專利名稱：一種生物非光滑表面的制備方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光加工領域，特指一種在動態應變時效溫度條件下激光沖擊塑性成形輔助制備的方法和裝置，適用于激光沖擊金屬工件表面成形加工以及生物非光滑表面制備領域。
背景技術：
現代工業和科學技術要求機器向使用壽命長、可靠性好的方向發展；目前世界上有1/3 1/2的能源是以各種形式的摩擦磨損消耗在各類機械傳遞能量的過程中，而各種機械零件因磨損失效的也占全部失效零件的一半以上，因此非常有必要通過改善摩擦節約能源降低損耗。生物非光滑表面具有耐摩擦磨損的性能，通過研究生物體在進化生存競爭過程中所發展來的優異摩擦學特性的表面結構，將磨損零件的表面形貌制備出生物非光滑表面， 從而達到提高耐磨性能的目的；生物體系的磨損自診斷能力一直為人們所重視，如手掌的接觸部分會因為摩擦而產生老繭，達到抗磨的目的；同樣植物在生長的演化中，也形成了許多具有優異摩擦學特性的表面織構，如竹子的增強相結構，豬籠草的唇邊抗黏附織構等。吉林大學的研究人員在國內首先提出生物非光滑概念和生物非光滑耐磨理論，發現竹材與穿山甲鱗片的磨粒磨損行為具有明顯的方向性，磨損表面呈明顯的非光滑形態; 對某些海洋生物如沙灘貝殼表面的非光滑形態的研究發現，它們對承受海水的沖刷有重要作用，動物的牙齒表面的非光滑形貌也是比較典型的例子。所以通過制備生物非光滑表面形態提高材料的耐磨性能具有重要的實用價值。專利“一種金屬工件生物非光滑表面的制備裝置”(申請日2006. 3. 24，申請號 200610016699. 6)用激光沖擊成型的方法在金屬工件表面制造出生物非光滑表面，并沒有詳細敘述激光制造生物非光滑表面的過程；專利“一種激光復合制備表層仿生結構的方法和裝置”(申請日=2009. 6. 12，申請號=200910033454. 8)用激光雕刻技術和激光沖擊強化技術加工生物非光滑表面，其簡要加工過程為，利用光纖激光器在金屬工件表面雕刻出生物非光滑表面的紋理，再用YAG激光器對其進行激光沖擊強化，目的是為了消除表面由于激光熱效應產生的拉應力，導致表面的硬度提高，最終延長使用壽命；但是這種加工方法有幾個方面的不足，第一，激光雕刻是利用激光熱效應去除零件表面材料，加工材料在激光照射下瞬間的熔化和氣化的物理變性，達到加工的目的，高溫改變了刻痕兩側的組織結構并產生拉應力，使其性能下降；再利用激光沖擊強化表面，目的是彌補表面的性能，消除拉應力，但是激光沖擊也會導致金屬工件表面塑性變形，會略微改變紋理的形狀；第二，先激光雕刻再激光沖擊強化是復合加工過程，其工藝過程相對復雜。
發明內容
本發明的目的是要提供一種在動態應變時效溫度條件下激光沖擊產生塑性變形導致的在金屬工件表面制備生物非光滑結構的方法和裝置，利用激光沖擊導致表面塑性變2/5頁
