表面微织构化石墨涂层对铝合金表面的协同减摩机理研究

目的 研究微织构和固体润滑涂层对铝合金表面减摩、抗磨性能的协同作用效果,为铝合金内燃机活塞外圆表面的减摩、抗磨设计提供参考。方法 采用脉冲Nd:YAG激光器在试件表面加工出具有规则形貌的正方形凹坑阵列,利用热喷涂工艺在微织构化基体表面喷覆固体石墨涂层,在乏油条件下,利用HSR-2M型高速往复摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验,采用扫描电子显微镜和超景深显微系统对试样磨损表面进行了分析,研究微织构几何参数、相对滑动速度、涂层特性对摩擦副表面减摩、抗磨作用的协同机理及影响规律。结果 在乏油润滑条件下,仅覆盖石墨涂层的摩擦副表面,摩擦系数较光滑表面降低了44%。经微织构修饰的摩擦副表面,其摩擦系数明显小于光滑表面,其中微织构所占面密度为8.2%时摩擦系数最低,相对于光滑表面降低了67.4%。当在微织构和石墨涂层的协同作用下,摩擦系数进一步降低至0.07,且铝合金基底表面未见明显磨损,此外较高的滑动速度有利于摩擦系数的进一步降低。结论 微织构和石墨涂层的协同作用下,能有效改善乏油工况下铝合金表面的摩擦学性能,合理的几何参数可以更有效地发挥减摩和抗磨效果。     

初始表面粗糙度对沟槽织构摩擦性能的影响

目的探究初始表面粗糙度大小对激光沟槽织构化表面摩擦性能的影响规律。方法采用脉冲光纤激光器在不同粗糙度的45#钢试样表面制备具有不同深度、规则排列的沟槽织构,利用摩擦磨损试验机进行销-盘式往复摩擦试验,研究初始表面粗糙度对沟槽织构化表面摩擦系数的影响规律,以及不同初始表面粗糙度条件下,激光沟槽织构化表面的摩擦学行为。结果沟槽织构能够有效降低表面的摩擦系数,初始表面粗糙度、载荷和速度的大小对沟槽织构的润滑减摩性能有较大影响。在较低的载荷下,沟槽织构能有效提高表面的流体动压润滑效应;在较高的载荷下,沟槽织构能够有效改善表面的边界润滑性能。存在最优初始表面粗糙度,使得摩擦系数达到最小,初始表面粗糙度最优值的大小应根据载荷和速度大小来确定。结论根据摩擦副表面的载荷和速度工况条件,合理优化初始表面粗糙度能使沟槽织构获得较为理想的润滑减摩效果。     

表面织构化刀具的研究现状与进展

高速切削加工作为难加工材料的主要加工方式,在其切削过程中,刀具的快速磨损、加工表面质量差等问题显著。近些年来,表面织构由于在控制摩擦、减小磨损和改善润滑性能等方面的作用引起了国内外学术界和产业界的广泛兴趣,为刀具减摩降磨技术的研究提供了新方向。表面织构效应是通过在摩擦副表面加工出具有不同形状几何参数和分布特征的微凹坑、微沟槽等阵列结构时,表面的摩擦磨损和润滑特性随之改变的热动力学效应。针对表面织构技术在刀具方面的应用研究,描述了刀具表面织构的主要制备方法,对比分析了各种制备方法的优缺点,然后分别阐述了微沟槽织构、微凹坑织构、纳米织构/微纳复合结构阵列以及织构化自润滑刀具在减缓刀具磨损、提高加工质量等方面的研究现状与进展,同时分析了表面织构改善刀具系统摩擦学性能的原因和机理,最后指出刀具表面织构技术目前研究存在的问题及其对刀具减摩降磨的重要意义。     

