采用激光技术制备组合式耦合仿生内表面的铸铁制动毂

摘要

本发明涉及一种采用激光技术制备组合式耦合仿生内表面的铸铁制动毂，该制动毂内表面制备有横纹仿生单元体和紧密贴合的斜条纹或网状仿生单元体；横条纹仿生单元体呈圆环形且与制动毂地面平行，条纹状或网状仿生单元体由复数条激光条纹为一组，相互平行，布满制动毂内表面；本发明通过在制动毂内壁加工紧密贴合的激光仿生单元体，可以在显著提高制动毂的耐磨性，抑制热疲劳裂纹扩展的同时，降低了表面粗糙度，减少单个的激光仿生单元体对摩擦片的切削作用，降低摩擦片的损耗。同时，圆环状的横条纹仿生单元体可以在不显著增加摩擦片损耗的同时，阻止热疲劳裂纹沿平行于斜条纹单元体方向扩展，起到补足作用。

说明书

技术领域

本发明属于铸铁制动毂技术领域，涉及一种对摩擦片损耗影响较小的采用激光技术制备组合式耦合仿生内表面的铸铁制动毂。

背景技术

铸铁具有一定的强度和良好的摩擦学特性，且铸造性能较好，尤其是材料和制造成本低廉，因此长期以来一直为制动鼓所用。近年来，随着路面质量和车辆技术的发展，卡车的平均时速越来越高，在山区等复杂路面中运行时，由于制动力矩大，制动频繁，制动鼓负荷更大，经常提早失效，给卡车的安全行驶造成了极大危害。仿生学是研究生物系统的结构、形状、原理、行为、以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。仿生耦合的定义是将两种或两种以上仿生体系耦合，构建成以低能量获取最大环境适应性为特征的人工技术集成体系。激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等优良特性，常用的激光表面强化技术主要包括激光相变硬化、激光熔凝、激光合金化和激光熔敷。激光熔凝是采用近于聚焦的激光束照射材料使其表层熔化，依靠基体自身冷却快速凝固，熔凝层形成的组织非常细密，可以增强材料表层的耐磨性和耐蚀性。激光熔敷是在材料表面添加预敷层，通过激光束照射使预敷层全部熔化，基材微熔，结合处被熔化的基材稀释，达到增强材料耐磨耐蚀性，或通过预敷层材料的添加使基材表面获得特殊性能的目的。出于经济实用的考虑，铸铁制动毂可采用激光熔凝的方式进行强化，在制动毂内表面形成具有一定形状的激光条纹，使得制动毂的抗磨损性能和抗热疲劳性能得到大大增加。然而，由于激光熔凝处理形成的激光条纹，其硬度较大，且表面粗糙不平，在有效增加制动毂使用寿命的同时，会使与其对磨的摩擦片造成较大的磨损。

中国专利公报公开了一种“采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动鼓”(申请号2016109147373)。该制动鼓内表面的横条纹仿生单元体和斜条纹仿生单元体均为单一的条状仿生单元体，其缺点是：仿生条纹宽度窄，局部表面粗糙度大，导致摩擦片的损耗提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采用激光技术制备组合式耦合仿生内表面的铸铁制动毂，该制动鼓通过模型的改善缓和了仿生单元体对摩擦片的切削作用，显著减少了摩擦片的损耗。

为解决上述技术问题，本发明的采用激光技术制备组合式仿生耦合内表面的铸铁制动毂采用下述两种技术方案。

技术方案一

本发明的的采用激光技术制备组合式耦合仿生内表面的铸铁制动毂，其内表面制备有横条纹仿生单元体和斜条纹仿生单元体，横条纹仿生单元体呈圆环形，且横条纹仿生单元体与制动毂底面平行；所述斜条纹仿生单元体以2-4条为一组，相互平行，相邻斜条纹仿生单元体部分重熔，设相邻两条斜条纹仿生单元体的中心距为a,a≥80％×w×csc45°，其中W为斜条纹仿生单元体的宽度；两种仿生单元体深度h在0.8-1.2mm之间，单条宽度w在1.0-1.5mm之间，仿生单元体表面最低点与制动毂母材面的高度差为t1，-0.15mm≤t1≤-0.05mm，最高点与制动毂母材面的高度差为t2，+0.1mm≤t2≤+0.2mm。

