采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓的制作方法

本发明属于铸铁制动鼓技术领域，涉及一种采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓。

背景技术：

铸铁具有一定的强度和良好的摩擦学特性，且铸造性能较好，尤其是材料和制造成本低廉，因此长期以来一直为制动鼓所用。近年来，随着路面质量和车辆技术的发展，卡车的平均时速越来越高，在山区等复杂路面中运行时，由于制动力矩大，制动频繁，制动鼓负荷更大，经常提早失效，给卡车的安全行驶造成了极大危害。首先，仿生学是研究生物系统的结构、形状、原理、行为、以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。仿生耦合的定义是将两种或两种以上仿生体系耦合，构建成以低能量获取最大环境适应性为特征的人工技术集成体系。激光的使用是因为激光本身具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等优良特性，常用的激光表面强化技术主要包括激光相变硬化、激光熔凝、激光合金化和激光熔敷。激光相变硬化是指应用激光将金属材料表面加热到相变点温度以上，随着材料自身冷却，使材料表层硬化，同时在硬化层内残留相当大的压应力，从而增加材料表面的疲劳强度。激光熔凝是采用近于聚焦的激光束照射材料使其表层熔化，依靠基体自身冷却快速凝固，熔凝层形成的组织非常细密，可以增强材料表层的耐磨性和耐蚀性。激光合金化是一种用激光将合金粉末和基材一起熔化后迅速凝固在表面获得合金层的方法，这种方法既改变了材料表层的化学成分，又改变了其结构和物理状态，可以使廉价的铸铁获得良好的表面性能。激光熔敷是使预敷层全部熔化，基材微熔，结合处被熔化的基材稀释。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效抵抗磨损，防御热疲劳裂纹萌生，提高了使用寿命的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓。

为了解决上述技术问题，本发明的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓采用下述三种技术方案。

技术方案一

本发明的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓，其内表面制备有横条纹仿生单元体和斜条纹仿生单元体；横条纹仿生单元体位于制动鼓内壁上部，呈圆环形，且圆环形横条纹仿生单元体与制动鼓底面平行；斜条纹仿生单元体位于制动鼓内壁横条纹仿生单元体以下的部分；两种仿生单元体与制动鼓母材面的高度差为t，－0.2mm≤t≤+0.2mm；在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的25％～10％，仿生单元体深度h在0.6-1.4mm之间，宽度w在1.0-1.8mm之间。

所述斜条纹仿生单元体在制动鼓纵截面上的投影与制动鼓底面呈45°角，且相邻斜条纹仿生单元体之间的弧线距离为100mm。

所述斜条纹仿生单元体在制动鼓纵截面上的投影与制动鼓底面呈45°角，且相邻斜条纹仿生单元体之间的弧线距离为50mm。

所述制动鼓内壁上部制备有3-4条横条纹仿生单元体。

技术方案二

本发明的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓，其内表面制备有横条纹仿生单元体和网状仿生单元体；横条纹仿生单元体位于制动鼓内壁上部，呈圆环形，且圆环形横条纹仿生单元体与制动鼓底面平行；网状仿生单元体位于制动鼓内壁横条纹仿生单元体以下的部分；网状仿生单元体和横条纹仿生单元体与制动鼓母材面的高度差为t，－0.2mm≤t≤+0.2mm；在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的25％～10％，仿生单元体深度h在0.6-1.4mm之间，宽度w在1.0-1.8mm之间。

构成网状仿生单元体的A条纹仿生单元体和B条纹仿生单元体在制动鼓纵截面上的投影与制动鼓底面分别呈45°角和135°角，且相邻A条纹仿生单元体之间、相邻B条纹仿生单元体之间的弧线距离均为100mm。

构成网状仿生单元体的A条纹仿生单元体和B条纹仿生单元体在制动鼓纵截面上的投影与制动鼓底面分别呈45°角和135°角，且相邻A条纹仿生单元体之间、相邻B条纹仿生单元体之间的弧线距离均为50mm。

