微凹坑织构皮秒激光加工及摩擦磨损性能

为了改善由激光加工得到的织构质量,构建了皮秒激光加工系统,研究了激光加工参数对织构轮廓的影响规律,实验表明所构建的皮秒激光加工系统可以加工出质量良好的凹坑织构。利用所构建的激光加工系统,在圆环试件端面加工出圆形凹坑织构,线接触滑动摩擦实验表明织构表面可以降低摩擦因数,延长摩擦寿命,能够避免严重磨损的发生。     

表面织构在齿轮泵关键摩擦副上的应用

为改善齿轮泵齿轮副与侧板这对关键摩擦副的抗磨损性能,基于表面织构的减摩机制,在试件表面加工了表面织构,通过摩擦磨损试验研究不同表面织构作用下不同材料间的摩擦因数、磨损量;选择减摩效果较优的织构参数加工于齿轮泵的侧板表面,装配并进行产品的台架试验。研究结果表明:在合理表面织构作用下,摩擦副试件的摩擦因数最大降低了45%,磨损量最大减小了87.5%;应用表面织构的齿轮泵台架试验运行时间达到10 000 h的设计寿命指标,且各项性能参数均满足设计要求。     

带仿生织构的水液压马达配流体摩擦副摩擦学特性仿真研究

针对水液压马达摩擦磨损的问题,基于动压支承理论,对水液压马达带仿生织构表面的配流副摩擦学特性进行了研究。首先利用现有表面微织构,在水液压马达配流副表面构建出了不同直径、不同深度及不同分布的仿生织构;然后运用有限元法,对不同织构形貌下的仿生配流体表面的应力分布进行了计算与分析;最后对其在不同深径比及织构密度下的摩擦等效应力进行了研究。研究结果表明:当配流体仿生织构表面的形状为锥形,转子端面为圆柱坑的双织构海水液压马达配流副的摩擦特性最优;在配流副表面加工出适当的凹坑,可以有效降低配流副表面的摩擦磨损,延长配流副的工作寿命。     

激光加工刀具表面微织构的应用研究

切削加工过程中,刀具与工件材料、切屑近距离发生摩擦,产生极高的切削温度和较大的切削力,刀具磨损剧烈。如何延长刀具寿命,抑制刀具的快速磨损成为现阶段研究切削加工的核心课题。刀具表面微织构具有减小切削力、降低切削温度、减缓刀具的磨损的作用,从而能够延长刀具的使用寿命。激光加工技术加工范围广泛、安全可靠、加工精度高、自动化程度高,成为目前加工表面微织构技术中应用极为广泛的技术。研究激光加工刀具表面微织构特别是陶瓷刀具表面微织构,具有重要的理论研究价值与广阔的应用前景。     

仿生织构表面对人工髋关节副动压润滑性能及减摩性分析

为提高钛合金TC4人工髋关节假体的耐磨性,从仿生学角度在钛合金关节表面设计出菱形织构.基于雷诺方程建立织构化关节表面流体动压润滑数学模型,采用有限差分法对其进行离散,通过Matlab编程进行迭代求解,获取织构表面的润滑油膜压力分布以及织构化关节表面的摩擦因数,分析织构几何参数(菱形织构对角线长度b和织构深度hp)对摩擦性能的影响规律.加工钛合金销-盘摩擦副,用激光在盘试样上加工出菱形织构,并在牛血清润滑状态下以及相同载荷和转速的条件下进行摩擦磨损试验.结果 表明:随着菱形织构参数b和织构深度hp的增加,摩擦因数呈先增加后减小的趋势.并且试验结果与数值仿真结果具有较高的一致性,在菱形织构参数b为447 μm,织构深度hp为10 μm,存在最小摩擦因数为0.14.微织构的存在可以实现流体动压润滑,提高关节副的承载力,降低摩擦因数,从而改善关节副的摩擦性能.该研究为提高人工髋关节的寿命提供理论依据.     

