[发明专利]金属工件表面激光仿生强化方法及装置

说明书

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50~300HV），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1~3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。。

 

附图说明

图1为本发明装置优选实施例运行时的结构简图；

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。