激光微織構(gòu)加工技術(shù)與設(shè)備研究

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摘要：首先，綜述激光微織構(gòu)加工技術(shù)與設(shè)備的研究進(jìn)展，依據(jù)織構(gòu)形貌特征的不同來分類激光微織構(gòu)加工技術(shù)；其次，介紹激光毛化加工技術(shù)、激光微凹坑加工技術(shù)、激光微溝槽加工技術(shù)以及激光復(fù)雜織構(gòu)加工技術(shù)的當(dāng)前研究進(jìn)展，闡述激光微織構(gòu)加工設(shè)備的研究現(xiàn)狀；最后，揭示激光微織構(gòu)加工技術(shù)的應(yīng)用前景，指出激光微織構(gòu)加工設(shè)備的研究值得研究者不斷探索。

關(guān)鍵詞：激光加工技術(shù)；微織構(gòu)形貌；激光加工設(shè)備

1研究背景

激光具有亮度高、方向性好、相干性強(qiáng)以及單色性好等特性，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、通信、航空航天和制造業(yè)領(lǐng)域，并逐漸衍生出新的加工技術(shù)——激光加工技術(shù)[1]。激光加工技術(shù)的加工條件較低，加工區(qū)域較小，能夠精準(zhǔn)加工復(fù)雜微觀形貌結(jié)構(gòu)等，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)機(jī)械加工從粗糙化向精細(xì)化的轉(zhuǎn)變，并將激光加工技術(shù)進(jìn)一步升級(jí)為激光微織構(gòu)加工技術(shù)。近年來，激光微織構(gòu)加工技術(shù)作為一種新興加工技術(shù)，在我國先進(jìn)機(jī)械制造行業(yè)尤其是精細(xì)加工領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展。尤其是它在減磨潤(rùn)滑性能方面的優(yōu)異表現(xiàn)，是我國傳統(tǒng)機(jī)械加工手段無法比擬的。同時(shí)，激光微織構(gòu)加工技術(shù)具備非接觸、無磨損、無污染和高效高精等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸取代傳統(tǒng)加工技術(shù)成為精細(xì)加工技術(shù)的主流。但是，激光微織構(gòu)加工的工藝參數(shù)眾多，實(shí)際工況也較為復(fù)雜。

2激光微織構(gòu)加工技術(shù)分類

激光微織構(gòu)加工技術(shù)由激光加工技術(shù)衍生而來，特指激光加工技術(shù)應(yīng)用在微加工領(lǐng)域的加工技術(shù)。其中，激光微織構(gòu)加工技術(shù)是指在幾百微米內(nèi)的加工尺寸下，以激光作為加工源，將激光光束作用于加工材料表面，使材料表面發(fā)生融化、汽化與相變等物理現(xiàn)象或化學(xué)現(xiàn)象，以改變材料表面的機(jī)械特性的一種加工方法[2]，是當(dāng)前激光加工技術(shù)的一種常用方法。激光微織構(gòu)加工技術(shù)具有加工速度快、效率高及非接觸式加工方式等優(yōu)勢(shì)。加工的常見微織構(gòu)形貌有凹坑形、凹槽形、凸體形和鱗片形等[3-4]。因此，根據(jù)加工所得的織構(gòu)形貌特征的不同，可將激光微織構(gòu)加工技術(shù)細(xì)分為4類，類型特征如圖1所示。

2.1激光毛化加工技術(shù)

激光毛化加工技術(shù)是指應(yīng)用激光微織構(gòu)加工在材料表面形成微凸起、凸體形微觀形貌的加工方法。激光毛化形貌依據(jù)形貌直徑和高度的表征差異，分為球冠狀、凹頂球冠狀、M狀以及火山口狀，如圖2所示[5]。圖2中，D1、D2分別為形貌內(nèi)徑和形貌外徑，H1、H2分別為形貌高度和形貌深度。激光毛化加工技術(shù)最早開始于1980年的比利時(shí)冶金研究中心。該中心起初利用CO2激光器對(duì)冷軋輥表面進(jìn)行激光毛化加工[6]，隨后激光毛化加工技術(shù)引起了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為激光微織構(gòu)加工的研究熱點(diǎn)，并促進(jìn)了激光毛化加工技術(shù)的高速發(fā)展。王春艷等將激光毛化加工技術(shù)與NaOH陽極氧化技術(shù)進(jìn)行工藝對(duì)比，發(fā)現(xiàn)激光毛化和NaOH陽極氧化在提高TB8鈦合金與復(fù)合材料的膠接剝離強(qiáng)度方面均有良好表現(xiàn)[7]；符永宏、劉新金、符昊等利用單因素法分析激光脈寬、功率等激光參數(shù)以及輔助氣體壓力、涂料涂層等輔助工藝對(duì)毛化形貌的影響，得到了普適性規(guī)律[8]；葉云霞等分析激光脈寬和峰值功率密度對(duì)45#鋼表面微凸起形貌的影響規(guī)律，提出了激光毛化形貌形成的新機(jī)理[9]；符永宏、潘彩云、符昊等在模具鋼5CrNiMo表面進(jìn)行激光毛化處理，探究毛化織構(gòu)面積占有率和織構(gòu)高度對(duì)試樣表面摩擦磨損性能的影響，對(duì)研究激光毛化加工改善金屬工件成形性能具有重要意義[10]。

