摩擦副表面激光微造型设计及工艺研究
目 录
1 引言 2
1.1 课题研究背景 2
1.2 表面微造型技术 2
1.3 本课题研究的内容和方法 5
1.4 本课题研究的目的和意义 5
2 激光表面微造型 6
2.1 激光表面微造型的加工工艺原理与特点 6
2.2 激光表面微造型质量的影响因素 8
3 激光微造型实验研究 9
3.1 激光微造型设备的组成及工作原理 9
3.2 激光微造型实验研究及过程 11
3.3 表面造型三维形貌测量 17
3.4 本章小结 19
4 摩擦磨损实验研究 19
4.1 摩擦磨损实验相关试验台简介 19
4.2 实验条件的选择与实验过程 20
4.3 实验结果与研究分析 23
4.4 本章小结 27
结 论 28
致 谢 30
参考文献 31
1 引言
1.1 课题研究背景
摩擦副的摩擦学行为研究一直都是国内外学者们研究探讨的一个热点问题。磨擦副的磨擦学行为研究,不管是在理论研究方面,或者是在实际的指导应用方面,都有着无比重要的意义。在机械系统中,存在各种磨擦副,这些磨擦副的磨擦学行为不仅影响机械系统的工作性能和运行效率,而且还可能导致其失效[ 1]。据估计, 全世界大约有1 /2 ~ 1 /3的能源以各种形式消耗在摩擦上, 而摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因, 大约有80% 的零件损坏是由于各种形式的磨损引起的[ 2] 。由上述可看出，摩擦磨损是招致零部件表面磨损、材料损耗、能源损耗等的主要原 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
因之一，因此改善摩擦副的润滑性能对于降低摩擦、减少磨损、提高零部件的使用寿命是极其重要的。从研究初期到现在，学者们一直从未停止研究的步伐，并且取得了较多较为理想的理论研究成果，同样对日常的工业生产发挥出来巨大的理论指导作用，让人们看到了该领域的研究价值与前景。
几十年之前，就有西方的学者开始研究在工件表面加工出微观造型形貌，以此来改善物体的表面摩擦性能。随着科学技术水平的发展和提高，许多研究方法与处理手段的日益丰富，摩擦学的相关理论研究越来越多，研究也更为系统全面。因传统的机械加工方法对于摩擦副表面的微米级别的表面加工工艺是无法完成，激光应用技术的发展使得更多的人将目光聚焦到激光处理的技术上——激光表面微造型技术，现在这种新技术在机械制造业中具有着广泛的用途。
1.2 表面微造型技术
1.2.1 激光表面微造型技术的特点
激光是本世纪最大的一项发明，第一台激光器的发明，使得激光、光电子等相关新兴行业兴起并不断发展壮大，同时推动国际学者对激光及其相关领域的研究。
激光表面造型技术, 是指利用一定能量密度的激光束,在工件工作表面上形成与润滑性能要求优化匹配的、连续均匀的、并具有一定密度 (间距 )、宽度、深度、角度及形状的贮存和输送润滑油的沟槽、纹路或凹腔[ 3]。激光表面微造型技术利用激光的相干性、单色性、高亮度和平行性这4个主要特点对材料进行加工，具有加工材料范围广、精度高、加工条件易满足、功率密度高、自动化程度高等优点。此外，激光加工与传统机械加工方法相比，还具有不受加工性状限制、非接触性加工、无刀具磨损、不需要润滑和工作介质、无污染、加工变形量小以及加工质量高，设备价格相对较低等诸多优点[ 4]。
激光表面微造型的诸多优点，使得众多学者对该技术青睐有加，将其视为研究重点，我相信该技术发展成熟之时，也必将在日后的机械制造业与实际的工程应用中发挥出无比巨大的作用。
1.2.2 激光表面微造型国内外发展现状
表面技术及微造型领域的研究较早出现在德国，在激光微细造型技术上,德国的RWTH Aachell大学的Hopperman A.和Kordt M.等人,通过对多种微细加工技术的研究,认为激光表面微造型是最易控制的微细形貌造型技术[ 5]。到目前为止，激光表面微造型技术的研究开发就从未停止过，一直受到各国研究人员的重视和研究。
20世纪初，Salama[ 6]在试验中发现，工件表面上的微小形貌对摩擦学性能有较大影响，也就是表面糙度对工件的摩擦磨损性能有较大影响。20世纪60年代，Hamilton[ 7]等在实验中发现，运动工件的表面微细形貌对油膜压力的提高有很大的促进作用，从而提高支撑加载载荷的能力，同时又使相对摩擦面分离开来，降低了表面的摩擦磨损。20 世纪90 年代初，激光表面造型技术开始在实际生产中应用起来，首先应用在磁存储产业。90 年代中期，德国学者进行了大量激光表面造型技术方面的实验与研究，可惜当时大部分研究的相关材料没有被完好的保存起来。
