专利名称：金属工件表面激光仿生强化方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属工件表面强化方法及装置，尤其涉及一种金属工件表面激光仿生强化方法及装置，属于金属材料加工技术领域。
背景技术：
仿生学近年来在材料领域开始研究及应用，在金属材料的设计制造领域非常具有前景。有许多金属零件因功能需要，既需要高的韧性又需要较高的硬度和强度，采用模仿生物表面软硬结合的组织可以实现所要求的性能。通常强度与韧性之间存在着制约关系，材料强度增加，总伴随着材料韧性的降低。 要求高强度的同时，又要求材料有较高的韧性，是很困难的。强韧化处理多种多样，但归结之后，基本都是通过高温淬火和高温回火、低温淬火等途径来取得强韧化效果的充分利用板条马氏体和下贝体组织形态，尽量减少片状马氏体；细化钢的奥氏体晶粒和过剩碳化物， 获得马氏体与具有良好塑性的第二相的复合组织。金属工件表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、电火花表面强化法、渗硼法、TD法、CVD法、PVD法、BRN法、激光表面强化法、等离子喷涂法等。但是，这些传统处理方法常会在工件表面形成残余张应力，降低工件的使用寿命，同时由于是对表面整体处理，效率低，成本较高。以典型的金属零件——模具型芯、型腔为例，研究表明，利用激光仿生强化技术在模具表面形成“软硬结合”的组织，可提高模具寿命至少50%以上，给企业带来巨大经济效益。例如中国专利申请200610016699. 6提出了一种通过在金属表面涂覆金属粉末，添加化学元素，利用激光加热实现仿生强化的工艺方法和制备装置。但是，由于其需在金属工件表面涂覆金属粉末，存在工艺复杂、成本高较高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属工件表面激光仿生强化方法及装置，直接利用激光对金属工件表面进行熔凝，在工件表面形成空间强化单元体骨架，改变熔凝区域的组织， 达到强化的目的，对具有空间复杂型面的金属工件表面进行数控加工，实现具有空间自由曲面的金属工件表面的仿生强化，以解决现有技术存在的工艺复杂、成本高的问题。为了实现上述目的，本发明提供的金属工件表面激光仿生强化方法包括以下步骤步骤1，针对金属工件表面容易发生破坏的部位，设计平面或空间曲线骨架；步骤2，根据设计的曲线骨架，利用激光加热的方法对金属工件表面进行熔凝，以形成仿生单元体。为了实现上述目的，本发明提供的金属工件表面激光仿生强化装置包括激光器， 用于发射激光以对金属工件表面进行加热；五自由度联动设备，包括工作台和立柱，所述工作台在水平面内具有互相垂直的X向、Y向平移自由度，所述立柱上部设有双摆头座，所述双摆头座具有垂直的Z向移动自由度，所述双摆头座上设有轴线竖直的第一旋转轴，所述第一旋转轴下端设有轴线水平的第二旋转轴，所述第一旋转轴的轴线和所述第二旋转轴的轴线垂直，所述激光器的激光头设于第二旋转轴上并使激光束始终与金属工件表面的法线一致；控制系统，与所述激光器和五自由度联动设备连接以控制、协调所述激光器和五自由度联动设备的动作，并根据预设的激光加工工艺参数和金属工件的空间网格、工件的外形和尺寸、单元体的几何形状对金属工件进行激光强化。对上述分析可知，本发明可以在金属工件表面形成软硬结合的结构，激光强化部位硬度高(比基体组织高5(T300HV)，耐磨性好，基体组织硬度较低，保持良好的韧性，对提高工件耐磨损、抗疲劳性能十分有利，实验表明，强化后的金属工件的寿命可提高广3倍。 本发明还可以针对不同的金属材料和不同的自由型面，通过选择不同的激光参数，获得不同宽度和深度的强化单元体，构成空间的强化曲线骨架，来满足被处理工件的性能要求。本发明提供的装置包括五自由度联动设备，自动化程度高，生产效率高。。
图1为本发明装置优选实施例运行时的结构简图2为本发明装置优选实施例的五自由度联动设备结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式