所述制动鼓内壁上部制备有3-4条横条纹仿生单元体。

技术方案三

本发明的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓，其内表面制备有横条纹仿生单元体和网状仿生单元体；横条纹仿生单元体位于制动鼓内壁上部，呈圆环形，且圆环形横条纹仿生单元体与制动鼓底面平行；网状仿生单元体制备于横条纹仿生单元体以下的部分；制动鼓内壁高度在制动鼓高度H的1/3以下的部分，构成网状仿生单元体的A条纹仿生单元体和B条纹仿生单元体在制动鼓纵截面上的投影与制动鼓底面分别呈45°角和135°角，且相邻A条纹仿生单元体之间的、相邻B条纹仿生单元体之间的弧线距离为100mm；制动鼓内壁高度在(1/3～2/3)H的部分构成网状仿生单元体的A条纹仿生单元体和B条纹仿生单元体在制动鼓纵截面上的投影与制动鼓底面分别呈45°角和135°角，且相邻A条纹仿生单元体之间、相邻B条纹仿生单元体之间的弧线距离为50mm；网状条纹仿生单元体和横条纹仿生单元体与制动鼓母材面的高度差为t，－0.2mm≤t≤+0.2mm；在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的25％～10％，仿生单元体深度h在0.6-1.4mm之间，宽度w在1.0-1.8mm之间。

制备制动鼓内表面仿生单元体所用的激光器，其电流为115～155A，脉宽为4.5～8.5ms，频率为8HZ，离焦量9.6～10cm，扫描速度为1.2mm/s。

制备制动鼓内表面仿生单元体所用的激光器，其优选电流为135A，脉宽为6.5ms，频率为8HZ，离焦量9.8cm，扫描速度为1.2mm/s。

本发明针对重载复杂路面用铸铁制动鼓的磨损和热疲劳开裂失效情况，采用激光表面处理技术在鼓内表面制备出不同结构与形状组合式仿生耦合表面，改善了制动鼓耐磨和抗热疲劳性能。

由于制动鼓在使用期间不同部位的失效情况不同，采用一种仿生耦合模型对制动鼓内部的性能提升程度有限。本发明采用两种仿生耦合模型相互作用、互补不足，在制动鼓内壁的斜条纹仿生单元体或网状仿生单元体的上部，添加横条纹状仿生单元体，可以有效阻止裂纹向制动鼓边缘扩展。

根据制动鼓在使用期间不同部位的失效情况不同,裂纹萌生主要处在制动鼓内壁上部，并随使用时间的推移裂纹向下扩展至制动鼓内壁2/3处出现贯穿裂纹。针对这种情况，本发明在制动鼓内壁上部采用0°角横条纹仿生单元体，制动鼓内壁下1/3处采用45°角、间距为100mm的斜条纹仿生单元体，在横条纹仿生单元体与斜条纹仿生单元体之间采用网状仿生单元体，可以有效达到抵抗磨损，防御热疲劳裂纹萌生的目的。

本发明提供一种采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓。在制动鼓内表面加工出类似生物体表不同形状的仿生耦合单元体，单元体与母材所组成的不同组织、结构的耐磨抗疲劳表层构成了部件的仿生耦合表面，单元体经过激光熔凝处理后使熔凝区的母材硬度提高、晶粒细化。同时单元体与母材构成了类似生物组织的软硬相间的仿生耦合结构。不同的仿生单元体形状也决定了仿生耦合表层耐磨抗疲劳性能的强弱。通过观察发现，生物的多种形状和结构相互组合可以使生物在生存的时候随意变化并获得对自己有利的性能，通过模仿生物的体表和体貌，在制动鼓表面加工不同形状的仿生单元体可以得到不同的性能，但是一种单元体形状难以使部件获得更加优异的性能。因此考虑在部件表面的不同位置设计多种不同形状的仿生耦合模型，来使部件获得更加优异的使用性能。根据制动鼓工作时内壁的受力分布以及工作时鼓壁的不同温度，裂纹的萌生区域和生长方向，通过在单元体的不同位置加工不同形状的单元体，可以使新的仿生耦合制动鼓使用寿命获得进一步的提高。可以有效起到抵抗磨损，防御热疲劳裂纹萌生的目的。采用激光表面处理技术对制动鼓表面进行仿生强化处理，将铸铁加热到相变点温度以上，随着熔化区域在母材中迅速冷却，使材料表层硬化，同时在硬化层内残留相当大的压应力，从而增加材料表面的疲劳强度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓的纵截面实施例1示意图。

