内燃机缸套-活塞环微织构设计与研究进展

微织构作为一种良好的表面改性技术已经被广泛应用于改善发动机缸套-活塞环摩擦副的摩擦性能。以微织构的研究方向为依据,分析微织构改善缸套-活塞环表面润滑摩擦性能的作用机制,总结和阐述织构复合化、组合织构以及织构仿生化等方面的研究现状和进展,最后,指出表面织构研究中存在的不足和对下一步研究重点的展望。     

激光微织构发动机缸孔的后处理工艺研究

针对激光微织构技术在工件表面附带形成重铸层,影响工件表面质量的问题,基于激光脉冲功率分布曲线分析了重铸层的形成机理及特性;采用"单脉冲同点间隔多次"优化工艺抑制了重铸层的形成。确定了针对发动机缸孔的后处理工艺:第一阶段中软砂条去除重铸层余量15 s,第二阶段超软砂条修复织构表面的抛光工艺20 s。珩磨头定压进给约1.5 MPa。结果表明:该工艺能高效、稳定的去除灰铸铁缸孔表面凹腔激光微织构的重铸层,表面Rpk值显著降低,对微织构形貌及未织构化区域均无破坏。     

人工髋关节微织构减摩性能及织构参数优化

为改善钛合金TC4人工髋关节假体的耐磨性,用激光在钛合金试样表面构造出不同参数的圆形凹坑;采用单因素试验利用接触角测量仪以及摩擦磨损试验机,研究微织构参数对接触角和摩擦因数的影响;采用响应面法建立凹坑直径、深度、面积率与接触角、摩擦因数间的二次回归模型,得出最优织构参数。结果表明:在给定的织构范围内随着凹坑直径的增加、深度的减小、面积率的减小,钛合金的表面接触角均减小;在选取较小的凹坑深度、合适的凹坑面积率和凹坑直径时,可以有效降低钛合金的摩擦因数,且凹坑直径和凹坑面积率的交互作用对摩擦因数影响最显著;优化得到的织构最优参数为直径230μm,深度10μm,面积率14%。试验结果与二次回归模型预测值有较高的一致性,说明建立的二次回归模型具有较高的可靠性。     

人工髋关节球形凹坑微织构表面摩擦学性能研究*

为改善人工髋关节表面的摩擦学性能,在人工髋关节表面设计球形凹坑微织构;建立人工髋关节微织构表面的流体动压润滑模型,利用CFD软件ANSYS Fluent对微织构表面流体动压进行数值分析,得到摩擦副表面相对滑动时产生的油膜平均承载力以及摩擦因数,并分析表面微织构参数对摩擦学性能的影响。结果表明:在给定的织构参数范围内,平均承载力随深径比的增加呈现出先降低后升高再降低的趋势,随面积密度的增加呈先升高再降低的趋势;摩擦因数随深径比和面积密度增加的变化趋势与平均承载力相反;织构的最优参数分别为深径比0.06,面积密度25%。因此,在人工髋关节表面设置合适参数的球形凹坑微织构可以提高油膜平均承载力和降低摩擦因数,从而起到减小关节的摩擦磨损提高人工关节使用寿命的作用。     

粗糙度对微凹坑织构化表面摩擦学性能的影响

为了研究表面初始粗糙度和微凹坑织构共存时的表面摩擦性能,采用激光微织构加工技术在不同粗糙度的试样表面上加工出不同几何形貌的微凹坑织构,在MMW-1A摩擦试验机上进行正交摩擦学性能试验。结果表明:在混合润滑区域,表面粗糙度对摩擦性能的影响最为明显,未织构表面越粗糙,摩擦因数越小;存在合适的微凹坑几何参数与表面初始粗糙度值组合,使得织构化粗糙表面的摩擦性能达到最优;表面初始粗糙度对织构化粗糙表面摩擦性能的影响最为重要,其次为微凹坑的面积占有率,最后为凹坑深度,并且织构几何参数与粗糙度之间的交互作用对摩擦性能的影响也是不能忽视的。     

微凹槽织构化表面在往复运动条件下的摩擦学特性

采用自主研制的激光微织构加工设备在45#钢试样表面制备出具有不同间距和夹角的微凹槽织构,在UMT-Ⅱ摩擦试验机上进行往复运动摩擦学性能试验。结果发现:在富油润滑条件下,当载荷较低、速度较大时,微凹槽织构具有较好的润滑减摩效果,织构面的平均摩擦因数最大比未织构面下降超过60%;凹槽夹角对摩擦因数的影响受载荷大小的影响,在给定的在载荷下,存在最优的夹角使摩擦因数最小;在其他几何参数相同的情况下,存在最优的槽间距使得平均摩擦因数达到最小,且最优的槽间距基本不受载荷大小的影响。     