所述斜条纹仿生单元体在制动毂纵截面上的投影与制动毂底面呈45°角，每组中相邻斜条纹仿生单元体中线的弧线距离a在1.2-1.8mm之间。

所述横条纹仿生单元体从所述制动毂内壁上部开始，每两条横条纹仿生单元体之间相距为50mm。

相邻两组斜条纹仿生单元体之间的弧线距离L在50-100mm之间。

技术方案二

一种采用激光技术制备组合式耦合仿生内表面的铸铁制动毂，其内表面制备有A斜条纹仿生单元体和B斜条纹仿生单元交叉构成的网状仿生单元体，斜条纹仿生单元体以2-3条为一组，相互平行，相邻斜条纹仿生单元体部分重熔，设相邻两条斜条纹仿生单元体的中心距为a,a≥80％×w×csc45°，其中w为斜条纹仿生单元体的宽度；斜条纹仿生单元体深度h在0.8-1.2mm之间，单条宽度w在1.0-1.5mm之间，斜条纹仿生单元体表面最低点与制动毂母材面的高度差为t1，-0.15mm≤t1≤-0.05mm，最高点与制动毂母材面的高度差为t2，+0.1mm ≤t2≤+0.2mm。

进一步，构成网状仿生单元体的A斜条纹仿生单元体和B斜条纹仿生单元体在制动毂纵截面上的投影与制动毂底面分别呈45°角和135°角，每组中相邻两条斜条纹仿生单元体中线的弧线距离a在1.2-1.8mm之间。

相邻两组A斜条纹仿生单元体、相邻两组B斜条纹仿生单元体之间的弧线距离L均在70-100mm之间。

制备制动毂内表面仿生单元体所用的激光器，其电流为105-135A，脉宽为 4-7ms，频率为20hz，离焦量为3-6cm，扫描速度为2mm/s

制备制动毂内表面仿生单元体所用的激光器，其优选电流为115A,脉宽为 6ms，频率为20hz，离焦量为4.9mm，扫描速度为2mm/s

本发明针对重载复杂路面用铸铁制动毂的磨损和热疲劳开裂失效情况，采用激光表面处理技术在毂内表面制备出由不同形状和结构耦元组成的仿生耦合内表面，改善了制动毂的耐磨损和抗热疲劳性能。

为了提高铸铁制动毂内表面的抗磨损性能，本发明设计45°角的斜条纹仿生单元体，可以显著增加制动毂内表面的抗磨损性能。在此基础上，针对仿生单元体由于硬度和表面粗糙度的增加造成的摩擦片损耗严重的情况，设计了紧密贴合部分重熔的斜条纹仿生单元体。该形状的仿生单元体与同等面积单条仿生单元体相比，由于热疲劳裂纹难以连续贯穿由几条仿生单元体组成的一组仿生单元体，从而使制动毂的抗热疲劳性能得到了增强；同时由于一组内仿生单元体分布较为集中，减少了仿生单元体与基体交界处由于高度差引起的对摩擦片的切削作用；紧密贴合的仿生单元体由于部分重熔，降低了表面粗糙度，进一步减少了对摩擦片的磨损，为防止过多的重熔降低激光仿生单元体的机械性能，相邻两条单元体的中心距a,不宜低于仿生单元体在平行于制动毂底面方向上的弧线宽度的80％。

针对铸铁制动毂的失效机制，热疲劳裂纹主要沿近似垂直于制动毂底面的方向扩展，单一45°角斜条纹不能完全满足阻止热疲劳裂纹扩展的需求，因此设计组合式模型以进一步提高抗热疲劳性能。

在紧密贴合的45°角斜条纹仿生单元体的基础上，添加紧密贴合的135°角斜条纹，组成网状条纹，具有分布均匀，各方向抗疲劳磨损性能一致性好等优点，考虑到重熔点面积增大会使性能降低，该模型仅采用2-3条仿生单元体紧密贴合作为一组，同时相邻两组单元体之间的间距不宜过小。相邻两条单元体的中心距a,不宜低于仿生单元体在平行于制动毂底面方向上的弧线宽度的 80％。

在紧密贴合的45°角斜条纹仿生单元体的基础上，添加圆环状横条纹网格单元体作为补充，组成组合式仿生耦合内表面，可有效防止热疲劳裂纹沿平行于斜条纹仿生单元体的方向发展，具有加工量较小，重熔点较少等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明对比例1的示意图。

