激光微織構加工技術與設備研究

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

關鍵詞：激光加工技術；微織構形貌；激光加工設備

1研究背景

激光具有亮度高、方向性好、相干性強以及單色性好等特性，被廣泛應用于醫(yī)療、通信、航空航天和制造業(yè)領域，并逐漸衍生出新的加工技術——激光加工技術[1]。激光加工技術的加工條件較低，加工區(qū)域較小，能夠精準加工復雜微觀形貌結構等，實現(xiàn)了傳統(tǒng)機械加工從粗糙化向精細化的轉變，并將激光加工技術進一步升級為激光微織構加工技術。近年來，激光微織構加工技術作為一種新興加工技術，在我國先進機械制造行業(yè)尤其是精細加工領域得到了飛速發(fā)展。尤其是它在減磨潤滑性能方面的優(yōu)異表現(xiàn)，是我國傳統(tǒng)機械加工手段無法比擬的。同時，激光微織構加工技術具備非接觸、無磨損、無污染和高效高精等優(yōu)點，正逐漸取代傳統(tǒng)加工技術成為精細加工技術的主流。但是，激光微織構加工的工藝參數(shù)眾多，實際工況也較為復雜。

2激光微織構加工技術分類

激光微織構加工技術由激光加工技術衍生而來，特指激光加工技術應用在微加工領域的加工技術。其中，激光微織構加工技術是指在幾百微米內的加工尺寸下，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)象或化學現(xiàn)象，以改變材料表面的機械特性的一種加工方法[2]，是當前激光加工技術的一種常用方法。激光微織構加工技術具有加工速度快、效率高及非接觸式加工方式等優(yōu)勢。加工的常見微織構形貌有凹坑形、凹槽形、凸體形和鱗片形等[3-4]。因此，根據(jù)加工所得的織構形貌特征的不同，可將激光微織構加工技術細分為4類，類型特征如圖1所示。

2.1激光毛化加工技術

激光毛化加工技術是指應用激光微織構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。激光毛化加工技術最早開始于1980年的比利時冶金研究中心。該中心起初利用CO2激光器對冷軋輥表面進行激光毛化加工[6]，隨后激光毛化加工技術引起了國內外研究學者的廣泛關注，成為激光微織構加工的研究熱點，并促進了激光毛化加工技術的高速發(fā)展。王春艷等將激光毛化加工技術與NaOH陽極氧化技術進行工藝對比，發(fā)現(xiàn)激光毛化和NaOH陽極氧化在提高TB8鈦合金與復合材料的膠接剝離強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理[9]；符永宏、潘彩云、符昊等在模具鋼5CrNiMo表面進行激光毛化處理，探究毛化織構面積占有率和織構高度對試樣表面摩擦磨損性能的影響，對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

激光微凹坑加工技術是激光微織構加工技術中最常見的方法之一。加工所得的微凹坑織構依據(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能夠顯著改善潤滑性能、儲存脫落顆粒以及優(yōu)化儲油條件，在潤滑減磨方面表現(xiàn)優(yōu)異，多用于模具和機械零件等場合。鐘林等研究不同表面激光微凹坑織構對牙輪鉆頭軸承摩擦學性能的影響，發(fā)現(xiàn)激光微凹坑的幾何形狀和排布方式對軸承減摩和耐磨效果影響極大，得出了延長牙輪鉆頭軸承使用壽命的優(yōu)化設計方案[13]；何霞等探討激光參數(shù)與微凹坑織構直徑和深度間的變化規(guī)律，深入研究織構形貌的變化對摩擦副表面摩擦系數(shù)和磨損量的影響[14]；蔣雯等通過對比潤滑條件下的激光微凹坑織構的摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)微凹坑織構能夠明顯改善7075鋁合金表面的摩擦學性能，并探索了凹坑直徑和面積密度對減摩性能的影響規(guī)律[15]。