2.2激光微凹坑加工技術(shù)

激光微凹坑加工技術(shù)是激光微織構(gòu)加工技術(shù)中最常見的方法之一。加工所得的微凹坑織構(gòu)依據(jù)幾何形狀的不同可分為圓形凹坑、三角凹坑和方形凹坑等[11-12]，如圖3所示。激光微凹坑加工技術(shù)能夠顯著改善潤(rùn)滑性能、儲(chǔ)存脫落顆粒以及優(yōu)化儲(chǔ)油條件，在潤(rùn)滑減磨方面表現(xiàn)優(yōu)異，多用于模具和機(jī)械零件等場(chǎng)合。鐘林等研究不同表面激光微凹坑織構(gòu)對(duì)牙輪鉆頭軸承摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)激光微凹坑的幾何形狀和排布方式對(duì)軸承減摩和耐磨效果影響極大，得出了延長(zhǎng)牙輪鉆頭軸承使用壽命的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[13]；何霞等探討激光參數(shù)與微凹坑織構(gòu)直徑和深度間的變化規(guī)律，深入研究織構(gòu)形貌的變化對(duì)摩擦副表面摩擦系數(shù)和磨損量的影響[14]；蔣雯等通過對(duì)比潤(rùn)滑條件下的激光微凹坑織構(gòu)的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)微凹坑織構(gòu)能夠明顯改善7075鋁合金表面的摩擦學(xué)性能，并探索了凹坑直徑和面積密度對(duì)減摩性能的影響規(guī)律[15]。

2.3激光微溝槽加工技術(shù)

激光微溝槽加工技術(shù)具有加工方便和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在摩擦學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。激光微溝槽形貌依據(jù)其幾何參數(shù)的不同，可分為平面溝槽、V形溝槽和正弦型溝槽等[16]。近年來，部分專家將其與仿生學(xué)相結(jié)合，通過改變溝槽橫截面形狀達(dá)到了減阻的目的[17-19]。婁德元等利用激光微織構(gòu)加工技術(shù)得到正方形網(wǎng)格溝槽凸起結(jié)構(gòu)的超親水表面，通過對(duì)比微織構(gòu)表面與單一超疏水表面的冷凝傳熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)激光微溝槽織構(gòu)相較原始、超親水及超疏水表面具有更好的冷凝傳熱效果[20]；武偉等以高速鋼為研究對(duì)象，研究激光加工參數(shù)與微溝槽織構(gòu)幾何參數(shù)之間的關(guān)系，分析得到激光功率為10～14W、脈寬重復(fù)頻率為20～30kHz、掃描速度為1000ms左右時(shí)，高速鋼表面微溝槽織構(gòu)質(zhì)量較好[21]；歐陽承達(dá)等采用光纖激光器在化學(xué)氣相沉積（ChemicalVaporDeposition，CVD）金剛石薄膜表面進(jìn)行V形微溝槽形貌加工，如圖4所示，并對(duì)3種不同截面的微凹槽織構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，明確了溝槽深度與溝槽形狀、激光掃描頻次以及脈寬的關(guān)系[22]。

2.4激光復(fù)雜織構(gòu)加工技術(shù)