YG8硬质合金表面沟槽织构的制备及其减摩特性

采用光纤激光加工设备在YG8硬质合金表面加工出沟槽织构,研究了激光加工参数对织构尺寸及形貌的影响,得到最佳激光加工参数;采用最佳激光加工参数在硬质合金表面加工出4种不同方向的正弦型沟槽织构,研究了干摩擦条件下织构的减摩特性。结果表明:随着激光功率、扫描次数的增加或扫描速度的减小,沟槽织构尺寸增大,但过高的激光功率或过多的扫描次数导致织构底部粗糙;最佳激光加工参数为激光功率40W,扫描速度100mm·s~(-1),扫描次数200次,此时沟槽织构表面形貌较好,织构宽度为160μm,深度为15μm;在试验载荷为2N、滑动速度为20mm·s~(-1)时,正弦中心线与摩擦方向成0°的正弦型沟槽织构的减摩效果优于正弦中心线与摩擦方向成30°,60°,90°的织构,且摩擦因数比光滑试样的降低了25%。     

表面织构布置方式对高分子材料摩擦磨损的影响

摩擦副动环使用316不锈钢材料,静环分别选用赛龙SXL、研理PREM和研理UNIV 3种高分子材料,通过摩擦磨损试验评估水润滑条件下凹坑表面织构布置方式对3种摩擦副的摩擦因数和磨损量等参数的影响规律,筛选合适的织构布置方式及摩擦副的高分子材料。试验结果表明,当硬材料与软材料作为一对摩擦副时,织构应布置在软材料试样上,这样有利于防止软材料变形后的凸峰嵌入到硬材料的织构凹坑中,可减小摩擦与磨损,改善摩擦副的润滑状况;此外,当表面织构布置在软材料试样上时,摩擦因数也最小;研究的3种高分子材料中,研理UNIV具有较好的摩擦学性能。     

激光表面织构对45钢干摩擦性能的影响

利用LM-YLP-20F-Ⅱ型激光打标机在45钢试件表面加工出具有规则排列的圆形微坑阵列。通过环-块线接触摩擦磨损试验,研究了激光表面织构对不同硬度45钢试件干摩擦磨损性能的影响。考察了激光微坑内部和外部的硬度,利用扫描电镜(SEM)观察了试件的磨损形貌,探讨了激光表面织构对不同硬度45钢试件干摩擦性能的影响机理。研究表明:激光表面织构的几何形貌对摩擦副的干摩擦磨损性能影响显著;在一定条件下,激光表面织构可以改善干摩擦的磨损性能;激光织构化处理会显著改变试件的表面硬度;当试件基体硬度较低时,微坑会支撑保护基体较软的材料,降低粘着磨损;而当基体硬度较高时,高硬度微坑对对偶面的磨粒磨削会增加,从而加剧摩擦副的磨粒磨损。     

摩擦副表面气膜屏蔽微细电解加工微织构及摩擦性能分析

采用气膜屏蔽微细电解加工方法在金属平面副、圆柱副表面加工不同阵列形貌微织构。通过试验将该方法与微细电解加工的微织构尺寸精度、表面质量、摩擦性能进行对比,研究结果表明,气膜屏蔽微细电解加工的微织构相比微细电解加工方法加工的微织构平面副及圆柱副凹槽深径比分别提高了约45.6%和25.8%,改善了加工的定域性,提高了加工精度。进一步的摩擦磨损试验结果表明,相较于微细电解加工方法,气膜屏蔽微细电解加工出的平面副及圆柱副微凹槽的表面摩擦因数分别减小了13.6%与16.2%,表面摩擦性能得到了提高。     

复合工艺制备的表面微凹坑织构的摩擦性能研究

在构建的激光电化学复合微加工系统上,采用皮秒脉冲激光辐照与电解刻蚀复合加工方法在7075铝合金表面制备出不同尺寸的阵列凹坑微织构。采用共聚焦显微镜观测复合加工织构试样表面形貌,采用MFT-5000型RTEC摩擦磨损试验机研究润滑条件下凹坑织构的摩擦学性能,并探讨直径、深度、面积密度对减摩性能的影响。结果表明:复合加工工艺制备的表面微织构具有良好的表面形貌;润滑条件下材料表面的凹坑型织构能显著改善其摩擦学性能,相比光滑表面最高可降低摩擦因数30%;在实验参数范围内,凹坑的直径与面积密度对材料表面摩擦性能影响较大,凹坑深度对摩擦性能影响较小。     

表面织构化对活塞环-缸套滑动副摩擦系数的影响

活塞环-缸套滑动副的摩擦学性能对内燃机的使用效率、使用寿命等有显著影响。通过激光表面织构化技术在试件表面加工不同参数的微凹坑织构,并进行摩擦学实验,由实验结果可知:表面织构可以有效减小摩擦副的摩擦系数;微凹坑直径、微凹坑深度、微凹坑织构面积占比对摩擦系数减小有影响。     