图2是本发明实施例1的示意图。

图3是本发明实施例2的示意图。

图4是本发明实施例3的示意图。

图5是本发明实施例4的示意图。

图6是本发明实施例5的示意图。

图7是本发明实施例6的示意图。

图8是图5的局部放大图。

图9是制动毂的横截面局部放大图。

图10是图9的局部放大图。

图11是图9的局部放大图。

具体实施方式

对比例

如图1所示，铸铁制动毂内表面制备有多条横条纹仿生单元体和斜条纹仿生单元体；横条纹仿生单元体与制动毂底面平行，呈圆环形，且相邻两条横条纹仿生单元体之间的间距为50mm；斜条纹仿生单元体与制动毂底面呈45°，相邻两条斜条纹仿生单元体之间的弧线距离L为50mm。仿生单元体表面最低点与制动毂母材面的高度差为t1＝-0.15mm，最高点与制动毂母材面的高度差为 t2＝0.2mm，在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的8％，仿生单元体深度h＝0.9mm，宽度w＝1.2mm。

制备两种仿生单元体所用激光器，电流110a，脉宽5ms，频率20hz，离焦量3.8mm，扫描速度2mm/s(扫描速度即激光光斑沿制动毂内表面上移动的线速度)；两种仿生单元体共同作用提高制动毂的耐磨性和抗热疲劳性能。经试验测试，制动毂的使用寿命相比未处理制动毂提高了1.35倍以上，与制动毂对磨的摩擦片的磨损量为未处理制动毂的1.9倍。

实施例1

如图2所示，铸铁制动毂内表面制备有多条横条纹仿生单元体11和多组斜条纹仿生单元体12；横条纹仿生单元体11与制动毂底面平行，呈圆环形，且相邻两条横条纹仿生单元体11之间的间距为50mm；斜条纹仿生单元体12与制动毂底面呈45°，以2条横条纹仿生单元体11为一组，组中相邻两条斜条纹仿生单元体12中线之间的弧线距离a为1.8mm，相邻两组斜条纹仿生单元体 12之间的弧线距离L为50mm。两种仿生单元体的形貌如图9所示，仿生单元体表面最低点与制动毂母材面的高度差为t1＝-0.05mm，最高点与制动毂母材面的高度差为t2＝0.2mm，在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的15％，仿生单元体深度h＝1.2mm，宽度w＝1.5mm。

制备两种仿生单元体所用激光器，电流135a，脉宽7ms，频率20hz，离焦量6mm，扫描速度2mm/s(扫描速度即激光光斑沿制动毂内表面上移动的线速度)；两种仿生单元体共同作用提高制动毂的耐磨性和抗热疲劳性能。经试验测试，制动毂的使用寿命相比未处理制动毂提高了1.6倍以上，与制动毂对磨的摩擦片的磨损量为未处理制动毂的1.7倍。

实施例2

如图3所示，铸铁制动毂内表面制备有多条横条纹仿生单元体11和多组斜条纹仿生单元体12；横条纹仿生单元体11与制动毂底面平行，呈圆环形，且相邻两条横条纹仿生单元体11之间的间距为50mm；斜条纹仿生单元体12与制动毂底面呈45°，以3条斜条纹仿生单元体12为一组，组中相邻两条斜条纹仿生单元体12中线之间的弧线距离a为1.65mm，相邻两组斜条纹仿生单元体12之间的弧线距离L为75mm。两种仿生单元体的形貌如图9所示，仿生单元体表面最低点与制动毂母材面的高度差为t1＝-0.08mm，最高点与制动毂母材面的高度差为t2＝0.13mm，在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的11％，仿生单元体深度h＝0.8mm，宽度w＝1.4mm。

制备两种仿生单元体所用激光器，电流120a，脉宽5ms，频率20hz，离焦量5.3mm，扫描速度2mm/s(扫描速度即激光光斑沿制动毂内表面上移动的线速度)；两种单元体共同作用提高制动毂的耐磨性和抗热疲劳性能。经试验测试，制动毂的使用寿命相比未处理制动毂提高了1.55倍以上，与制动毂对磨的摩擦片的磨损量为未处理制动毂的1.5倍。

实施例3

如图4所示，铸铁制动毂内表面制备有多条横条纹仿生单元体11和多组斜条纹仿生单元体12；横条纹仿生单元体11与制动毂底面平行，呈圆环形，且相邻两条横条纹仿生单元体11之间的间距为50mm；斜条纹仿生单元体12与制动毂底面呈45°，以4条斜条纹仿生单元体为一组，组中相邻两条斜条纹仿生单元体中线之间的弧线距离a为1.5mm，相邻两组斜条纹仿生单元体12之间的弧线距离L为100mm。两种仿生单元体的形貌如图9所示，仿生单元体表面最低点与制动毂母材面的高度差为t1＝-0.07mm，最高点与制动毂母材面的高度差为t2＝0.1mm，在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的7％，仿生单元体深度h＝0.9mm，宽度w＝1.3mm