2000 年，激光表面造型技术被Henry 等应用到实际应用上—刀具表面，实验表明，表面造型确实可以改善磨擦磨损的性能，提高刀具的使用寿命[ 8]。2005年，Etsion 阐述了规则细微凹坑对于环端面的机械密封性能的提高有很高的实用价值，且对相应的激光表面微造型技术的工艺与原理等做了一定的总结，至此激光微造型技术基本达到实用阶段[ 9]。2006 年，德国学者[ 10]在高速钢冲压模具表面利用激光进行造型，实验发现，经过表面微造型的模具寿命为未造型模具的2.4～2.7倍，并且可以节省成型中润滑油的用量。2007 年，Andersson[ 11] 进行了对抛光加工和激光造型的两种微凹坑造型表面的摩擦磨损实验研究，实验发现，激光造型表面的摩擦磨损性能远比抛光表面高得多。
由以上所述可看出，国外对表面造型技术的研究起步较早，从最初的发现到现在一直没有停下研究的步伐。
我国的激光表面微造型技术研究与产业起步较晚，但是发展迅速，到目前已取得一定的研究成果，随着微型机电的发展，我国的激光成型研究与相关加工产业也必将不断扩大，技术水平势必逐步提高。
国内江苏大学的研究人员在2001年，对G427型柴油发动机硼铸铁赶套内壁进行激光表面微造型并进行装机试验研究，结果表明，有造型的虹套及活塞环，摩擦性能大幅度提高，与相同工况下的光滑试样相比，活塞环的磨损量从5um降低到2.5um，虹套的磨损量从3um降低到1.5um，结果表明激光微造型工艺有着较大的优越性。研究人员还对牌号250，Ra0.01~0.02的灰铸铁进行磨损试验。研究表明，在金属表面可利用半导体粟浦脉冲激光进行几十微米量级的微结构造型。菜浦电流为8-22A，功率密度大约为107W/cm2，扫描速度为8~22mm/s，重复频率为5~15kHz，加工过程辅助气体保护，石英水玻璃作为涂层，能够获得较好表面加工的质量和理想的深度和宽度[ 12]。吉林大学研究人员从生物仿生原理出发，对鲨鱼、蜕螂、壁虎、贝壳、牙齿这些天然生物的耐磨表面几何形貌特征进行分析，如图1.1是根据大自然生物表面的特征进行的几何造型形貌，发现了大自然生物表面不是光滑表面十分普遍，同时认为对生物非光滑层面的研究对工程实际的减阻、脱附和耐磨等方面具有重大研究意义。仿生非光滑耐磨缸套试验结果指出，在油润滑条件下，仿生非光滑形貌的摩擦副的抗粘着磨损性能明显优于光滑形貌，其主要原因是在有润滑条件下，仿生非光滑形貌具有较强的储存润滑油及形成油膜的能力[ 13]。
1 引言 2
1.1 课题研究背景 2
1.2 表面微造型技术 2
1.3 本课题研究的内容和方法 5
1.4 本课题研究的目的和意义 5
2 激光表面微造型 6
2.1 激光表面微造型的加工工艺原理与特点 6
2.2 激光表面微造型质量的影响因素 8
3 激光微造型实验研究 9
3.1 激光微造型设备的组成及工作原理 9
3.2 激光微造型实验研究及过程 11
3.3 表面造型三维形貌测量 17
3.4 本章小结 19
4 摩擦磨损实验研究 19
4.1 摩擦磨损实验相关试验台简介 19
4.2 实验条件的选择与实验过程 20
4.3 实验结果与研究分析 23
4.4 本章小结 27
结 论 28
致 谢 30
参考文献 31
1 引言
1.1 课题研究背景
摩擦副的摩擦学行为研究一直都是国内外学者们研究探讨的一个热点问题。磨擦副的磨擦学行为研究,不管是在理论研究方面,或者是在实际的指导应用方面,都有着无比重要的意义。在机械系统中,存在各种磨擦副,这些磨擦副的磨擦学行为不仅影响机械系统的工作性能和运行效率,而且还可能导致其失效[ 1]。据估计, 全世界大约有1 /2 ~ 1 /3的能源以各种形式消耗在摩擦上, 而摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因, 大约有80% 的零件损坏是由于各种形式的磨损引起的[ 2] 。由上述可看出，摩擦磨损是招致零部件表面磨损、材料损耗、能源损耗等的主要原 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
因之一，因此改善摩擦副的润滑性能对于降低摩擦、减少磨损、提高零部件的使用寿命是极其重要的。从研究初期到现在，学者们一直从未停止研究的步伐，并且取得了较多较为理想的理论研究成果，同样对日常的工业生产发挥出来巨大的理论指导作用，让人们看到了该领域的研究价值与前景。
几十年之前，就有西方的学者开始研究在工件表面加工出微观造型形貌，以此来改善物体的表面摩擦性能。随着科学技术水平的发展和提高，许多研究方法与处理手段的日益丰富，摩擦学的相关理论研究越来越多，研究也更为系统全面。因传统的机械加工方法对于摩擦副表面的微米级别的表面加工工艺是无法完成，激光应用技术的发展使得更多的人将目光聚焦到激光处理的技术上——激光表面微造型技术，现在这种新技术在机械制造业中具有着广泛的用途。