形的機理和相應的模具，在金屬工件表面形成特定的結構形狀。本發明采用的方案為，首先利用鑄造技術制造出具有一定密度、寬度、深度和角度形狀的規則微觀幾何形貌的特定形狀的模具，然后將制備的特定形狀的模具放置在金屬工件表面和激光沖擊所需的吸收層之間，在真空加熱箱中并將金屬工件加熱到動態應變時效溫度；激光束輻照在吸收層上，產生強大沖擊力，在沖擊力和基體加熱的共同作用下，導致部分金屬工件表面產生塑性變形，形成與模具相反的圖案，是激光沖擊和金屬工件基體加熱共同產生塑性變形的結果。本發明創造性是在動態時效溫度下，利用激光沖擊金屬在其表面定向(定位)產生塑性變形，根據所制造模具的形狀，激光沖擊強化作用導致未被模具覆蓋的金屬材料表面產生塑性變形，而覆蓋在模具之下的金屬表面未出現塑性變形，這種方法可以在金屬表面制造出較復雜形狀的圖案，滿足工程中所需較復雜表面紋理的情況。實施該方法的裝置包括計算機控制系統、激光器、用來對激光束進行分束的分光系統、真空箱、表面輪廓監測裝置和五軸聯動工作臺，真空箱位于五軸工作臺上，真空箱頂端設有真空箱透視窗、真空箱內部設有加熱系統、金屬工件和用于測量金屬工件溫度的溫度測量裝置、金屬工件固定在真空箱內部底座上，金屬工件上依次設有約束層，特定形狀的模具、吸收層；用耐高溫密封膠將吸收層與金屬工件密封并用工件專用夾具固定；表面輪廓監測裝置安裝在真空箱透視窗上方；計算機控制系統控制激光器、加熱系統、表面輪廓監測裝置和五軸聯軸工作臺。本發明所述的激光參數范圍為脈寬8-30 ns,重復頻率為1-100 Hz,脈沖能量為 1-20 J，光斑大小為1-5 mm。所述的一種生物非光滑表面的制備裝置，其特征在于所述吸收層可為美國3M公司的鋁箔，其厚度為O. 3 mm，所述約束層采用710型高溫硅油，厚度為l-2mm。所述的一種生物非光滑表面的制備裝置，其特征在于分光系統是利用全反鏡和半反鏡的不同組合方式，將單束激光分束，形成多束激光同時作用在材料表面，優點在于可以大幅度提高加工效率。所述分光系統由四塊全反鏡、三塊50%反射率的半反鏡和四個凸透鏡組成；由激光器發出的激光束通過第一全反鏡改變光路方向，發生90°折射，然后通過第一半反鏡將激光束分束，其能量各為原激光能量的50%，穿過第一半反鏡的激光束又通過第二全反鏡發生90°折射，平行的光束I和光束2分別經過第二半反鏡和第三半反鏡分光束和第三全反鏡和第四全反鏡反射，產生四條分束激光，最后通過四面凸透鏡作用在金屬工件表面；通過這種次序的排列組合，達到分束效果，沖擊效率可以提高四倍；通過移動半反鏡改變分束激光之間的間距；控制凸透鏡移動，改變凸透鏡和金屬工件之間的距離，從而改變激光光斑的尺寸。根據所要求的加工時間和非光滑表面的形貌，還可以設計分束激光的數量，可以大幅度提高加工效率，本例分光系統分出四束激光，經過計算采用50%的半反鏡可以導致分束激光能量一致；根據分束激光的數量，選擇半反鏡的透射率。計算公式如下
權利要求
1.一種生物非光滑表面的制備方法，其特征在于首先利用鑄造技術制造出具有規則微觀幾何形貌的特定形狀的模具，然后將制備的特定形狀的模具放置在金屬工件表面和激光沖擊所需的吸收層之間，在真空加熱箱中并將金屬工件加熱到動態應變時效溫度；激光束輻照在吸收層上，產生強大沖擊力，在沖擊力和基體加熱的共同作用下，導致部分金屬工件表面產生塑性變形，形成與模具相反的圖案。
