本发明为一种铸铁凸轮激光复合处理方法,该方法包括两个步骤:首先在加工参数a下,激光在铸铁凸轮表面加工凹腔织构,随后在加工参数b下激光对铸铁凸轮淬硬。本发明的优点在于:降低铸铁凸轮-顶柱摩擦副间的摩擦和磨损;在铸铁凸轮表面形成硬化层,显著提高铸铁凸轮的表面力学性能和抗磨性能,最终的有益效果是使铸铁凸轮的寿命延长,扩展了铸铁凸轮的使用范围,使其能够应用在优质钢才能胜任的工况下;本方法对铸铁凸轮加工热变形小,对长铸铁凸轮轴的加工可免除后续矫直工序。本发明方法大大降低了制造凸轮的材料成本和生产成本。
1.一种铸铁凸轮激光复合处理方法,其特征在于,包括两个步骤:首先在加工参数a下,激光在铸铁凸轮(1)表面加工凹腔织构,凹腔织构的形貌参数为:直径65~75μm,深度6~8μm,面积占有率8~11%,其中直径为凹腔(3)形貌的最小二乘直径,深度为凹腔(3)形貌最深点距铸铁凸轮(1)表面距离,面积占有率为凹腔织构区域内凹腔(3)面积占该区域总面积的百分比;淬硬层(4)厚度0.1~0.5mm,硬度HRC50~70;随后在加工参数b下激光对铸铁凸轮(1)淬硬,加工参数a和加工参数b中的激光器为同一台脉冲激光器,采用二极管泵浦的Nd:YAG连续固体激光器;加工参数a对应的激光脉冲的功率密度在气化或等离子体化区间,为10⁶~10¹⁰W/cm²;加工参数b对应的激光脉冲的功率密度在融化区间,为10⁴~10⁶W/cm²,所述加工参数a和加工参数b中,使激光脉冲的功率密度改变的参数包括:泵浦电流,脉冲频率,离焦量,对铸铁凸轮(1)的淬硬通过对加工区域逐点扫描完成,相邻扫描点存在重叠区域,重叠率40%~90%。
2.根据权利要求1所述的一种铸铁凸轮激光复合处理方法,其特征在于,上述凹腔织构区域至少包括铸铁凸轮(1)升程区域(2),所述淬硬区域仅包括铸铁凸轮(1)升程区域(2)。
3.根据权利要求1或2所述的一种铸铁凸轮激光复合处理方法,其特征在于,加工参数a下,泵浦电流16~19A,脉冲频率1400~1800Hz,离焦量0~0.2mm,其中脉冲频率为激光器每秒钟发出的激光脉冲个数;加工参数b下,泵浦电流16~19A,脉冲频率1400~6000Hz,离焦量0~2mm。技术领域
本发明涉及一种铸铁凸轮激光复合处理方法,属特种制造领域。
背景技术
铸铁凸轮是具有曲面或曲槽的机件,只需设计适当的铸铁凸轮轮廓,便可使从动件实现预期运动。铸铁凸轮结构简单、紧凑、设计方便,因此在自动机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械、食品机械、包装机械和机电一体化产品中得到广泛应用。凸轮轴是汽车发动机中配气机构及喷油泵的关键部件,精确控制着进、排气门的启闭和供油时间及压力。根据发动机的性能,在大功率、非高速工况下采用钢质凸轮轴;在中、低功率的高速工况下采用铸铁凸轮轴。钢质凸轮轴的材料成本和生产成本是大大高于铸铁凸轮轴的,如果通过某种工艺使得铸铁凸轮轴能够代替钢质凸轮轴,其意义是十分巨大的。凸轮轮廓上各点的磨损并不相同,一般是升程区域的磨损较为严重。另一方面,凸轮的功能要求其必须具有良好的抗磨性能,因此在凸轮的生产中应用了大量的热处理及表面强化技术。传统的凸轮轴表面热处理技术包括感应加热表面硬化处理技术、等温淬火表面硬化处理技术和碳氮共渗(或渗碳)技术。将激光应用在凸轮轴的表面强化后又出现了激光淬火技术、激光合金化技术以及激光熔凝技术。早期人们认为相互接触的摩擦副表面越光滑越好,而近年来大量理论研究及工程实践均表明,具有一定微观几何形貌的表面反而具有更好的抗磨性。上述结论已经得到世界范围内的共识,诞生出了表面织构技术。其中,激光表面织构技术,又指利用一定能量密度的激光束,在工件表面形成与润滑性能要求优化匹配的沟槽、纹路或凹腔。本发明方法采用的脉冲激光器以脉冲的形式出光,在不同的激光功率密度下,激光与金属材料的作用机理不尽相同。功率密度10³~10⁴W/cm²,激光热效应使金属材料温度升高;功率密度10⁴~10⁶W/cm²,强烈的热效使得金属融化;功率密度10⁶~10⁸W/cm²,材料气化;功率密度10⁸~10¹⁰W/cm²,金属在高功率能量的激发下形成等离子体。脉冲激光器的功率密度定义为单脉冲能量与聚焦光斑面积的比值。