制备两种仿生单元体所用激光器，电流115a，脉宽6ms，频率20hz，离焦量4.9mm，扫描速度2mm/s(扫描速度即激光光斑沿制动毂内表面上移动的线速度)；两种单元体共同作用提高制动毂的耐磨性和抗热疲劳性能。经试验测试，制动毂的使用寿命相比未处理制动毂提高了1.5倍以上，与制动毂对磨的摩擦片的磨损量为未处理制动毂的1.3倍。

实施例4

如图5所示，铸铁制动毂内表面制备有多条横条纹仿生单元体11和多组斜条纹仿生单元体12；横条纹仿生单元体11与制动毂底面平行，呈圆环形，且相邻两条横条纹仿生单元体之间的间距为50mm；斜条纹仿生单元体12与制动毂底面呈45°，以4条斜条纹仿生单元体为一组，组中相邻两条斜条纹仿生单元体12中线之间的弧线距离a为1.4mm，相邻两组斜条纹仿生单元体12之间的弧线距离L为50mm。两种仿生单元体的形貌如图9所示，仿生单元体表面最低点与制动毂母材面的高度差为t1＝-0.15mm，最高点与制动毂母材面的高度差为t2＝0.2mm，在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的8％，仿生单元体深度h＝0.9mm，宽度w＝1.2mm。

制备两种仿生单元体所用激光器，电流110a，脉宽5ms，频率20hz，离焦量3.8mm，扫描速度2mm/s(扫描速度即激光光斑沿制动毂内表面上移动的线速度)；两种仿生单元体共同作用提高制动毂的耐磨性和抗热疲劳性能。经试验测试，制动毂的使用寿命相比未处理制动毂提高了2.0倍以上，与制动毂对磨的摩擦片的磨损量为未处理制动毂的1.4倍。

实施例5

如图6所示，铸铁制动毂内表面制备有多组A斜条纹仿生单元体21和B斜条纹仿生单元体交叉而成的网状单元体；A斜条纹仿生单元体21和B斜条纹仿生单元体与制动毂底面分别呈45°、135°，A斜条纹仿生单元体21和B斜条纹仿生单元体分别以2条单元体为一组，组中相邻两条斜条纹仿生单元体中线之间的弧线距离a为1.5mm，相邻两组斜条纹仿生单元体之间的弧线距离L 为100mm。仿生单元体的形貌如图9所示，仿生单元体表面最低点与制动毂母材面的高度差为t1＝-0.07mm，最高点与制动毂母材面的高度差为t2＝0.1mm，在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的7％，仿生单元体深度h＝0.9mm，宽度w＝1.3mm

制备仿生单元体所用激光器，电流105a，脉宽6ms，频率20hz，离焦量4.9mm，扫描速度2mm/s(扫描速度即激光光斑沿制动毂内表面上移动的线速度)；两种单元体仿生共同作用提高制动毂的耐磨性和抗热疲劳性能。经试验测试，制动毂的使用寿命相比未处理制动毂提高了1.8倍以上，与制动毂对磨的摩擦片的磨损量为未处理制动毂的1.7倍。

实施例6

如图7所示，铸铁制动毂内表面制备有多组A斜条纹仿生单元体21和B斜条纹仿生单元体交叉而成的网状单元体；A斜条纹仿生单元体21和B斜条纹仿生单元体与制动毂底面分别呈45°、135°，A斜条纹仿生单元体21和B斜条纹仿生单元体以3条单元体为一组，组中相邻两条斜条纹仿生单元体中线之间的弧线距离a为1.2mm，相邻两组斜条纹仿生单元体之间的弧线距离L为 100mm。仿生单元体的形貌如图9所示，仿生单元体表面最低点与制动毂母材面的高度差为t1＝-0.1mm，最高点与制动毂母材面的高度差为t2＝0.15mm，在仿生单元体的纵向剖面上，内部气孔的面积为仿生单元体总面积的10％，仿生单元体深度h＝1.0mm，宽度w＝1.0mm

制备仿生单元体所用激光器，电流115a，脉宽4ms，频率20hz，离焦量3mm，扫描速度2mm/s(扫描速度即激光光斑沿制动毂内表面上移动的线速度)；两种单元体共同作用提高制动毂的耐磨性和抗热疲劳性能。经试验测试，制动毂的使用寿命相比未处理制动毂提高了1.75倍以上，与制动毂对磨的摩擦片的磨损量为未处理制动毂的1.6倍。