[发明专利]一种凸轮轴表面激光加工方法

说明书

技术领域

本发明方法涉及一种凸轮轴表面激光加工方法，属于的高能特种制造领域。

背景技术

凸轮因其结构简单、结构紧凑、设计方便，在自动化机床、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均有广泛应用。它具有曲面或曲槽，使从动件按预期精确运动。凸轮轴上安置有多个凸轮，其面广量大，是汽车发动机的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起始时间、供油压力及供油规律。凸轮轴表面必须具有极优的抗磨性能以应对苛刻的工况条件，因此在生产中采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）技术等。近年来，随着高能激光技术的发展又衍生出了激光淬火技术、激光合金化技术以及激光熔凝或熔覆技术。激光对凸轮轴的表面强化不会使凸轮轴产生热变形，无需后续矫直工序，特别适合细长凸轮轴的加工。早期人们普遍认为相互接触的摩擦副表面越光滑磨损量越小。近年来大量理论研究和工程应用实践均表明：表面并非越光滑越好，事实上，具有一定微观几何形貌表面反而具有更好的抗磨性。上述结论已在世界范围内形成共识，由此诞生出了表面织构技术。激光表面织构技术，是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。相关研究表明：表面织构有减磨效果，织构形貌周围区域晶向组织发生变化，材料硬度大幅上升；球墨铸铁凸轮轴在经过激光表面织构处理后能够达到优质45#钢凸轮轴相同的使用寿命。

虽然凸轮轴表面激光强化技术和凸轮轴表面激光织构技术具有上述诸多优势，但在产业化应用中却有诸多困难，至今尚未大规模使用。其中之一就是激光加工需同时满足激光法向入射工件表面和激光头与工件垂直距离保持恒定两个条件。因此，设备应至少是四轴（自由度）三联动的。四轴（自由度）分别实现调节激光头与凸轮轴竖直方向相对位置、激光头与凸轮轴水平方向位置、激光法向入射。

聚焦的激光束的一个重要特性往往被忽略，其由两方面构成。一方面激光束经过聚焦透镜（凸透镜），得到的焦点实际上并非为一个点，焦点的长度为焦深。焦深Z_focdepth为两倍的瑞利距离，瑞利距离Z为激光束半径增加到两倍最小半径时到焦点的距离，其公式定义如下：

其中，f为聚焦透镜的焦距，λ为激光波长，r为入射前的激光束半径，k为激光质量参数，在这里将激光束可近似认为理想激光束，故激光质量参数k=1。上式表明，通过增大f、λ，减小r，可增大焦深。另一方面聚焦光束某点与焦点中心的距离为该点的离焦量。在一定离焦量范围内，由于激光功率密度相近，功率密度为光束的平均功率比上光斑面积。综上，在激光加工中，激光头至工件表面距离存在一个10~100μm波动范围，在该范围内激光加工是等效的。

发明内容

本发明解决的技术问题是，现有凸轮轴表面激光加工装置复杂，不易实现复杂扫描路径的激光加工，编程繁琐，装置成本高。

本发明的一种凸轮轴表面激光加工方法的技术方案是，将凸轮的非圆异形轮廓曲线转化为若干与基圆圆心同心的圆弧组合，对转化轮廓的激光加工与对原有凸轮轮廓的激光加工具有等同效果。

本发明的一种凸轮轴表面激光加工方法对凸轮轴上每一个凸轮的加工原理是相同的，对单个凸轮的加工的具体技术方案包括四个步骤：

步骤1，划分轮廓，将凸轮轮廓划分为基圆轮廓和升程轮廓。基圆轮廓不需要等效转化，升程轮廓是转化的对象。

步骤2，定带宽，确定等效加工范围带的宽度。所述等效加工范围带的宽度即为激光头至工件表面距离存在的一个波动范围，在该波动范围带内激光加工效果是等效的。

步骤3，轮廓转化，在等效加工范围带内将凸轮的升程轮廓转化为与基圆同心的若干圆弧。所述轮廓转化的方法为：在凸轮轮廓图上作出宽度为等效加工范围的等效加工范围带，凸轮轮廓处在等效加工范围带中线位置；作若干与基圆同心圆弧，每一个圆弧均在等效加工范围带内，上述若干圆弧的圆心角不重叠且所有圆弧的圆心角之和等于升程轮廓开角。定义升程轮廓开角为升程轮廓曲线两端点与基圆圆心所连线段的夹角。基圆轮廓和圆弧的组成了等效加工轮廓。

步骤4，等效加工，以等效加工轮廓为对象进行激光加工。在加工的初始状态，满足条件：激光头至凸轮表面距离为特定值；激光束过基圆圆心；凸轮轴的旋转中心轴为基圆圆柱的中心轴。控制激光束的启闭与扫描路径，完成特定的激光加工。