2.3激光微溝槽加工技術

激光微溝槽加工技術具有加工方便和價格低廉等特點，在摩擦學和醫(yī)學等領域應用廣泛。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相結合，通過改變溝槽橫截面形狀達到了減阻的目的[17-19]。婁德元等利用激光微織構加工技術得到正方形網格溝槽凸起結構的超親水表面，通過對比微織構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象，研究激光加工參數(shù)與微溝槽織構幾何參數(shù)之間的關系，分析得到激光功率為10～14W、脈寬重復頻率為20～30kHz、掃描速度為1000ms左右時，高速鋼表面微溝槽織構質量較好[21]；歐陽承達等采用光纖激光器在化學氣相沉積（ChemicalVaporDeposition，CVD）金剛石薄膜表面進行V形微溝槽形貌加工，如圖4所示，并對3種不同截面的微凹槽織構進行實驗對比，明確了溝槽深度與溝槽形狀、激光掃描頻次以及脈寬的關系[22]。

2.4激光復雜織構加工技術

激光微織構加工技術除了能夠加工毛化、微凹坑以及微溝槽等常見的織構形貌外，還可以加工鱗片形的仿生織構、凹坑-凹槽的組合織構[23]以及基于橢圓優(yōu)化[24]的復合織構等特殊表面織構，如圖5所示?？紤]這類織構的形狀復雜、加工難度大等，將這類激光微織構加工技術統(tǒng)稱為激光復雜織構加工技術。目前，針對激光復雜織構加工技術的理論基礎較為薄弱，實驗研究還處于發(fā)展階段。郭志遠等基于蜣螂表皮和鯊魚表皮，提出微凹坑織構、微溝槽織構和微坑-槽復合織構的復雜織構，并驗證仿生學織構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備，在液壓缸缸筒內表面加工仿鯊魚體表菱形微織構形貌，探討織構形貌與表面粗糙度對液壓缸的動壓潤滑的改善效果[25]。彭龍龍等以方形織構、菱形織構、球形織構以及Koch雪花織構為例，對比不同織構形狀對軸承湍流潤滑效果大小，驗證了復雜織構能夠提高液膜湍流流動性，進而提高液膜壓力和承載力[26]。

3激光微織構加工設備研究進展

激光微織構加工設備是激光微織構加工過程中的重要設備，特別是激光微織構加工技術的研究對加工設備提出了更高要求。目前，激光微織構加工設備已經成為機械制造行業(yè)的熱門研究對象。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上推出六軸超快激光微加工設備，可實現(xiàn)其在金屬、非金屬以及復合材料等大幅薄壁復雜曲面上的表面紋理、輪廓和微腔加工，適合復雜曲面薄壁零件微加工[27]。江蘇大學的華?？〉雀鶕?jù)多功能皮秒激光加工系統(tǒng)當前存在的性能不達標及功能單一等問題，通過設計光學系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)在內的各子系統(tǒng)，集成優(yōu)化了多功能皮秒激光加工系統(tǒng)，可實現(xiàn)性能升級和功能全面優(yōu)化，為皮秒激光微織構工藝研究奠定了良好基礎[28]。江蘇大學符永宏教授的團隊優(yōu)化升級傳統(tǒng)的采用單片機串行時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)場可編程邏輯門陣列（FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA）并行時序工作方式的控制系統(tǒng)，有利于提高主軸電機和主軸編碼器的運行精度，為內燃機缸套內表面激光微織構加工工藝研究提供設備支撐，具有重要的應用價值[29]。

4結語

依據(jù)織構形貌特征的不同，分類激光微織構加工技術，介紹激光毛化加工技術、激光微凹坑加工技術、激光微溝槽加工技術以及激光復雜織構加工技術的當前研究進展，闡述激光微織構加工設備的研究現(xiàn)狀。激光微織構加工技術能夠顯著改善運動表面潤滑性能，降低摩擦和磨損，提高零部件的機械性能和材料性能，成為摩擦學領域的關注熱點，具有廣闊的研究和應用前景。激光微織構加工設備涵蓋的內容十分廣泛，其中控制系統(tǒng)的設計、研究與開發(fā)是對激光微織構加工設備和多軸機床伺服運動控制系統(tǒng)的一種深度挖掘。為使激光微織構加工設備的功能更加完善、性能更加優(yōu)化，需要不斷對其進行探索與研究。

作者:王礬 顧建 張旭東 單位:淮安生物工程高等職業(yè)學校機電工程系