摩擦副表面微凹坑的微细加工工艺研究

在摩擦副表面加工一定规则形貌的微凹坑可改善表面摩擦特性,提高润滑、耐磨性能.根据摩擦学理论,设计了正方形、菱形、圆形等多种截面、形状的微凹坑;用组合电加工方法制作微凹坑加工工具--微凸起电极;采用多种微细特种加工方法加工出多种形状微凹坑,并进行了微凹坑加工工艺分析.     

温度辅助的激光微造型灰铸铁表面摩擦学性能研究

灰铸铁作为汽车制动盘的主要制造材料,其表面通常需要提供高而稳定的摩擦系数,但是制动过程中摩擦产生的高温会导致摩擦系数骤降。在灰铸铁动态应变时效(DSA)温度范围内,采用激光喷丸(LP)对灰铸铁表面进行微造型,造型参数分别为不同的深径比和面密度。室温下通过摩擦磨损试验研究了造型样品的几何参数对于材料表面摩擦系数的影响,挑选最佳参数进行高温摩擦试验并讨论了磨损机理。结果表明:温度辅助的激光微造型技术能大幅提高灰铸铁表面的摩擦学性能,造型试样的抗磨损性也优于未造型试样。     

低速大扭矩水压马达配流副仿生凹坑形非光滑表面流场分析

通过在低速大扭矩水压马达配流盘上设计了不同凹坑形仿生非光滑表面,并建立配流副的全水动压润滑模型,采用CFD方法研究了凹坑的不同开口形状和截面形状对内部液体流动的影响及其对流体动压润滑性能的影响规律。结果表明:在凹坑截面形状、开口尺寸及凹坑深度相同的情况下,开口形状为圆形的凹坑形仿生非光滑表面的液膜表面压力分布情况要略好于开口形状为正方形和三角形的凹坑形仿生非光滑表面的液膜表面压力分布情况;凹坑开口形状都为圆形时,截面形状为半圆形的半球坑与截面形状为矩形的圆形柱坑、截面形状为三角形的圆形锥坑相比,其液膜表面压力分布情况较好,液膜表面承载力略大,流体动压润滑性能较好。     

沟槽形表面织构对柱塞密封副摩擦性能的影响

目的提高压裂泵柱塞表面的摩擦学性能。方法基于稳态二维不可压缩Reynolds方程,建立沟槽形表面织构化柱塞动压润滑理论模型,然后利用有限差分法和高斯-赛德尔迭代法求解柱塞表面的油膜压力分布和剪切应力,进而获得油膜承载力和摩擦系数,开展最小油膜厚度、织构的深度、横截面形状、面积占比以及分布角度对柱塞密封副油膜承载能力和摩擦系数影响规律的数值分析。结果随矩形沟槽织构深度从2μm增加到40μm,织构的动压润滑性能先增大后减小,当深度约为最小油膜厚度的0.6倍时达到最佳,并且最小油膜厚度越大,织构的动压效应越差。4种横截面沟槽织构的动压润滑性能优劣顺序为:矩形内凸阶梯型椭圆形V型。随织构宽度从100μm增加到480μm,油膜承载力先增加后减小,宽度在360μm(72%面积占比)时达到最大。在6种分布角度中,60°矩形沟槽织构的润滑减磨性能最好。结论在流体动压润滑范围内,适当减小最小油膜厚度,沟槽底部尽可能平整,保持织构深度略小于最小油膜厚度,并使垂直速度方向油膜收敛区域的织构长度较长,便能获得润滑减摩性能较好的沟槽形表面织构。合理参数的沟槽形织构能够极大提高压裂泵柱塞表面的油膜承载力,降低摩擦系数,有利于延长柱塞密封副的使用寿命。     