对本发明做进一步详细说明。图1和图2基本示出了本发明装置优选实施例的示意性结构，图1-图2所示的本发明金属工件表面激光仿生强化装置优选实施例包括图中示出的激光器的激光头J、五自由度联动设备以及未图示的控制系统。激光器的激光头J用于发射激光以对金属工件表面进行加热。由于激光器的结构及使用方法均为公知技术，在此不再赘述。如图2所示，五自由度联动设备包括工作台XY、床身1、双摆头座2、平衡配重吊索 3、立柱4和X向进给机构XI、Y向进给机构Yl、Z向进给机构Zl、B轴向进给机构Bi、C轴向进给机构Cl。Y向进给机构Yl安装在床身1上，X向进给机构Xl安装在Y向进给机构 Yl上，工作台XY上放置金属工件G。借此，工作台XY在水平面内具有互相垂直的X向、Y 向平移自由度，立柱4上部设置的双摆头座2具有垂直的Z向移动自由度。为了增加双摆头座2的平衡性，立柱4上方安装有平衡配重吊索3，与Z轴进给机构Zl相连。双摆头座2 上设有轴线竖直的由进给机构Cl驱动的旋转轴C2，旋转轴C2下端设有轴线水平的由进给机构Bl驱动的旋转轴B3，旋转轴C2的轴线和旋转轴B3的轴线垂直，激光器的激光头J设于旋转轴B3的支架B2上并使激光束始终与金属工件G表面的法线一致。控制系统与激光器和五自由度联动设备连接以控制、协调激光器和五自由度联动设备的动作，并根据预设的激光加工工艺参数和金属工件的空间网格、工件的外形和尺寸、 单元体的几何形状对金属工件进行激光强化。下面结合本发明装置优选实施例的使用，对本发明方法优选实施例做进一步说明。本发明对金属工件G表面进行仿生强化是模仿生物“软硬”结合的结构，在金属工件G表面通过激光熔凝加工形成一系列规律分布的单元体，这些单元体在金属工件G表面形成空间曲线骨架Q，而且具有与基体截然不同的组织，它们在工件表面会起到提高工件耐热疲劳和耐摩擦磨损性能的作用。在本发明装置优选实施例运行时，将待处理的金属工件G安装在两自由度工作台 XY之上。首先，针对金属工件G表面容易发生破坏的部位，设计空间曲线骨架Q，并预设在控制系统中。接着，在金属工件G表面，根据设计的空间曲线骨架Q，利用激光头J加热，进行仿生单元体的加工，根据不同的工件材料，需要设置的激光参数包括离焦量、电流、脉冲宽度、 频率、速度和路径方向。空间曲线骨架Q的宽度优选为0. 0广12mm，深度为0. 0广10mm，硬度 (HV)比金属基体材料可高达5(Γ400。激光头J按照空间曲线骨架Q对金属工件表面加热时，通过控制系统的控制，工作台XY由X向进给机构、Y向进给机构驱动进行两个方向的运动；激光头J经由B轴向进给机构Bl与C轴向进给机构Cl驱动，其具有两个旋转自由度， 再者双摆头座2具有Z向自由度，这样激光头J发射的激光束可以在复杂的金属工件G的表面任一点以与该点法线一致的方向加热。本发明装置实施例的控制系统包括计算机及其他信号转换、连接部件，该计算机可嵌入“激光仿生强化工艺数据库”。“激光仿生强化工艺数据库”的重要组成部分是加工工艺参数数据库，该数据库是对大量实验数据总结和优化。数据库中，每一条数据记录包括材料、激光和单元体的参数三部分，材料参数包括金属工件材料的牌号、原始显微组织，硬度； 激光参数包括激光器的频率、电流强度、脉宽、扫描速度，单元体参数包括单元体的分布规律、宽度、深度、硬度、处理后的显微组织。因此，本发明装置实施例的控制系统一方面可以根据用户要求的单元体尺寸，设置激光加工工艺参数；另一方面可以根据用户输入的信息， 包括工件的外形和尺寸、单元体的几何形状，设计好的空间网格，自动形成数控强化加工程序。本发明装置实施例在制造表面具有封闭框形强化单元分布形态的车辆盖板压铸模具时，根据模具基材和表面工作应力分布情况，对模具易于发生损坏的部位进行表面激光仿生强化，模具材料为SKD61，依据型腔几何表面曲率信息，用电流180Α、脉宽8ms，频率 5HZ、离焦量6. 