表面微织构椭圆轴承的热效应分析

目的 提高摩擦副润滑性能,从而研究表面微织构不同参数对椭圆轴承热效应的影响,同时采用试验方法进一步说明微织构的减摩作用机理。方法 建立表面微织构椭圆轴承仿真模型、编写UDF程序定义黏度,同时采用面–面接触形式的摩擦磨损试验,从理论和试验两个方面研究不同微沟槽宽度和微沟槽轴向分布率的椭圆轴承的热效应变化规律。结果 表面微织构能够有效改善摩擦副表面的摩擦学性能,沟槽状微织构椭圆轴承较光滑椭圆轴承温度均有所降低,主要承载区出现轴向呈条状的低温区域,出现位置大致与沟槽分布位置一致。随着微沟槽轴向分布率的增大,微沟槽降温效果增强,轴承承载力先升高后降低,摩擦力先降低后升高,端泄量先减小后增大,沟槽轴向分布率取0.6较为合适。随着微沟槽宽度的增大,轴承承载力呈先升高后降低的变化趋势,摩擦力呈先降低后升高的变化趋势,当宽度在0.6~0.8 mm时,椭圆轴承有较优的润滑性能。结论 理论分析和试验研究均表明,表面微织构椭圆轴承的摩擦力随着微沟槽宽度的增大先降低后升高,合适的微织构参数才能最大程度地发挥其减摩作用,从而实现提升轴承润滑性能,降低轴承温升的目的。     

激光加工表面微织构对陶瓷刀具摩擦磨损性能的影响

目的优选陶瓷刀具表面微织构形貌,以获得减摩性能较好的微织构。方法采用摩擦磨损实验,单因素研究微织构对陶瓷刀具摩擦磨损性能的影响。测定不同形貌织构刀具的表面摩擦系数,对比其表面磨损形貌,并通过有限元分析软件ABAQUS对微织构表面摩擦过程进行有限元仿真分析,研究不同织构对刀具应力分布的影响。结果在载荷90 N、转速300 r/min、时间30 min的条件下进行摩擦磨损实验,无织构刀具表面摩擦系数约为0.42;放射状微织构刀具的微织构方向与对磨副运动方向垂直,其摩擦系数最低,约为0.35。有限元仿真分析表明,无织构刀具应力集中出现在对磨副与刀具接触的前沿,约16.68~18.19 MPa,应力集中容易引起局部磨损;微织构方向与速度方向垂直时,等效应力值约为21.96~31.37 MPa,应力分布更为均匀,应力较大值分布在微织构沟槽的两侧,刀具更耐磨。结论相比于无织构刀具,加工微织构会使得刀具表面摩擦系数降低,耐磨损性能提高,应力分布更为均匀。     

采油液力马达转子表面织构参数对其摩擦副摩擦学性能的影响

目的研究微沟槽织构对采油液力马达定转子配副表面摩擦学性能的影响,为减小液力马达螺旋副的摩擦阻力矩,从而解决大庆油田某型号液力驱动螺杆泵采油系统停机后启动困难的问题提供设计方向。方法根据螺杆马达螺旋副,建立金属-橡胶平板往复摩擦模型,在金属试件表面加工出不同织构角度和深度的矩形微沟槽,采用正交试验方法,研究不同织构参数对液力马达螺旋副摩擦性能的影响规律,最后再对比分析橡胶试件摩擦磨损试验前后的表面形貌,以掌握织构存在对橡胶定子使用寿命的影响规律。结果织构角度一定时,除90-5号试件以外,其余各组试件的摩擦因数表现出随织构深度的增加而增加的现象。织构深度一定时,各组试件的摩擦因数随织构角度的增大而表现出先增大后减小的现象。织构角度是摩擦因数的主要影响因素。相同试验条件下,0—5号试件的摩擦因数比未织构试件降低了20.2%。结论在液力马达定转子这种金属-橡胶接触对中,织构的减摩机理主要是通过微沟槽输送润滑介质,改善润滑条件。织构参数设计合理的试样,在不缩减液力马达使用寿命的条件下可以有效减小摩擦副的摩擦因数,有利于液力驱动螺杆泵采油系统顺利启动。     