活塞环表面织构密度对缸套-活塞环摩擦性能的影响

为探究活塞环表面织构密度对船舶柴油机缸套-活塞环这一主要摩擦副的摩擦性能的影响,利用具有不同织构密度圆形凹坑的活塞环在MWF-10往复式摩擦磨损试验机上进行试验。通过调整试验载荷、转速获取了不同模拟工况下的测试数据,结合对应参数分析了活塞环织构密度对缸套-活塞环摩擦副的摩擦作用影响。结果表明:带有不同表面织构密度圆形凹坑的活塞环可以在不同程度上降低摩擦副的摩擦系数,提高其摩擦学性能。综合摩擦系数、表面形貌的相关分析可知:在载荷一定时,存在合适的织构密度(S_p=20.9%)能够显著降低缸套-活塞环摩擦副的摩擦系数,同时可以减少摩擦副的磨损量,提高摩擦副的综合摩擦性能。     

缸套旋转抛物面形微坑织构参数优化研究

在缸套表面制备旋转抛物面形微坑织构,在经典雷诺方程的基础上对微坑-缸套-活塞环系统进行研究,建立微坑动压分布函数。采用Matlab软件分析微坑深度、坑口半径对旋转抛物面形微坑润滑性能的影响。结果表明,随着微坑深度、坑口半径增大,平均油膜承载力呈现先增大后减小趋势,活塞环所受平均剪切应力呈现逐渐减小并趋于稳定,这是因为活塞相对缸套运动过程中,微坑区域内的楔形效应、空化效应导致了平均油膜承载力和平均剪切应力的波动。通过研究得到了旋转抛物面形微坑优化参数。     

微织构车刀椭圆超声辅助切削加工性能研究

为了进一步改善切削性能,将微织构刀具应用于椭圆超声辅助切削过程中,分析其对切削力、刀具磨损及表面质量的影响,然后分析刀具表面微织构角度与尺寸对刀具磨损的影响规律。研究结果表明：微织构刀具可以在保留椭圆超声辅助切削优异性能的基础上进一步改善切削性能,而且根据实验结果,微织构角度与尺寸变化会影响刀具抗磨损效果,当微织构与主切削刃平行、宽度为70μm、间距为70μm时,刀具黏结磨损最小。     

缸套-活塞环磨损失效分析及其表面织构强化研究

缸套-活塞环摩擦副表面磨损失效占到内燃机故障成因的三成以上。高温高压的极端条件下,缸套-活塞环之间的润滑油膜形成困难,因而易用形成表面磨损。该文结合实际工况下的缸套表面磨损形貌,分析了磨损的形式及其机理,阐述了表面织构改性技术对降低缸套内表面磨损的作用,并研究了织构形貌、分布、尺寸、面积占有率等影响因素对磨损性能的影响。研究发现：分区设计多种图案织构、选用合适的深径比和面积占有率是提升耐磨性、降低制造和维护成本的有效方式。以上研究对高性能内燃机缸套-活塞环的设计制造提供参考。     

表面凹槽织构微机械加工及其摩擦学性能研究

作为新兴的表面改性技术,表面织构化可以有效减少摩擦,在摩擦表面应用较为广泛.本文介绍了0Crl7Ni7Al表面织构微机械加工技术,研究了相同载荷及转速工况条件下的光滑表面与凹槽织构表面在摩擦过程中的摩擦性能及磨损机理.研究发现,精雕JDGR200T高速加工中心可以加工0.8mm宽度0Cr17Ni7Al表面凹槽织构,且凹...     

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。     

润滑油缺失工况下不同活塞环涂层对缸套摩擦磨损对比研究

为研究润滑油缺失工况下不同活塞环涂层在不同温度下与缸套的摩擦学性能,选取5种商用活塞环涂层,利用扫描电子显微镜观察不同涂层的截面形貌,利用往复式摩擦磨损试验机,在润滑油缺失工况下,分别在常温、200 ℃和350 ℃条件下进行摩擦磨损试验,利用轮廓仪和光学显微镜分别观察摩擦试验后的磨损量和磨痕形貌。结果表明：CrN基涂层和CKS涂层主要为黏着磨损,对缸套磨损大,不同温度下摩擦学性能稳定;含DLC涂层主要为磨料磨损,常温摩擦因数小,高温下不同涂层有较大差异,其中CDC+DLC涂层综合性能最佳。     

表面微织构影响点接触润滑摩擦性能的实验研究

针对球-盘高副点接触开展微织构表面摩擦学性能实验研究。采用激光工艺在试样表面上加工出具有一定形状、深度和面积比的矩形微织构,采用三维表面形貌仪测量微织构的形貌特征,在摩擦磨损实验机上进行摩擦学实验,研究往复运动模式下微织构深度、间距等参数对球-盘点接触润滑摩擦性能的影响。结果表明:较浅的微织构具有相对较小的摩擦因数;较高频率下微织构表现出较好的润滑和减摩效果;沿运动方向的微织构间距增大,摩擦因数逐渐降低,超过Hertz接触直径之后,摩擦因数变化不明显;垂直于运动方向微织构边长增大,摩擦因数呈现先减小后增大的变化趋势。     