激光微織構(gòu)加工技術(shù)除了能夠加工毛化、微凹坑以及微溝槽等常見的織構(gòu)形貌外，還可以加工鱗片形的仿生織構(gòu)、凹坑-凹槽的組合織構(gòu)[23]以及基于橢圓優(yōu)化[24]的復(fù)合織構(gòu)等特殊表面織構(gòu)，如圖5所示?？紤]這類織構(gòu)的形狀復(fù)雜、加工難度大等，將這類激光微織構(gòu)加工技術(shù)統(tǒng)稱為激光復(fù)雜織構(gòu)加工技術(shù)。目前，針對(duì)激光復(fù)雜織構(gòu)加工技術(shù)的理論基礎(chǔ)較為薄弱，實(shí)驗(yàn)研究還處于發(fā)展階段。郭志遠(yuǎn)等基于蜣螂表皮和鯊魚表皮，提出微凹坑織構(gòu)、微溝槽織構(gòu)和微坑-槽復(fù)合織構(gòu)的復(fù)雜織構(gòu)，并驗(yàn)證仿生學(xué)織構(gòu)在改善陶瓷刀具切削性能方面具有優(yōu)良表現(xiàn)[23]。陳小蘭等利用納秒激光加工設(shè)備，在液壓缸缸筒內(nèi)表面加工仿鯊魚體表菱形微織構(gòu)形貌，探討織構(gòu)形貌與表面粗糙度對(duì)液壓缸的動(dòng)壓潤(rùn)滑的改善效果[25]。彭龍龍等以方形織構(gòu)、菱形織構(gòu)、球形織構(gòu)以及Koch雪花織構(gòu)為例，對(duì)比不同織構(gòu)形狀對(duì)軸承湍流潤(rùn)滑效果大小，驗(yàn)證了復(fù)雜織構(gòu)能夠提高液膜湍流流動(dòng)性，進(jìn)而提高液膜壓力和承載力[26]。

3激光微織構(gòu)加工設(shè)備研究進(jìn)展

激光微織構(gòu)加工設(shè)備是激光微織構(gòu)加工過程中的重要設(shè)備，特別是激光微織構(gòu)加工技術(shù)的研究對(duì)加工設(shè)備提出了更高要求。目前，激光微織構(gòu)加工設(shè)備已經(jīng)成為機(jī)械制造行業(yè)的熱門研究對(duì)象。2018年，西安中科微精光子制造科技有限公司在五軸加工的基礎(chǔ)上推出六軸超快激光微加工設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)其在金屬、非金屬以及復(fù)合材料等大幅薄壁復(fù)雜曲面上的表面紋理、輪廓和微腔加工，適合復(fù)雜曲面薄壁零件微加工[27]。江蘇大學(xué)的華?？〉雀鶕?jù)多功能皮秒激光加工系統(tǒng)當(dāng)前存在的性能不達(dá)標(biāo)及功能單一等問題，通過設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)在內(nèi)的各子系統(tǒng)，集成優(yōu)化了多功能皮秒激光加工系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)性能升級(jí)和功能全面優(yōu)化，為皮秒激光微織構(gòu)工藝研究奠定了良好基礎(chǔ)[28]。江蘇大學(xué)符永宏教授的團(tuán)隊(duì)優(yōu)化升級(jí)傳統(tǒng)的采用單片機(jī)串行時(shí)序工作方式的激光微加工控制系統(tǒng)，研制了一套基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA）并行時(shí)序工作方式的控制系統(tǒng)，有利于提高主軸電機(jī)和主軸編碼器的運(yùn)行精度，為內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)表面激光微織構(gòu)加工工藝研究提供設(shè)備支撐，具有重要的應(yīng)用價(jià)值[29]。

4結(jié)語

依據(jù)織構(gòu)形貌特征的不同，分類激光微織構(gòu)加工技術(shù)，介紹激光毛化加工技術(shù)、激光微凹坑加工技術(shù)、激光微溝槽加工技術(shù)以及激光復(fù)雜織構(gòu)加工技術(shù)的當(dāng)前研究進(jìn)展，闡述激光微織構(gòu)加工設(shè)備的研究現(xiàn)狀。激光微織構(gòu)加工技術(shù)能夠顯著改善運(yùn)動(dòng)表面潤(rùn)滑性能，降低摩擦和磨損，提高零部件的機(jī)械性能和材料性能，成為摩擦學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)，具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。激光微織構(gòu)加工設(shè)備涵蓋的內(nèi)容十分廣泛，其中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研究與開發(fā)是對(duì)激光微織構(gòu)加工設(shè)備和多軸機(jī)床伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一種深度挖掘。為使激光微織構(gòu)加工設(shè)備的功能更加完善、性能更加優(yōu)化，需要不斷對(duì)其進(jìn)行探索與研究。

作者:王礬 顧建 張旭東 單位:淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校機(jī)電工程系