表面织构化对摩擦学性能影响的研究进展

表面织构技术是通过微细加工技术在材料表面加工出具有一定几何形貌与尺寸,且排列规律的图案,从而改善材料表面摩擦学性能的新型表面改性技术。表面织构因在改善材料摩擦学特性方面具有的突出优势而在机械摩擦配副中发挥着重要的作用。介绍了常见的表面织构加工技术,阐述了不同工况下表面织构的减磨机理,总结了表面织构形貌及其几何参数对耐磨性能的影响,并展望了表面织构技术的未来发展方向。     

凹坑微织构对4 Cr13不锈钢/皮质骨摩擦副摩擦性能的影响

采用YLP-F20激光打标器制备了不同参数的凹坑微织构,并用MMW-1型立式万能摩擦磨损试验仪分析了凹坑微织构尺寸、润滑条件和微织构面积占比及微织构分布形式等试验参数对4Cr13不锈钢/皮质骨摩擦副的摩擦性能影响。结果表明:合理的凹坑微织构在有无润滑条件下都具有减摩效果,在润滑条件下减摩效果更好,同时能有效降低摩擦区温度;在有无润滑条件下,凹坑微织构的面积占比都与摩擦副的摩擦性能有很大关系,凹坑面积占比越大,摩擦副的摩擦系数越低,摩擦性能越好。     

边缘凸起织构化压裂泵柱塞密封副摩擦磨损性能

采用纳秒激光烧蚀技术在柱塞单元盘试件表面烧蚀出3种不同分布的条形和椭圆形凹坑织构,利用MMW 1型微机控制式万能摩擦磨损试验机,在模拟工况下（试验力400 N,转速200~1 500 r/min）,研究纳秒激光烧蚀加工产生的金属熔融堆积造成的织构边缘凸起对压裂泵柱塞-橡胶动密封配对副摩擦性能的影响。结果表明：存在边缘凸起的织构对柱塞-橡胶配对副没有明显的减摩和抗磨性能,反而加剧了其摩擦磨损,其主要原因是微凹坑织构的边缘凸起加剧了柱塞试样与橡胶配对副的相互刮擦,凹坑的微流体动压润滑效应小于凹坑边缘凸起对配对副的刮擦作用;经抛光处理后的织构试件的摩擦因数和磨损量都低于无织构试件和未经抛光处理的织构试件,表明控制表面织构的加工质量可有效提高织构试件的抗磨减摩性能。     

发动机缸孔椭圆开口偏置类抛物线微织构研究

为探究更有利于提高汽车发动机活塞环/缸套摩擦副性能的微织构，在某发动机活塞环/缸套摩擦副设计椭圆开口偏置类抛物线微织构，综合运用CCD实验设计和响应面优化理论，采用CFD方法研究该微织构特征参数对活塞环/缸套摩擦副摩擦因数和承载压力的影响规律；建立相应的数学模型，并运用鲸鱼优化算法对微织构参数进行多目标优化设计。结果表明：微织构参数对活塞环/缸套摩擦副摩擦因数程度由大到小依次为密度、长半轴、深度、偏置量、短半轴，对承载压力的影响程度由大到小依次为密度、深度、偏置量、长半轴、短半轴；所建相应数学模型具有足够的精度，可用于依据微织构特征参数对摩擦副相关性能的准确预测。得出的微织构最优参数为：椭圆长半轴390 μm，短半轴108 μm，偏置量139 μm，深度42 μm，织构密度0.69。与未织构摩擦副相比，按照最优微织构参数织构化的活塞环/缸套摩擦副的承载压力提升了2.67%，摩擦因数降低了32.1%。     

织构参数对不锈钢与猪股骨间摩擦性能的影响

采用YLP-F20激光打标机在4Cr13不锈钢圆盘试件表面加工出不同尺寸的沟槽微织构试样;将织构试样与新鲜猪股骨制成的骨棒试样构成销-盘摩擦副,在立式万能摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验,研究微织构参数对不锈钢与猪股骨在生理盐水润滑下的摩擦特性的影响。结果表明:沟槽型的摩擦因数比无沟槽的要小,在文中研究的范围内摩擦因数随着沟槽宽度的增加而减小,随着沟槽间角度的增加而增加;对加工微织构后的表面进行处理对摩擦因数的影响很大。文中研究范围内宽度200μm、深度20μm、角度1.21°微织构组合,相比较于无微织构试件摩擦因数最大降低了36.4%。     