表面微织构涂层-基体系统重载弹流润滑性能分析

目的研究表面涂层与织构化协同作用时摩擦副的重载弹流润滑性能,为重载传动的摩擦学设计提供参考。方法基于广义Reynolds方程、线弹性方程以及载荷平衡方程,建立表面微织构涂层-基体系统的弹流润滑模型,并无量纲化,然后运用Full-system有限元法编程求解,探讨涂层的弹性模量以及三角形织构深度、宽度、密度对系统弹流响应的影响。结果载荷一定时,薄膜涂层(2μm)的弹性模量变化(50～500 GPa)对油膜压力整体分布影响较小,但二次压力峰在硬质涂层上更为显著。在涂层与基体存在弹性模量差时,其上由微织构引起的集中应力是无涂层的2～3倍。最小油膜厚度随着涂层弹性模量的增大而增大。随着织构深度的增大(0～5μm),油膜压力和厚度波动更加明显,最小油膜厚度随之减小,系统最大等效应力也显著增大。当织构宽度增大(10～20μm)时,油膜压力和厚度波动减弱,最小油膜厚度先减小后增大。如果织构密度增大(0.5～2),油膜压力波动更为剧烈,油膜厚度波动变化不大,但其波动周期变化明显,最小油膜厚度先减小后增大。膜基界面最大剪应力出现在二次压力峰附近,织构化表面油膜压力波动越大,膜基界面剪应力波动也越大。结论存在一个最优的织构深度、宽度和密度,使得镀膜齿轮的承载能力最佳。合理的涂层选配和微织构设计,可以有效地提高齿轮的摩擦学性能,提前预防膜基系统失效。     

织构化冲压模具的应力数值模拟分析

目的 研究不同形状织构化模具在冲压后的应力大小和分布情况,从织构化模具应力集中角度,为改善模具寿命提供理论指导。方法 利用SolidWorks建立冲压模具三维模型,并且在模具的凹模圆角区域设置三角形、圆形以及二者复合图形,来模拟模具表面的三角形微织构、圆形微织构和复合织构。利用HyperMesh进行网格划分,并在ABAQUS中对冲压过程进行仿真分析,研究表面微织构对冲压模具凹模应力的影响。结果 加工织构的模具,在织构周围出现了应力集中,应力集中主要存在于模具表层很小的范围内,没有延伸至深处。当摩擦系数为0.1时,三角形和圆形复合织构化模具最大应力为1520 MPa,相对于单一的三角形织构化模具,最大应力减小了3.5%,相对于圆形织构化模具,最大应力增加了13.6%。随着摩擦系数的增加,织构化模具在织构处的最大应力均表现出减小的趋势,而单一的三角形和圆形织构化模具在摩擦系数较大时,板料会发生断裂。织构化模具最大应力数值由大到小依次为：三角形织构化模具>三角形和圆形复合织构化模具>圆形织构化模具。结论 表面织构化会造成模具在织构处的应力集中,而且不同形状的织构产生应力集中的程度不同。因此,考虑从改善摩擦学性能的角度提高冲压成形件的成形质量时,需要兼顾考虑模具因表面微织构而产生应力集中,影响其寿命的问题。     

脂润滑条件下PTFE/GCr15激光织构表面滑动摩擦性能研究

目的 研究PTFE薄膜与激光织构化GCr15轴承钢配副在脂润滑条件下的摩擦学性能,探究微织构面积占有率和工况参数对摩擦学行为的影响规律。方法 采用二极管泵浦声光调Q Nd∶YAG激光器对下试样进行表面织构加工,在Rtec MFT-5000多功能摩擦磨损试验机上进行往复摩擦学试验,其中上试样为粘结PTFE薄膜的圆柱销,下试样为进行激光织构化的GCr15轴承钢滑块。结果 脂润滑介质下,PTFE与微织构表面耦合摩擦系数最低。在前期磨合阶段,不同微织构面积占有率的表面摩擦系数均有小幅度上升;试验中期,不同微织构面积占有率的表面摩擦系数区分度逐渐变大。当微织构面积占有率由10%上升为40%时,摩擦系数先减小后增大,且微织构面积占有率为20%时,表面摩擦系数最小,仅为0.032。脂润滑条件下,三种不同微织构面积占有率的试样随着载荷由20 N增加至100 N时,摩擦系数均出现下降趋势,且趋势逐渐趋缓。在低频率阶段的摩擦系数较大,高频率阶段摩擦系数较小。结论 脂润滑条件下,PTFE与微织构耦合是一种有效的复合减摩手段。随着织构面积占有率的提升,表面摩擦系数先减小后增大,随着载荷的增大,表面摩擦系数迅速下降;随着往复运动频率的增大,表面摩擦系数先上升再缓慢下降。当面积占有率为20%时,能获得较好的摩擦润滑性能。     

载荷对金属/织构化三元乙丙密封副摩擦学性能的影响

目的 提高三元乙丙/金属动密封的抗磨性能,揭示织构化橡胶在不同载荷下的磨损机理和损伤演变规律.方法 采用激光打标器在三元乙丙橡胶表面加工规则凹坑阵列,与金属小钢球组成摩擦副,并利用UMT-2摩擦磨损试验机进行摩擦实验,研究不同载荷下织构化三元乙丙橡胶试样的摩擦学特性.通过分析摩擦系数和磨损率等获得实验过程的摩擦学信息,...     