表面织构对滑动电接触界面摩擦学行为的影响

目的 利用表面织构减摩抗磨的优良特性,将其应用于电接触摩擦表面,探讨它对滑动电接触界面摩擦磨损及电接触可靠性的影响。方法 利用激光系统制备2种织构,即方坑型表面织构(SPT)和沟槽型表面织构(GT),并与光滑表面的载流摩擦学信号进行对比分析。利用ABAQUS模拟试验,分析界面接触应力、电压和位移的变化特性。结果 随着试验的进行,GT表面的摩擦因数逐渐增大,并与光滑表面达到同一水平(0.7),SPT表面的摩擦因数在整个试验过程中始终较低(0.4)。光滑表面在电接触过程中发生了多频振动现象,2种织构表面的振动信号非常微弱,尤其是SPT表面,仅出现了100 Hz的振动频率。光滑表面和GT表面出现较严重的磨损现象,而SPT表面磨损轻微。有限元分析结果表明,表面织构的存在能够避免应力集中现象,GT表面的应力较大(90 MPa),且始终分布在沟槽棱边。结论 在电接触状态下,2种织构表面均能不同程度地降低界面的摩擦因数和摩擦力,其中SPT表面的减摩降磨效果最显著。GT表面沟槽棱边的损伤和磨屑堆积是导致其逐渐失去减摩效果的主要原因。模拟分析结果证实,SPT表面织构的存在能避免应力集中,有利于改善磨损和降低振动强度。虽然GT表面的最大应力分布也具有时变特征,但是其值较大,且分布在沟槽棱边,导致沟槽织构的减摩效果逐渐减弱。     

激光表面织构对铸铁摩擦磨损性能的影响

目的找出最佳的表面织构方案,将其应用在摩擦副的表面处理上,从而达到降摩减阻、节能减排的目的。方法设计了两种不同的加工面积占有率(10%和20%),三种不同形状的表面织构(圆坑、椭圆坑、沟槽),对铸铁试件进行激光表面加工,并利用环-块磨损试验机进行油润滑摩擦磨损实验。结果表面织构对铸铁材料的摩擦磨损性能有明显改善,尤其在磨损量方面。三种不同形状的表面织构相比,圆形表面织构试件的磨损量最小。两种不同面积占有率相比,面积占有率为20%的圆形微织构试件的磨损量最小,并在一定程度上减小了摩擦系数。结论在本实验研究条件下,面积占有率为20%的圆形表面织构对改善铸铁材料的摩擦磨损性能最显著。     

高副接触下沟槽形织构对40Cr表面摩擦性能的影响

目前，面面低副接触情况下织构的减摩降磨性能已经得到广泛的研究，然而针对点面高副接触下的织构对表面摩擦学性能影响的研究仍然较少。主要利用有限元仿真技术建立点面接触下仿生沟槽织构表面流体动压润滑仿真模型，通过ANSYS的Fluent模块进行求解，获取试样表面的润滑油膜承载力与织构几何参数的变化关系。用激光在40Cr试样上加工出仿生沟槽形织构，并采用销盘摩擦副，开展点面高副接触下的织构减摩性能实验研究，综合分析织构几何参数对表面摩擦性能的影响规律。结果表明：试验与仿真具有较高的一致性，随着沟槽织构宽度W和织构深度H的增加，摩擦因数呈先减小后增加的趋势；沟槽织构对改善工件表面摩擦性能具有重要影响，微织构的存在有助于实现流体动压润滑，提高表面承载力，降低摩擦因数，从而改善工件的摩擦性能。     

