引言

　　理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，摩擦副表面的微觀幾何形貌對(duì)其摩擦學(xué)性能具有重要作用。隨著對(duì)摩擦副表面性能要求的提高，表面微造型技術(shù)得以迅速發(fā)展。目前，表面微造型方法主要有：Vibrorolling法、反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)(g RIE)、LIGA技術(shù)、激光表面微造型技術(shù)(LST)等。在諸多方法中，激光表面微造型技術(shù)以其適應(yīng)面廣、加工速度快、成本低、無(wú)污染、非接觸式、無(wú)工具磨損、無(wú)需潤(rùn)滑和工作介質(zhì)、加工變形小以及優(yōu)良的形狀和尺寸控制精度受到了高度重視。

　　但是，激光表面微造型技術(shù)目前仍存在著一些問(wèn)題。CO2和YAG激光器是目前激光微加工機(jī)中普遍使用的激光器。這2種激光器的波長(zhǎng)處于紅外波段，聚焦光斑大，微觀形貌的加工尺寸也相應(yīng)較大。另外，激光器對(duì)材料的作用是熱過(guò)程，特別在對(duì)金屬材料加工時(shí)，由于金屬材料優(yōu)良的導(dǎo)熱性和相對(duì)較低的熔點(diǎn)，一般會(huì)產(chǎn)生微裂紋、金屬重鑄、殘?jiān)逊e、材料碳化等比較嚴(yán)重的熱負(fù)面效應(yīng)，而使加表面質(zhì)量變差。

　　結(jié)合半導(dǎo)體泵浦YAG激光器的聲光調(diào)Q技術(shù)，提出了“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”的激光微造型新方法。該方法能夠有效地減少加工過(guò)程中所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

　　1 “單脈沖同點(diǎn)間隔多次”加工新方法

　　單個(gè)激光脈沖所能去除材料的量是有限的，為了達(dá)到預(yù)定的加工深度，需要在同一個(gè)點(diǎn)打多個(gè)激光脈沖。傳統(tǒng)的加工方式為同一個(gè)位置連續(xù)多次打點(diǎn)。由于是持續(xù)打點(diǎn)，熱負(fù)面效應(yīng)較大，表面質(zhì)量較差。“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”是將同一個(gè)點(diǎn)處的多個(gè)激光脈沖通過(guò)間隔反復(fù)打出，形成微凹腔和微凹槽。這樣不僅能有效地降低熱負(fù)面效應(yīng)，保證形貌的加工質(zhì)量，而且不降低激光加工效率，其原理如圖1所示。n為工件的旋轉(zhuǎn)方向在l點(diǎn)處打一個(gè)激光脈沖后，利用脈沖的間隔工件旋轉(zhuǎn)到2點(diǎn)，并在2點(diǎn)處打脈沖，依次打完該圈所有的點(diǎn)，直至加工完所需的圈數(shù)。在摩擦副表面加工的形貌主要有凹腔、溝槽和由溝槽交叉成的網(wǎng)紋。例如，圖2為在缸套內(nèi)表面加工的微觀形貌圖。在上止點(diǎn)區(qū)域I，加工出一定間距和深徑比的凹腔;在沖程的中部區(qū)域I，加工出具有一定間距、角度、寬深比的凹槽;下止點(diǎn)區(qū)域Ⅲ則加工出間距較大的平行凹槽。

　　圖1“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”加工原理圖

　　圈2缸套內(nèi)表面加工微觀形貌圖

　　1.1凹腔的加工

　　凹腔是形成各種復(fù)雜形貌的基本單元，其形貌參數(shù)為凹腔的直徑和深度。凹腔的直徑通過(guò)控制激光的波長(zhǎng)或聚焦鏡焦距和聚焦點(diǎn)位置來(lái)控制，凹腔的深度由每個(gè)激光脈沖所去除材料的多次線性疊加得到，即通過(guò)程序控制加工次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)需要的加工深度。圖3為缸套內(nèi)壁加工凹腔示意圖。圖中箭頭表示激光脈沖，Ld為點(diǎn)距，即相鄰兩凹腔之間距離，Lx為線距，即相鄰兩加工線之間的距離。假設(shè)凹腔加工2次就達(dá)到預(yù)定的深度。先在高度i的圓周上加工，加工次序?yàn)?，2，3，…，9，10，11，加工完后再加工第二次1’，2’，3’，…，9’，10’，11’ ，激光頭向下進(jìn)給線距Lx到ii處，再按上述方法加工。

　　圖3 缸套內(nèi)壁微凹腔加工示意圖

　　1.2溝槽的加工

　　溝槽由凹腔重疊而成，其形貌參數(shù)為溝槽的深度和寬度。溝槽的寬度可通過(guò)激光的波長(zhǎng)或聚焦鏡焦距和聚焦點(diǎn)的位置來(lái)控制。當(dāng)要求溝槽的寬度較大時(shí)也可通過(guò)再次重疊加工的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。溝槽的深度由凹腔的重疊系數(shù)，即光斑重疊部分面積占整個(gè)光斑面積的比例來(lái)控制。凹腔的重疊系數(shù)則由凹腔的點(diǎn)距Ld控制。圖4為單個(gè)脈沖寬度的溝槽加工示意圖。先在高度i的位置加工：在1點(diǎn)處打完脈沖后，利用脈沖間隔，工件旋轉(zhuǎn)到2點(diǎn)，再在2點(diǎn)處打脈沖。加工次序?yàn)?，2，3，…，10，11，12。加工完所有點(diǎn)后，整個(gè)凹腔所形成的包絡(luò)線即為溝槽的輪廓形貌。高度的加工方法相同。

