基于特殊激光微加工方法的设备研究和开发

论文摘要

缸套和活塞环是发动机中最重要的部件之一,它们的润滑和磨损状况直接影响发动机的性能。随着激光应用技术的快速发展,国外提出了激光珩磨技术的缸套处理新方法。该方法能够更好地改善缸套和活塞环的润滑性能并能提高缸套的表面硬度。另外,激光表面微造型技术以其制造加工速度快、对环境无污染以及优良的形状和尺寸控制能力被认为是表面微造型领域成功的造型方法。然而,利用激光表面微造型技术加工金属材料时会带来较严重的负面热效应。因此本文提出了“单脉冲同点间隔多次”的激光微造型新方法。利用该方法能够高效率的加工出微观或宏观的造型形貌,且能显著减少激光加工所带来的负面热效应。本文介绍了该加工新工艺,并根据该工艺要求分析了几种典型零件上形貌的加工方法。探讨了基于该方法控制系统的实现,阐述了系统的基本组成及控制原理。系统由激光器与光路部分、工作台部分、用于控制激光器和工作台的控制部分和辅助装置四部分组成。主要研究了基于二极管泵浦YAG激光器、工控机、运动控制卡和激光控制卡的激光珩磨专用设备的硬件系统设计,以及控制软件的开发。在硬件方面,论述了控制系统的组成和工作机理,并深入研究了MC8041P卡的内部控制原理和外部接口,提出了用一块激光控制卡进行激光器和运动控制系统的协同控制,实现了激光微造型形貌可控以及单脉冲同点间隔多次激光微加工新工艺,这是激光珩磨设备的核心技术与关键。在软件方面,论述了如何利用面向对象的编程语言和动态链接库技术实现应用程序与MC8041P间的通讯及各种加工方式的实现,保证了加工的顺利进行。最后进行了典型摩擦副的激光珩磨实验和平板的激光微造型实验,验证了设备的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 激光表面微造型技术的特点
• 1.2 激光表面微造型技术的国内外发展概况
• 1.3 激光表面微造型技术在摩擦副中的应用
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 1.5 本课题研究的目的和意义
• 第二章 激光设备的系统设计
• 2.1 激光设备的功能定位
• 2.2 “单脉冲同点间隔多次”加工工艺
• 2.2.1 “单脉冲同点间隔多次”工艺背景
• 2.2.2 “单脉冲同点间隔多次”工艺原理
• 2.3 常见微加工形貌分析
• 2.3.1 圆环类零件——机械密封环
• 2.3.2 圆柱桶类零件——缸套内表面
• 2.3.3 形貌参数和加工参数
• 2.4 激光加工设备的系统设计
• 2.4.1 加工方法
• 2.4.2 控制方案
• 2.5 激光加工设备的系统建立
• 2.6 本章小结
• 第三章 激光设备的硬件开发
• 3.1 激光器的选择
• 3.1.1 固体激光器
• 3.1.2 二极管泵浦YAG激光器
• 3.1.3 声光调Q
• 3.2 工作台与驱动
• 3.3 反馈原件的选择
• 3.4 控制系统
• 3.4.1 运动控制卡与位置控制
• 3.4.2 激光控制卡
• 3.4.3 辅助装置控制
• 3.5 本章小结
• 第四章 激光珩磨设备的软件开发
• 4.1 运动控制卡功能函数的封装
• 4.2 激光控制卡的编程
• 4.3 系统软件的开发
• 4.3.1 数控软件的结构
• 4.3.2 工作台调整
• 4.3.3 加工模块
• 4.4 本章小结
• 第五章 激光加工实验
• 5.1 平板的表面微造型实验
• 5.1.1 实验条件
• 5.1.2 实验结果及分析
• 5.2 缸套的激光珩磨实验
• 5.2.1 实验方案的确定
• 5.2.2 实验结果及分析
• 5.3 其他摩擦副表面微造型实验
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文