2.如權利要求I所述的一種生物非光滑表面的制備方法，其特征在于包括如下步驟根據生物非光滑表面形貌的要求，制造出特定形狀的模具，置于金屬工件加工表面上，然后在該模具上方粘附一層吸收層，邊緣用耐高溫密封膠帶密封，將待沖擊金屬工件置于真空箱中，注入約束層；利用計算機控制系統控制真空箱內的加熱系統，對真空箱中內部環境加熱，通過觀測溫度表控制箱內溫度，將金屬工件加熱到動態時效溫度；根據生物非光滑表面凹模中形狀的尺寸設置激光工藝參數，最終能夠導致激光作用整個凹模表面，激光沖擊波會穿過凹模中的空隙直接作用在金屬試樣表面，導致被沖擊區域發生塑性變形，最終在金屬工件表面形成與模具凹凸相反的圖案；通過控制五軸工作臺控制金屬工件移動，按區域分片加工，直到整個金屬工件表面加工完成；通過表面輪廓監測裝置反饋系統，測量沖擊過程中表面的變形量，把信息反饋給計算機控制系統；計算機分析反饋的信息，調節激光沖擊工藝參數，將指令反饋給各個控制系統。
3.如權利要求2所述的一種生物非光滑表面的制備方法，其特征在于所述的激光參數范圍為脈寬8-30 ns，重復頻率為1-100 Hz，脈沖能量為1-20 J，光斑大小為1-5 mm。
4.如權利要求2所述的一種生物非光滑表面的制備方法，其特征在于所述吸收層為美國3M公司的鋁箔，其厚度為O. 3 mm，所述約束層采用710型高溫硅油，厚度為l_2mm。
5.一種生物非光滑表面的制備裝置，其特征在于所述裝置包括計算機控制系統、激光器、用來對激光束進行分束的分光系統、真空箱、表面輪廓監測裝置和五軸聯動工作臺， 真空箱位于五軸工作臺上，真空箱頂端設有真空箱透視窗、真空箱內部設有加熱系統、金屬工件和用于測量金屬工件溫度的溫度測量裝置、金屬工件固定在真空箱內部底座上，金屬工件上依次設有約束層，特定形狀的模具、吸收層；用耐高溫密封膠將吸收層與金屬工件密封并用工件專用夾具固定；表面輪廓監測裝置安裝在真空箱透視窗上方；計算機控制系統控制激光器、加熱系統、表面輪廓監測裝置和五軸聯軸工作臺。
6.如權利要求5所述的一種生物非光滑表面的制備裝置,其特征在于所述分光系統由四塊全反鏡、三塊50%反射率的半反鏡和四個凸透鏡組成；由激光器發出的激光束通過第一全反鏡改變光路方向，發生90°折射，然后通過第一半反鏡將激光束分束，其能量各為原激光能量的50%，穿過第一半反鏡的激光束又通過第二全反鏡發生90°折射，平行的光束I和光束2分別經過第二半反鏡和第三半反鏡分光束和第三全反鏡和第四全反鏡反射， 產生四條分束激光，最后通過四面凸透鏡作用在金屬工件表面；通過這種次序的排列組合， 達到分束效果，沖擊效率可以提高四倍；通過移動半反鏡改變分束激光之間的間距；控制凸透鏡移動，改變凸透鏡和金屬工件之間的距離，從而改變激光光斑的尺寸。
全文摘要
本發明“一種生物非光滑表面的制備方法和裝置”涉及激光加工領域，特指一種在動態應變時效溫度條件下激光沖擊塑性成形輔助制備的方法和裝置。本發明采用的方案為，將制備的特定形狀的模具放置在金屬工件表面和激光沖擊所需的吸收層之間，在真空加熱箱中并將金屬工件加熱到動態應變時效溫度；激光束輻照在吸收層上，產生強大沖擊力，在沖擊力和基體加熱的共同作用下，導致部分金屬工件表面產生塑性變形，形成與模具相反的圖案，是激光沖擊和金屬工件基體加熱共同產生塑性變形的結果。
文檔編號B21D26/06GK102581109SQ20121008111
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月26日 優先權日2012年3月26日
發明者徐立章, 李耀明, 王慶偉, 羅密, 羅開玉, 鐘俊偉, 鐘金杉, 魯金忠, 齊晗 申請人:江蘇大學