缸套-活塞环摩擦学性能模拟实验研究

为模拟内燃机缸套-活塞环运动,设计适用于缸套-活塞环的往复式摩擦性能试验台,由传动系统、加热系统、加载系统组成。根据系统中悬臂梁和活塞环专用夹具不同的使用要求,分别进行结构设计和有限元分析。结果表明,当实验条件达到预设极限值(加热温度130℃,摩擦力500 N)时悬臂梁和活塞环专用夹具均能满足使用要求。试验台使用二维力测力传感器,通过特殊装配设计,可同时测量摩擦力和法向负载。通过摩擦性能实验验证,缸套-活塞环在较低负荷(61.7、92.6、123.4 N)条件下,摩擦因数随转速的增大而急剧减小;在较高负荷(250.8、322.5 N)条件下,摩擦因数随转速的增大有所减小并逐渐趋于稳定状态。     

沟槽微织构硬质合金刀具的摩擦仿真分析

在硬质合金刀具表面加工微织构已成为减摩抗磨最有效的技术之一.为了分析表面微织构的几何参数对硬质合金刀具表面的减摩机理,利用ABAQUS有限元软件对微织构刀具表面的摩擦磨损过程进行模拟仿真,研究不同宽度、深度和间距的微织构参数对刀具摩擦过程中应力分布的影响.仿真模拟表明,硬质合金刀具表面的微织构可通过改变应力分布来改善应...     

椭圆振动辅助车削7075铝合金表面微织构及其特性

为研究椭圆振动车削技术辅助微织构制备的工艺及其加工后微表面特性,采用椭圆振动原理和微织构的形成原理分析了不同转速和进给速度下的微织构变化规律,进行椭圆振动轨迹测量试验和椭圆振动车削试验,分析了装置振动轨迹、表面形貌、单个微织构几何尺寸及表面粗糙度变化情况。试验结果表明,在切削试验过程中,相比传统车削,由于车刀的空间椭圆运动轨迹,超声椭圆振动车削后表面呈现类椭圆状的微织构凹槽。由理论分析和试验结果得出,随着转速和进给速度的改变,微织构凹槽的几何尺寸、轮廓高度及表面粗糙度均会发生规律性变化。     

微纳材料填充的气缸套微织构表面抗拉缸性能实验研究

为了探究填充微纳材料的气缸套微织构表面的抗拉缸性能,在气缸套试样表面进行微织构并分别填充蛇纹石和二硫化钼微纳颗粒,然后通过往复式摩擦磨损试验机考察气缸套试样的抗拉缸性能。结果表明:微织构填充微纳材料的气缸套试样的摩擦因数低于单微织构及机械珩磨的气缸套试样;表面微织构并填充微纳材料能较大幅度提高气缸套试样的抗拉缸时间,且较大尺寸的微织构对抗拉缸时间的影响更明显;在同等尺寸微织构条件下,填充不同微纳材料对抗拉缸时间的影响不明显。微织构并填充微纳材料气缸套试样抗拉缸性能的提高,是微织构收集磨粒、填充微纳材料的自身结构性能以及微纳颗粒的微轴承和微抛光共同作用的结果。     

微织构刀具织构参数优化仿真研究

高温镍基合金在切削加工过程中,较大的切削力会产生较高的切削温度,造成刀具磨损严重、加工表面质量差等加工难题。在刀具前刀面加工区域,设计微观织构(微织构)可以改善切削加工中刀-屑接触面的摩擦润滑状态,从而改善刀具的切削性能。采用有限元仿真软件对正弦型微织构刀具进行切削镍基合金的仿真实验,通过正交实验研究正弦型微织构刀具的织构刃边距、织构宽度、织构间距、正弦曲线幅值和周期长度5个织构参数对刀具切削性能的影响,并优化了正弦型微织构刀具的织构参数。结果表明:正弦型微织构刀具的主切削力降低程度与织构参数密切相关,且织构参数对主切削力大小的影响程度依次为:织构刃边距织构间距织构宽度正弦曲线幅值周期长度。优化后得到的刀具切削力、切削温度和断屑能力优于优化前无微织构刀具。     

模具钢表面激光毛化织构摩擦磨损性能试验研究

为提高模具的使用寿命,以模具钢5CrNiMo为研究对象,在试样表面加工不同面积占有率及高度的毛化织构,采用单因素轮换法,开展织构化试样的摩擦磨损性能试验研究。结果表明:毛化织构面积占有率对跑和后试样摩擦因数影响不大,但织构面积占有率越大,其跑和阶段的摩擦因数波动越小,跑和性能越优;毛化织构高度对平均摩擦因数影响较大,织构高度越低,跑和稳定后平均摩擦因数越小;织构试样磨损量均小于未织构试样,织构面积占有率越大,织构高度越低,磨损量越小。与未织构试样相比,面积占有率45%、毛化高度3. 5μm的织构试样可使摩擦因数减小85%,磨损量减小99%,表明激光毛化织构技术可优化塑性成形模具的摩擦学性能。