1.2 表面微造型技术
1.2.1 激光表面微造型技术的特点
激光是本世纪最大的一项发明，第一台激光器的发明，使得激光、光电子等相关新兴行业兴起并不断发展壮大，同时推动国际学者对激光及其相关领域的研究。
激光表面造型技术, 是指利用一定能量密度的激光束,在工件工作表面上形成与润滑性能要求优化匹配的、连续均匀的、并具有一定密度 (间距 )、宽度、深度、角度及形状的贮存和输送润滑油的沟槽、纹路或凹腔[ 3]。激光表面微造型技术利用激光的相干性、单色性、高亮度和平行性这4个主要特点对材料进行加工，具有加工材料范围广、精度高、加工条件易满足、功率密度高、自动化程度高等优点。此外，激光加工与传统机械加工方法相比，还具有不受加工性状限制、非接触性加工、无刀具磨损、不需要润滑和工作介质、无污染、加工变形量小以及加工质量高，设备价格相对较低等诸多优点[ 4]。
激光表面微造型的诸多优点，使得众多学者对该技术青睐有加，将其视为研究重点，我相信该技术发展成熟之时，也必将在日后的机械制造业与实际的工程应用中发挥出无比巨大的作用。
1.2.2 激光表面微造型国内外发展现状
表面技术及微造型领域的研究较早出现在德国，在激光微细造型技术上,德国的RWTH Aachell大学的Hopperman A.和Kordt M.等人,通过对多种微细加工技术的研究,认为激光表面微造型是最易控制的微细形貌造型技术[ 5]。到目前为止，激光表面微造型技术的研究开发就从未停止过，一直受到各国研究人员的重视和研究。
20世纪初，Salama[ 6]在试验中发现，工件表面上的微小形貌对摩擦学性能有较大影响，也就是表面糙度对工件的摩擦磨损性能有较大影响。20世纪60年代，Hamilton[ 7]等在实验中发现，运动工件的表面微细形貌对油膜压力的提高有很大的促进作用，从而提高支撑加载载荷的能力，同时又使相对摩擦面分离开来，降低了表面的摩擦磨损。20 世纪90 年代初，激光表面造型技术开始在实际生产中应用起来，首先应用在磁存储产业。90 年代中期，德国学者进行了大量激光表面造型技术方面的实验与研究，可惜当时大部分研究的相关材料没有被完好的保存起来。
2000 年，激光表面造型技术被Henry 等应用到实际应用上—刀具表面，实验表明，表面造型确实可以改善磨擦磨损的性能，提高刀具的使用寿命[ 8]。2005年，Etsion 阐述了规则细微凹坑对于环端面的机械密封性能的提高有很高的实用价值，且对相应的激光表面微造型技术的工艺与原理等做了一定的总结，至此激光微造型技术基本达到实用阶段[ 9]。2006 年，德国学者[ 10]在高速钢冲压模具表面利用激光进行造型，实验发现，经过表面微造型的模具寿命为未造型模具的2.4～2.7倍，并且可以节省成型中润滑油的用量。2007 年，Andersson[ 11] 进行了对抛光加工和激光造型的两种微凹坑造型表面的摩擦磨损实验研究，实验发现，激光造型表面的摩擦磨损性能远比抛光表面高得多。
由以上所述可看出，国外对表面造型技术的研究起步较早，从最初的发现到现在一直没有停下研究的步伐。
我国的激光表面微造型技术研究与产业起步较晚，但是发展迅速，到目前已取得一定的研究成果，随着微型机电的发展，我国的激光成型研究与相关加工产业也必将不断扩大，技术水平势必逐步提高。
国内江苏大学的研究人员在2001年，对G427型柴油发动机硼铸铁赶套内壁进行激光表面微造型并进行装机试验研究，结果表明，有造型的虹套及活塞环，摩擦性能大幅度提高，与相同工况下的光滑试样相比，活塞环的磨损量从5um降低到2.5um，虹套的磨损量从3um降低到1.5um，结果表明激光微造型工艺有着较大的优越性。研究人员还对牌号250，Ra0.01~0.02的灰铸铁进行磨损试验。研究表明，在金属表面可利用半导体粟浦脉冲激光进行几十微米量级的微结构造型。菜浦电流为8-22A，功率密度大约为107W/cm2，扫描速度为8~22mm/s，重复频率为5~15kHz，加工过程辅助气体保护，石英水玻璃作为涂层，能够获得较好表面加工的质量和理想的深度和宽度[ 12]。吉林大学研究人员从生物仿生原理出发，对鲨鱼、蜕螂、壁虎、贝壳、牙齿这些天然生物的耐磨表面几何形貌特征进行分析，如图1.1是根据大自然生物表面的特征进行的几何造型形貌，发现了大自然生物表面不是光滑表面十分普遍，同时认为对生物非光滑层面的研究对工程实际的减阻、脱附和耐磨等方面具有重大研究意义。仿生非光滑耐磨缸套试验结果指出，在油润滑条件下，仿生非光滑形貌的摩擦副的抗粘着磨损性能明显优于光滑形貌，其主要原因是在有润滑条件下，仿生非光滑形貌具有较强的储存润滑油及形成油膜的能力[ 13]。
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