刀具表面不同角度正弦型沟槽织构的数值模拟与实验研究

目的 分析刀具表面正弦型沟槽织构不同角度对接触表面摩擦学性能的影响。方法 利用激光加工设备在硬质合金表面加工出与垂直线成0°、30°、60°、90°的正弦型沟槽织构,并利用有限元软件FLUENT对不同角度正弦沟槽织构内的润滑液压力等参数进行仿真分析,同时将表面带有织构的硬质合金与钛合金球进行摩擦磨损实验,并通过扫描电镜观察摩擦实验后的表面。结果 硬质合金表面四种不同角度的正弦沟槽织构均能降低与钛合金对摩时的摩擦系数,且随着速度的增大,四种织构表面的摩擦系数均出现不同程度的减小,其中90°的正弦沟槽织构在摩擦实验中的减摩效果最为显著,滑动速度为20 mm/s时,摩擦系数相对于光滑表面减小了77%。通过系列摩擦磨损实验结果表明,正弦沟槽织构产生动压效应的数值模拟结果与减摩降磨实验结果基本一致,刀具表面不同角度正弦沟槽织构产生动压润滑效果的显著程度为90°>30°>0°>60°。结论 与钛合金对摩中,硬质合金表面沟槽织构的存在对降低摩擦系数和减少磨损量具有重要意义,尤其是90°正弦沟槽织构的存在可以大幅改善硬质合金表面的摩擦学特性,其主要作用机理在于及时有效补充接触表面间的润滑液,并产生持续的动压润滑效应,建立并形成连续的摩擦接触界面间油膜,起到减摩降磨的作用。     

圆凹坑织构对线接触摩擦副摩擦学性能的影响

根据摩擦试验中圆盘试样的旋转方向,用YLP-20型激光加工系统在圆柱销试样回转面不同区域(前端、后端、中间)加工规则分布的表面织构,利用UMT-3摩擦磨损仪进行单向旋转摩擦试验,研究表面织构分布区域对摩擦副摩擦学行为的影响。结果表明:在载荷10N、滑动速度0.003~0.628m/s时,不同分布区域的织构对摩擦副的摩擦学行为影响不同,相比无织构试样,分布于试样回转面中间部分的织构对摩擦副起到了减摩作用。这是由于中间织构通过形成局部流体动压润滑作用提高了摩擦副的承载能力,降低了接触表面的摩擦因数,同时通过储存磨屑,减少了表面磨损。前后端织构产生的流体动压润滑效应很小,磨损严重,导致其摩擦因数高于中间织构和无织构试样的摩擦因数。     

复合微织构排列方式对轴承润滑性能的影响

目前对于多种织构复合表面轴承的排列方式的研究有待进一步深化。为了提升轴承承载力、降低摩擦因数和提升轴承稳定性,数值模拟及试验研究复合微织构排列方式对滑动轴承系统的动静特性的影响,并与单一微织构轴承及光滑轴承进行比较。利用有限差分法对轴承转子系统中油膜的Reynolds方程进行数值求解,针对圆形复合矩形、三角形复合菱形及六边形复合月牙形三种复合织构,在四种不同排列方式的条件下对轴承静特性（油膜压力、承载力、摩擦阻力和端泄量）以及轴承动特性（刚度系数和阻尼系数）的影响进行研究,并利用摩擦磨损试验仪对摩擦副摩擦学性能进行进一步试验探究。理论及试验结果显示,复合微织构轴承比光滑轴承和单一微织构轴承获得更大的承载力、更小的摩擦因数、更佳的动特性性能;三角形复合菱形微织构时摩擦副性能最佳,排列方式为周向对应平行排列时能够取得更佳的摩擦及润滑性能。研究复合织构排列方式对轴承润滑性能的影响可为复合织构在实际工况中应用提供理论参考和指导。     