5mm、速度0. 5mm/s、单点能量密度为418J的激光束垂直扫描模具型腔表面； 形成强化单元体宽度为0. 8mm、强化深度为0. 9mm为空间曲线骨架。加工测试后单元体硬度为600HV，比基体材料高9(T120V，耐磨性、热疲劳显著提高，具有激光仿生表面的模具使用寿命比强化前提高了 2倍。本发明装置实施例在制造表面具有矩形强化单元分布形态的车辆用底板压铸模具时，根据模具基材和表面工作应力分布情况，对模具易于发生损坏的部位进行表面激光仿生强化，模具材料为Η13，依据型腔几何表面曲率信息，用电流150Α、脉宽8ms，频率5HZ、 离焦量5. 0mm、速度0. 6mm/s、单点能量密度为333J的激光束垂直扫描模具型腔表面；形成强化单元体宽度为0. 7mm、强化深度为0. 8mm为空间曲线骨架。加工测试后单元体硬度为 590HV,比基体材料高8(T100V，耐磨性、热疲劳显著提高，具有激光仿生表面的模具使用寿命比强化前提高了 1.8倍。综上，本发明通过提供一种能有效提高金属工件表面抗热疲劳性和耐磨性的工艺方法及装置，可以针对不同的金属基体材料，采用合适的工艺参数，利用激光加热，使金属工件表面形成强化单元体形态为空间曲线骨架的工艺方法，强化单元分布符合仿生学原理，既保证了基材的韧性又提高了型腔表面的强度。借此，本发明可以有效提高金属表面抗热疲劳性和金属表面耐磨性，且性能价格比好，生产效率高。本发明提供的方法和装置相结合可以方便实现金属工件表面强化轨迹可控及激光参数的自适应调节，从而形成与金属基体组织结构不同的仿生强化单元，使工件使用寿命延长1-3倍，大大降低了生产成本。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
权利要求
1.一种金属工件表面激光仿生强化方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1 针对金属工件表面容易发生破坏的部位，设计平面或空间曲线骨架；步骤2 根据设计的曲线骨架，利用激光加热的方法对金属工件表面进行熔凝，以形成仿生单元体。
2.根据权利要求1所述的金属工件表面激光仿生强化方法，其特征在于，所述曲线骨架的宽度为0. 01 12mm，深度为0. 01 10mm。
3.一种金属工件表面激光仿生强化装置，其特征在于，包括激光器，用于发射激光对金属工件表面进行加热；五自由度联动设备，包括工作台和立柱，所述工作台在水平面内具有互相垂直的X向、 Y向平移自由度，所述立柱上部设有双摆头座，所述双摆头座具有垂直的Z向移动自由度， 所述双摆头座上设有轴线竖直的第一旋转轴，所述第一旋转轴下端设有轴线水平的第二旋转轴，所述第一旋转轴的轴线和所述第二旋转轴的轴线垂直，所述激光器的激光头设于第二旋转轴上并使激光束始终与金属工件表面的法线一致；控制系统，与所述激光器和五自由度联动设备连接以控制、协调所述激光器和五自由度联动设备的动作，并根据预设的激光加工工艺参数和金属工件的空间网格、工件的外形和尺寸、单元体的几何形状对金属工件进行激光强化。
4.根据权利要求3所述的金属工件表面激光仿生强化装置，其特征在于，所述立柱上方安装有平衡配重吊索，与所述双摆头座的进给机构连接。
全文摘要
本发明提供一种金属工件表面激光仿生强化方法及装置，该方法包括以下步骤步骤1，针对金属工件表面容易发生破坏的部位，设计平面或空间曲线骨架；步骤2，根据设计的曲线骨架，利用激光加热的方法对金属工件表面进行熔凝，以形成仿生单元体。本发明不但可以增强金属工件表面抗磨损性能、抗热疲劳性能，大幅度提高使用寿命，而且强化工艺简单、成本较低。
文档编号C21D1/09GK102392105SQ201110369559
公开日2012年3月28日 申请日期2011年11月21日 优先权日2011年11月21日
发明者刘立君, 华顺明, 张学昌, 王义强, 王晓军, 王龙山, 贾志欣, 郑堤 申请人:浙江大学宁波理工学院