图2是本发明的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓的实施例1内表面局部图片。

图3是本发明的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓的纵截面实施例2示意图。

图4是本发明的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓的实施例2内表面局部图片。

图5是本发明的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓的纵截面实施例3示意图。

图6是本发明的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓的实施例3内表面局部图片。

图7是本发明的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓的纵截面实施例4示意图。

图8是本发明的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓的实施例4内表面局部图片。

图9是仿生单元体与制动鼓母材面的高度差示意图(图中仿生单元体低于制动鼓母材面)。

图10是仿生单元体与制动鼓母材面的高度差示意图(图中仿生单元体高于制动鼓母材面)。

具体实施方式

本发明针对铸铁制动鼓内表面易磨损部位，确定制动鼓内壁的受力分布、制动时间、鼓壁温度以及裂纹的萌生区域和生长方向，由此设计制动鼓内壁的不同位置的仿生耦合模型，确定模型中仿生单元体的形状、大小和结构。然后根据耦合模型中单元体的形状、大小和结构，进行激光参数的选择，确定不同形状的仿生单元体的加工参数以及加工路径。最后采用激光熔凝的方式在制动鼓不同的失效位置加工不同形状的仿生单元体，完成组合式仿生耦合内表面制动鼓制备。

铸铁制动鼓组合式仿生耦合内表面的制备过程如下：

将待加工制动鼓固定在旋转工作台；

将激光器的激光头安装在机器人手臂上或者二维移动机构上，根据制动鼓内表面仿生单元体的加工路径，在控制旋转工作台转动的同时，控制激光头在水平方向和垂直方向同时移动，加工出斜条纹仿生单元体(同理加工网状仿生单元体)；然后在控制旋转工作台转动的同时，激光头不动，再加工出横条纹仿生单元体；

加工完毕检验制动鼓内壁仿生单元体，确定仿生单元体饱满完整，且没有凸起，完成制动鼓制备。

仿生单元体制备过程中，也可以将待加工制动鼓固定在不动的工作台上，然后通过机器人手臂带动激光头在X方向和Z方向移动的同时围绕制动鼓的轴线转动，加工出斜条纹仿生单元体；然后再控制激光头围绕制动鼓的轴线转动，加工出横斜条纹仿生单元体。

实施例1

本实施例在制造表面具有仿生单元体的制动鼓时，根据制动鼓内表面工作应力和热疲劳裂纹的分布情况，对制动鼓的内壁进行激光仿生耐磨抗疲劳强化。根据制动鼓的母材材质，确定激光仿生处理时仿生单元体的组织、宽深比、气孔率等参数，由仿生单元体特征选定激光参数。

如图1所示，铸铁制动鼓内表面制备有3条横条纹仿生单元体1和多个斜条纹仿生单元体2；横条纹仿生单元体1位于制动鼓内壁上部，呈圆环形，且圆环形横条纹仿生单元体1与制动鼓底面平行；斜条纹仿生单元体2位于制动鼓内壁横条纹仿生单元体1以下的部分，并且斜条纹仿生单元体2在制动鼓纵截面上的投影与制动鼓底面呈45°角(图中制动鼓纵截面通过制动鼓轴线)，相邻斜条纹仿生单元体2之间的弧线距离为100mm(即相邻斜条纹仿生单元体2上高度相同的两个点在制动鼓内壁上的弧线距离)。两种仿生单元体与制动鼓母材面的高度差t＝-0.1mm；在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的10％，仿生单元体深度h＝1.2，宽度w＝1.6mm。

制备两种仿生单元体所用激光器，电流145A，脉宽7.5ms，频率8HZ，离焦量9.7mm、扫描速度1.2mm/s(扫描速度即激光光斑沿制动鼓内表面上移动的线速度)；两种单元体相互作用抵抗制动鼓的热疲劳裂纹。经试验测试，制动鼓的耐磨性，抗热疲劳性都大大增强，制动鼓的使用寿命比强化前提高了1倍以上。

实施例2

如图3所示，铸铁制动鼓内表面制备有3条横条纹仿生单元体1和多个斜条纹仿生单元体2；横条纹仿生单元体1位于制动鼓内壁上部，呈圆环形，且圆环形横条纹仿生单元体1与制动鼓底面平行；斜条纹仿生单元体2位于制动鼓内壁横条纹仿生单元体1以下的部分，并且斜条纹仿生单元体2在制动鼓纵截面上的投影与制动鼓底面呈45°角(图中制动鼓纵截面通过制动鼓轴线)，相邻斜条纹仿生单元体2之间的弧线距离为50mm(即相邻斜条纹仿生单元体2上高度相同的两个点在制动鼓内壁上的弧线距离)。两种仿生单元体与制动鼓母材面的高度差t＝0.1mm；在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的20％，仿生单元体深度h＝0.8mm，宽度w＝1.2mm。