齿面微织构面积率及形状对其摩擦性能的基础研究

为研究齿面微织构面积率和形状对齿轮副摩擦学性能的影响,采用激光打标机在经热处理后的45钢试件表面加工出不同形状和面积率的织构,利用往复式摩擦磨损试验机分析织构面积率和形状对摩擦因数的影响规律,并与Fluent仿真结果进行对比。仿真结果表明：随着织构面积率的增大,摩擦因数逐渐减小,油膜承载力和油膜刚度逐渐增大,长方形织构具有更佳的减摩性能。试验结果与仿真结果基本一致,与无织构表面相比,长方形织构面积率为17%时平均摩擦因数降低了18.06%,正方形和圆形织构面积率为4.7%时,不仅没有减摩,反而将摩擦因数分别增大了4.17%和1.39%。织构化表面可提高油膜承载力和刚度,使油膜不易破裂,减小了摩擦副之间的接触,降低了摩擦因数。获得了微织构形状和面积率对齿轮副摩擦性能的影响规律,为改善齿轮系统的寿命提供试验支持。     

仿生多尺度沟槽织构对表面摩擦性能的影响

仿生织构是仿照生物结构在摩擦副表面加工出特定尺度的纹理结构,以达到预期的表面性能,在工况恶劣的机械摩擦中拥有广阔的应用前景。参考蚯蚓头部多尺度沟槽织构,基于沟槽织构的基本结构参数深度、宽度、间距,在球墨铸铁和灰铸铁表面设计并激光加工多种梯度变化的沟槽织构,利用RTEC多功能摩擦磨损试验机中的销盘模块进行试验,从摩擦因数、磨损量、表面形貌、能量损耗、SEM、元素分布等方面分析其表面摩擦性能及机理。结果表明：同种织构应用于不同材料表面时,摩擦副的摩擦性能会呈现差异性,材料应作为设计织构参数时考虑的要素之一;沟槽织构的结构参数是影响表面抗磨损能力的主要因素之一;间距梯度沟槽织构相较于其它类型的多尺度沟槽织构,拥有最佳的表面性能,得益于其优秀的油膜形成、补充、稳定以及磨屑储存、冲刷能力。     

仿生织构类型及其对表面摩擦性能影响

随着经济的发展,机械加工零件表面的减阻耐磨及抗黏等性能变得尤为重要,为了提高生产加工过程的高效性和节能性,针对零件的表面问题引入仿生织构的概念。 仿生织构是仿照生物体表特殊的纹理在摩擦副表面加工出能够实现减摩降阻润滑效果的微/ 纳结构。 介绍了多种具非光滑结构表面生物,综述了几种典型仿生织构类型,阐明了每种织构类型的摩擦磨损机理;从织构类型、结构设计和加工方法、压强分布、摩擦因数和机理分析、应用与展望等方面进行评述,对应用最为广泛的凹坑型和沟槽型织构结合实例分析其摩擦磨损性能并附以数据论证,通过摩擦因数和磨损机理判断织构的减摩降阻效果,从而进一步实现参数优化。 分析表明:仿生织构对改善摩擦性能具有重要影响,其中摩擦因数是判断摩擦性能的重要因素,加以磨损机理的深入研究,使得减阻耐磨效果较优的织构类型可大幅提高工业效率,结合工业、航天、 汽车等行业中对仿生织构的应用,展望未来仿生织构的广泛研究及在摩擦过程中性能的优化,实现织构化普及应用。     

微织构车刀制备与SUS304钢高速微车削试验

针对高速微切削过程中微型车刀表面摩擦磨损严重的问题,利用表面非光滑微织构减摩减阻原理,在高速微切削用车刀表面利用激光加工技术制备了微槽、微坑织构,研究了激光加工参数与微织构形貌之间的关系;分析了微织构的摩擦学特性;利用自行研制的高速微车削单元进行微织构刀具及无织构刀具的高速微切削SUS304不锈钢的对比试验,从切削力、切削温度、刀屑接触状态、切屑形态以及已加工表面粗糙度对微织构车刀性能进行评价。结果表明:微槽、微坑织构均可以有效降低刀具表面摩擦因数;在高速微切削过程中可以减小切削力、切削温度,降低刀屑接触长度,改善切屑形态,尤其是微坑织构可明显改善表面质量,可以应用到SUS304不锈钢的高速微加工。