发明内容
本发明的目的是,提高铸铁凸轮的表面力学性能和抗磨性能,使得铸铁凸轮的使用范围扩大,寿命延长,并能够应用在优质钢凸轮才能胜任的工况;同时对长铸铁凸轮轴的加工可免除后续矫直工序。本发明方法的一种铸铁凸轮激光复合处理方法所采取的技术方案是:首先在加工参数a下,激光在铸铁凸轮表面加工凹腔织构,随后在加工参数b下激光对铸铁凸轮淬硬。本发明方法的一种铸铁凸轮激光复合处理方法所采取的具体技术方案为,首先在加工参数a下,激光在铸铁凸轮表面加工凹腔织构,加工参数a对应的激光脉冲的功率密度在气化或等离子体化区间,即10⁶~10¹⁰W/cm²。随后在加工参数b下对铸铁凸轮表面淬硬,加工参数b对应的激光脉冲的功率密度在融化区间,即10⁴~10⁶W/cm²;上述凹腔织构区域至少包括铸铁凸轮升程区域,而上述淬硬区域仅包括铸铁凸轮升程区域。凹腔的形貌参数为:直径65~75um,深度6~8um,面积占有率8~11%,其中直径为凹腔形貌的最小二乘直径,深度为凹腔形貌最深点距铸铁凸轮表面距离,面积占有率为织构区域内微凹腔面积占该区域总面积的百分比。淬硬层厚度0.1~0.5mm,硬度HRC50~70。上述加工参数a和加工参数b中,使激光脉冲的功率密度改变的参数包括:泵浦电流,脉冲频率,离焦量。淬硬层厚度的控制参数为淬硬功率密度和重叠率。重叠率为相邻作用与铸铁凸轮表面的两个脉冲光斑相交面积与光斑面积的比值。淬硬功率密度10⁴~10⁶W/cm²,重叠率40%~90%。本发明的优点在于:降低凸轮-顶柱摩擦副间的摩擦和磨损;在铸铁凸轮表面形成淬硬层,显著提高铸铁凸轮的表面力学性能和抗磨性能,最终的有益效果是使铸铁凸轮的寿命延长,扩展了铸铁凸轮的使用范围,使其能够应用在优质钢凸轮才能胜任的工况下;本方法引起的铸铁凸轮热变形小,对长凸轮轴的加工可免除后续矫直工序。
附图说明
图1是铸铁凸轮激光复合处理示意图。图中,1,铸铁凸轮;2,升程区域;3,凹腔;4,淬硬层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步详细说明。图1是铸铁铸铁凸轮激光复合处理示意图。本实施例采用二极管泵浦的Nd:YAG连续固体激光器。需要特别注意的是,本发明方法对激光器种类没有特殊要求。首先在加工参数a下,激光在铸铁凸轮1表面加工凹腔织构,随后在加工参数b下激光对铸铁凸轮淬硬。加工参数a对应的激光脉冲的功率密度在气化或等离子体化区间,即10⁶~10¹⁰W/cm²;加工参数b对应的激光脉冲的功率密度在融化区间,即10⁴~10⁶W/cm²。上述加工参数a和加工参数b中,使激光脉冲的功率密度改变的参数包括:泵浦电流,脉冲频率,离焦量,对铸铁凸轮1的淬硬通过对加工区域逐点扫描完成,相邻扫描点存在重叠区域,重叠率40%~90%。加工参数a下,泵浦电流16~19A,脉冲频率1400~1800Hz,离焦量0~0.2mm,其中脉冲频率为激光器每秒钟发出的激光脉冲个数。加工参数b下,泵浦电流16~19A,脉冲频率1400~6000Hz,离焦量0~2mm。凹腔织构区域至少包括铸铁凸轮1的升程区域2,而上述淬硬区域仅包括铸铁凸轮1的升程区域2。一个或多个激光脉冲加工完成一个凹腔3形貌加工。凹腔3的形貌参数为:直径65~75um,深度6~8um,面积占有率8~11%,其中直径为凹腔3的最小二乘直径,深度为凹腔3最深点距铸铁凸轮表面距离,面积占有率为凹腔织构区域内凹腔3面积占该区域总面积的百分比;淬硬层4厚度0.1~0.5mm,硬度HRC50~70。