制备两种仿生单元体所用激光器，电流125A，脉宽5.5ms，频率8HZ，离焦量9.9mm、速度1.2mm/s；经试验测试，制动鼓的耐磨性，抗热疲劳性都大大增强，制动鼓的使用寿命比强化前提高了1.5倍以上。

实施例3

如图5所示，铸铁制动鼓内表面制备有4条横条纹仿生单元体1和网状仿生单元体；横条纹仿生单元体1位于制动鼓内壁上部，呈圆环形，且圆环形横条纹仿生单元体1与制动鼓底面平行；网状仿生单元体位于制动鼓内壁横条纹仿生单元体1以下的部分，构成网状仿生单元体的A条纹仿生单元体21和B条纹仿生单元体22在制动鼓纵截面上的投影与制动鼓底面分别呈45°角和135°角，且相邻A条纹仿生单元体21之间、相邻B条纹仿生单元体22之间的弧线距离均为50mm。两种仿生单元体与制动鼓母材面的高度差t＝0；在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的15％，仿生单元体深度h＝1.0mm＝，宽度w＝1.4mm。

制备两种仿生单元体所用激光器，电流135A，脉宽6.5ms，频率8HZ，离焦量9.8mm、速度1.2mm/s；当相邻A条纹仿生单元体21之间、相邻B条纹仿生单元体22之间的弧线距离为50mm时，经试验测试，制动鼓的耐磨性，抗热疲劳性都大大增强，制动鼓的使用寿命比强化前提高了2倍以上。

实施例4

如图7所示，铸铁制动鼓内表面制备有3条横条纹仿生单元体1和网状仿生单元体；横条纹仿生单元体1位于制动鼓内壁上部，呈圆环形，且圆环形横条纹仿生单元体1与制动鼓底面平行；网状仿生单元体制备于横条纹仿生单元体1以下的部分；制动鼓内壁高度在制动鼓高度H的1/3以下的部分，构成网状仿生单元体的A条纹仿生单元体21和B条纹仿生单元体22在制动鼓纵截面上的投影与制动鼓底面分别呈45°角和135°角，且相邻A条纹仿生单元体21之间的、相邻B条纹仿生单元体22之间的弧线距离为100mm。制动鼓内壁高度在(1/3～2/3)H的部分构成网状仿生单元体的A条纹仿生单元体21和B条纹仿生单元体22在制动鼓纵截面上的投影与制动鼓底面分别呈45°角和135°角，且相邻A条纹仿生单元体21之间、相邻B条纹仿生单元体22之间的弧线距离为50mm。仿生单元体与制动鼓母材面的高度差t＝-0.2mm；在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的15％，仿生单元体深度h＝1.4mm，宽度w＝1.8mm。

制备仿生单元体所用激光器，电流155A，脉宽8.5ms，频率8HZ，离焦量9.6mm、速度1.2mm/s；经试验测试，制动鼓的耐磨性，抗热疲劳性都大大增强，制动鼓的使用寿命比强化前提高了3倍以上。

制备仿生单元体所用激光器，其选择的参数决定了仿生单元的的结构参数，通常情况下，在铸铁件表面制备的仿生单元体与制动鼓母材面的高度差最小能达到0.5mm。若制动鼓内表面仿生单元体与制动鼓母材面的高度差较大时，摩擦片的磨损量较未处理制动鼓提升120％，增加了摩擦片的使用成本。发明人通过大量的试验，反复调整各激光参数，最终使得仿生单元体与制动鼓母材面的高度差达到了±0.2mm，使制动鼓的使用寿命提升1倍以上。部分试验数据见表1。

表1

但本发明不限于上述实施方式，斜条纹仿生单元体2和A斜条纹仿生单元体21与制动鼓底面的夹角可以在30°～60°之间。B斜条纹仿生单元体22与制动鼓底面的夹角可以在30°～60°之间。