保持加工精度要求。本发明的废旧机床导轨再生方法是在废旧机床导轨上经过简单的磨削，获得一个平整的表面，在组织细化层上采用激光熔凝技术，制备规律分布、具有碳化物组织、高硬度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，从而达到废旧机床导轨的再生的目的。生物体的进化是其自身适应自然并且趋向最优化的进化方向，通过对自然界中的一些具有优异抗疲劳磨损的生物的观察研究，我们发现它们具有如下的特征:1.它们都具有软硬相间的结构；2.该结构的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似的生物体具有优异的力学性能和抗疲劳磨损性能。由此本发明提出了采用激光熔凝技术来改善和修复废旧机床导轨，在其表面形成类似生物体中的硬质单元，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。然而由于废旧机床导轨在修复过程中将不可避免的去除表面的组织细密部分，会导致机床导轨母体的机械性能、硬度等大大的降低，故先采取高频电脉冲处理，使的母体材料的组织细化，从而达到甚至超过原母体的机械性能、硬度等指标。表1.C6140B型废旧机床导轨再生应用实例
权利要求
1.一种仿生耦合铸铁导轨，其特征在于由导轨主体(I)及其表面组织细化层(2)构成；所述表面组织细化层(2 )上分布有纳米级马氏体单元体(3 )。
2.根据权利要求1所述的仿生耦合铸铁导轨，其特征在于所述表面组织细化层(2)的共晶团平均尺寸为0.0l 0.3mm。
3.根据权利要求1或2所述的仿生耦合铸铁导轨，其特征在于所述表面组织细化层(2)的深度(I1 为 0.8_2mm。
4.根据权利要求3所述的仿生耦合铸铁导轨，其特征在于所述单元体(3)为圆柱状，其直径D为0.5 4mm,间距s为0.5 4mm,深度d2为0.1 0.8mm。
5.根据权利要求3所述的仿生耦合铸铁导轨，其特征在于所述单元体(3)呈条纹交叉分布构成的网格状；网格状单元体的条纹宽度w为0.5 4mm,间距s为0.5 4mm,倾斜角度α为O 90。，深度d2为0.1 1.5mm。
6.一种如权利要求1所述的仿生耦合铸铁导轨的制作方法，包括下述步骤: 步骤一，利用高频电脉冲对导轨进行处理，得到表面组织细化层(2); 步骤二，采用激光熔凝方法，在表面组织细化层上制备纳米级马氏体单元体。
7.根据权利要求6所述的仿生耦合铸铁导轨，其特征在于所述高频电脉冲触发电压为1000 6000mV，循环次数为5 25次，单脉冲循环时间为5 25ms。
8.根据权利要求6所述的仿生耦合铸铁导轨，其特征在于所述单元体为圆柱状，激光熔凝方法采用激光器功率为300W，离焦量±5.5mm，激光电流100 350mA，激光出光频率1Hz，激光光束驻留时间为I 2s，激光脉宽4 15ms。
9.根据权利要求6所述的仿生耦合铸铁导轨，其特征在于所述单元体为网格状，激光熔凝方法采用激光器功率为300W，离焦量±5.5mm，激光电流100 350mA，激光出光频率5 15Hz，激光脉宽4 15ms，激光光束扫描速度为0.5 6mm/s。
10.一种废旧机床导轨再生方法，包括下述步骤: 步骤一，对废旧机床导轨的表面进行机械切削获得一个平整的表面； 步骤二，利用高频电脉冲对平整表面进行电脉冲预处理得到表面组织细化层；所述高频电脉冲触发电压为1000 6000mV，循环次数为5 25次，单脉冲循环时间为5 25ms ； 步骤三，利用激光器对预处理过的导轨表面的设定区域进行扫描，使激光扫描区域的导轨表面材料快速熔化和凝结，得到纳米级马氏体单元体，最终在导轨表面形成分布有纳米级马氏体单元体的表面组织细化层；所述激光器功率为300W，离焦量±5.5mm，激光电流100 350mA，激光脉宽4 15ms，当单元体3为圆柱状时，激光出光频率为1Hz，激光光束驻留时间为I 2s ;当单元体3为网格状时，激光出光频率为5 15Hz，激光扫描速度为.0.5 6mm/s。
全文摘要
本发明涉及一种仿生耦合铸铁导轨及其制作方法，以及一种废旧机床导轨的再生方法。所述的铸铁导轨由导轨主体及其表面组织细化层构成；表面组织细化层上分布有纳米级马氏体单元体。所述仿生耦合铸铁导轨的制作方法、废旧机床导轨的再生方法主要包括下述步骤利用高频电脉冲对导轨进行处理，得到表面组织细化层；采用激光熔凝方法，在表面组织细化层上制备纳米级马氏体单元体。本发明单元体与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，单元体如同在导轨表层增加了坚固的桩钉或者加强筋，而母体材料将单元体包围连成一体，使导轨表面局部压力峰值分散受力更加均匀。本发明具有优异的力学性能和抗疲劳磨损性能。
文档编号B23Q1/01GK103111850SQ20131000395
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月6日 优先权日2013年1月6日
发明者周倜, 周宏 , 庞作波, 任露泉, 张志辉, 王传伟, 丛大龙, 孟超 申请人:吉林大学