微织构对钢制导轨表面摩擦性能的影响

利用激光加工技术在钢制导轨副上制备了4种不同的微织构,并通过优化加工功率、扫描速度等激光参数获取了质量良好的微织构。在油润滑的条件下,利用自制导轨摩擦试验机进行直线往复式摩擦实验。通过仿真软件分析微织构对导轨副接触面的接触应力的影响,结合微织构存储和供应润滑油的能力和产生额外的流体动压效应的能力等作用机理来分析实验结果,探究不同的微织构对导轨副摩擦性能的影响。研究表明:当扫描速度为150 mm/s、加工功率分别为8 W和5 W时,可以获得质量良好的沟槽和圆孔;所有的微织构都可以改善导轨副接触面的接触应力;在磨合阶段,微织构并不能减小导轨副的摩擦系数,而在稳定磨损阶段,所有的微织构都有一定的减摩能力,其中圆孔微织构减小了14.6%,与导轨运动方向平行的直线型微织构减小了2.4%,网格型微织构和与导轨运动方向垂直的直线型微织构分别减小了7.9%和5.5%。这是由不同的微织构其存储和供应润滑油的能力、产生额外流体动压效应的能力和改善接触面接触应力的能力不同所引起的。     

织构边缘凸起对压裂泵柱塞密封副摩擦性能的影响

采用纳秒激光烧蚀技术在柱塞单元盘试件表面烧蚀出3种不同分布的条形和椭圆形凹坑织构,利用MMW-1型微机控制式万能摩擦磨损试验机,在模拟工况下(试验力400 N,转速200~1 500 r/min),研究纳秒激光烧蚀加工产生的金属熔融堆积造成的织构边缘凸起对压裂泵柱塞-橡胶动密封配对副摩擦性能的影响。结果表明:存在边缘凸起的织构对柱塞-橡胶配对副没有明显的减摩和抗磨性能,反而加剧了其摩擦磨损,其主要原因是微凹坑织构的边缘凸起加剧了柱塞试样与橡胶配对副的相互刮擦,凹坑的微流体动压润滑效应小于凹坑边缘凸起对配对副的刮擦作用;经抛光处理后的织构试件的摩擦因数和磨损量都低于无织构试件和未经抛光处理的织构试件,表明控制表面织构的加工质量可有效提高织构试件的抗磨减摩性能。     

激光微织构设备的研究和开发

激光微织构作为一种新型的加工手段,在摩擦副表面处理领域有着广阔的应用前景.其通过非接触式加工,在工件表面织构出符合摩擦学特性的微观形貌,以达到提高工件使用寿命的目的,且不改变工件的机械性能.采用四轴运动控制卡和通用Windows数控软件,开发了一个能实现工件表面激光微织构的专用设备.介绍了该激光微织构设备的机械结构、控...     

织构化表面设计及其摩擦学应用

织构化表面作为近年来涌现的表面摩擦学改性新技术,具有降低摩擦磨损的作用,在机械摩擦配副中得到了广泛的研究和应用。随着先进制造技术的发展,复杂、精细织构的加工制造成为了可能。与此同时,表面织构的摩擦学设计也由试验试错筛选阶段逐步走向理论优化阶段。概述了近年来表面织构化设计及其摩擦学应用的发展前沿和进展。介绍了凹形和凸形织构在加工、润滑方面的特点,以及凹形织构在不同工况下的润滑机理。探讨了近年来织构流体动压润滑和混合润滑模型的发展,并概述了织构典型规则形状的选择和不规则形状优化研究。归纳了针对不同材料和不同工况,圆形织构尺寸参数的选择和优化设计,总结了合理的参数范围。进而重点探讨了圆形织构排布影响,分析了几种典型的织构排布研究;同时概述了针对典型摩擦配副,如轴承,织构排布形式的选择和设计方法。最后,对织构化表面设计研究进行了总结,提出了表面织构设计面临的问题挑战,并对织构设计未来的发展方向进行了分析和展望。