　　圖4缸套內(nèi)壁溝槽加工示意圖

　　由以上分析可知，“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”的加工方法能夠有效地減少激光加工所帶來(lái)的負(fù)面熱效應(yīng)。但也對(duì)控制系統(tǒng)，尤其是激光光束的控制提出了較高的要求。

　　2 控制原理

　　設(shè)備要求上述所有形貌參數(shù)可控且要求具有較高的重復(fù)定位能力。為提高加工效率，要求控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)激光器脈沖發(fā)出時(shí)間和工件旋轉(zhuǎn)時(shí)間耦合，即在2個(gè)或多個(gè)脈沖時(shí)間間隔內(nèi)工件剛好旋轉(zhuǎn)過(guò)2個(gè)加工點(diǎn)之間的距離。

　　由“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”這一工藝要求制定系統(tǒng)的控制原理。圖5為系統(tǒng)的控制原理圖，整個(gè)控制部分有工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡(MC8041A)和自行設(shè)計(jì)的調(diào)Q控制卡3部分組成。工控機(jī)通過(guò)PC總線實(shí)現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)控制卡和調(diào)Q控制卡的通訊。四軸運(yùn)動(dòng)控制卡(MC8041A)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)的位置控制。調(diào)Q控制卡主要是對(duì)調(diào)Q開(kāi)關(guān)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的控制：由安裝在X、y、Z軸上的光柵尺或口軸上的光電編碼器反饋脈沖信號(hào)，經(jīng)調(diào)Q控制卡計(jì)數(shù)、倍頻、分頻后輸出激光控制信號(hào)。運(yùn)動(dòng)控制與激光控制的配合則主要由軟件實(shí)現(xiàn)。輔助裝置(光閘、氣閥)由調(diào)Q開(kāi)關(guān)控制卡外接繼電器通過(guò)程序控制。

　　圖5控制系統(tǒng)原理圖

　　3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1硬件設(shè)計(jì)

　　本文所開(kāi)發(fā)的激光微加工設(shè)備采用基于運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控系統(tǒng)。該設(shè)備主要由激光器與光路部分、工作臺(tái)部分、用于控制激光器和工作臺(tái)的控制部分及輔助裝置等幾部分組成。設(shè)備采用二極管泵浦固體(DPSS)YAG激光器，工作臺(tái)部分由回轉(zhuǎn)工作臺(tái)θ軸與二維數(shù)控精密工作臺(tái)X—y組成。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)置于二維工作臺(tái)之上，由三抓卡盤夾持工件作正反方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了滿足較高的定位要求及反饋工件轉(zhuǎn)過(guò)的位置，在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的內(nèi)部同軸方向安裝了一高精度的增量光電編碼器。二維數(shù)控精密工作臺(tái)固定在底座上，由伺服電機(jī)經(jīng)滾珠絲杠帶動(dòng)整個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)作X、y方向的正反直線運(yùn)動(dòng)。激光頭固定在z軸上隨z軸作上下直線運(yùn)動(dòng)。由4個(gè)軸的不同速度合成，可以得到任意的激光掃描軌跡。

　　3.2軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件的編制是設(shè)備開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。所開(kāi)發(fā)的軟件有2種：一是底層硬件的驅(qū)動(dòng)軟件，主要是調(diào)Q控制卡的驅(qū)動(dòng)程序。將對(duì)該卡的硬件接口的訪問(wèn)封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，便于編程時(shí)訪問(wèn)。二是面向用戶的操作界面程序，要求界面友好，能夠?qū)崿F(xiàn)加工控制且要便于操作。利用面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)通過(guò)對(duì)四軸三聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制卡MC8041A的寄存器進(jìn)行讀寫操作，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制功能。通過(guò)調(diào)用調(diào)Q控制卡封裝的函數(shù)，可選擇其輸入信號(hào)，并對(duì)輸入信號(hào)按照加工要求進(jìn)行分頻處理，最后輸出控制激光的調(diào)Q信號(hào)。利用裝在療軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器或X，y軸上的光柵尺，可以精確定位凹腔的位置，實(shí)現(xiàn)在同點(diǎn)加工多次，即“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”的加工。圖6為加工程序流程圖。

　　圖6控制系統(tǒng)程序流程圖

　　3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　系統(tǒng)軟硬件開(kāi)發(fā)完成后，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)加工零件選取機(jī)械密封環(huán)和缸套。利用“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”的加工方法，在機(jī)械密封環(huán)端面上完成凹腔的造型，在缸套內(nèi)壁完成網(wǎng)紋和垂直平行凹槽的造型。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)能夠滿足既定的“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”工藝要求且能對(duì)激光和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較好的聯(lián)動(dòng)控制。圖7為在機(jī)械密封環(huán)上進(jìn)行凹腔造型圖。圖8為在缸套內(nèi)壁進(jìn)行網(wǎng)紋和垂直平行凹槽加工圖。

　　圖7機(jī)械密封環(huán)端面凹腔微造型實(shí)物圖

　　圖8缸套內(nèi)表面網(wǎng)紋微加工圖

　　4結(jié)論

　　本文通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡與自制的調(diào)Q控制卡，利用聲光調(diào)Q技術(shù)及伺服控制有效地實(shí)現(xiàn)了“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”這一激光加工新方法。介紹了該激光加工方法及基于該加工方法的控制系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)表明：該控制系統(tǒng)滿足既定的加工要求，利用“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”的方法造型后的零件具有較好的表面質(zhì)量及很好的減磨性能。利用本文介紹的加工方法能夠加工出經(jīng)理論優(yōu)化的、一般激光加工設(shè)備難以加工的高質(zhì)量的復(fù)雜形貌。