不同载荷下镍基自润滑耐磨复合涂层的摩擦磨损性能

为了拓展所制备的镍基自润滑耐磨复合涂层的应用领域,基于前期研究基础,在HT-1000型高温摩擦磨损试验机研究涂层在300℃不同载荷下的摩擦磨损行为,利用SEM和EDS对磨损表面进行了形貌观察与成分分析,研究其摩擦磨损机理。结果表明:该复合涂层的摩擦系数及磨损率都随着载荷的增大呈现先减小后略增大的趋势;当载荷较低(2 N)时,涂层的磨损表面出现少量分散的磨屑;在中等载荷(5 N)下,磨损表面光滑平整,涂层中的润滑颗粒被挤压出磨损表面形成润滑膜,导致涂层具有良好摩擦磨损性能;随着载荷的增大,达到10 N时,磨损表面出现犁沟及部分由于硬质相碳化物和润滑颗粒剥落而形成的凹坑。     

贫油润滑条件下H13模具钢表面微凹坑几何参数的优化研究

采用激光微造型技术在H13模具钢表面加工出不同参数的微凹坑,并在贫油条件下进行响应面试验。为了对凹坑几何参数进行全面优化,建立了摩擦系数与微凹坑几何参数间的数学模型。并通过试验验证了数学模型的准确性,其误差范围小于5%,可用于后续的优化分析。根据优化方案得到的凹坑参数最佳组合为:直径180.66μm、深度14.66μm、密度12.75%。与无织构试样相比,最优参数下试样的摩擦系数减小了56%。     

局部凹坑织构化径向滑动轴承流体动力润滑数值分析

目的 探究局部凹坑织构化表面对径向滑动轴承流体动力润滑的影响.方法 基于雷诺边界条件和Reynolds方程,建立凹坑织构化径向滑动轴承表面流体动力润滑理论模型,采用Gauss-Seidel松弛迭代方法数值求解,获得润滑油膜的压力分布和承载能力,分析其润滑油膜承载机制,探讨凹坑几何参数和分布规律对油膜承载力的影响规律.结果 理论模型的数值解与经典理论的数值解误差较小,能有效分析轴承的流体动压润滑特性.当偏心率较大时,摩擦力的上升幅度也变大,在轴承承载区进行凹坑织构化处理能明显减小摩擦力,并且随着凹坑深度的增大,摩擦力减小,可见凹坑起润滑减摩的作用.油膜承载力随着偏心率的增大而增大,通过凹坑织构的"楔形效应"能够改善非承载区的油膜压力,存在最佳凹坑深度使得轴承达到流体动力润滑最佳状态.摩擦力随着面积率的增大而增大,特别是在偏心率较大时,润滑减摩效果较为明显,面积率对油膜承载力影响不大.将织构布置在径向滑动轴承的不同区域,其中当织构完全在下半瓦(压降区)时,织构能明显增大油膜厚度,产生油膜压力,有效降低摩擦力,提升承载力.结论 凹坑织构能明显改善径向滑动轴承流体动力润滑性能,合理设计轴承的偏心率,合适的织构参数与分布位置,能使流体动力润滑效果最佳.     

具有复合型织构的水润滑轴承的摩擦学性能研究

目的 提升水润滑轴承的摩擦学性能.方法 采用流固耦合的方法,对具有该复合型织构的水润滑轴承进行研究,将拥有仿生硅藻的多孔结构(矩形-半球型复合型织构)应用在轴承的高压区位置.分析具有矩形-半球型的复合织构的水润滑轴承在不同载荷、织构宽度以及间距的作用下,其摩擦学特性的变化.结果 通过与光滑轴承和单层织构轴承进行对比可知,随着载荷的增大,矩形-半球型复合型织构轴承的承载力随之增加,摩擦系数随之减小,并且有最大的轴承承载力和最小的摩擦系数.随着第一层及第二层织构宽度的增加,复合型织构轴承的承载力虽有复杂波动,但总体呈现上升趋势,摩擦系数呈现下降趋势.在间距较小时,复合型织构轴承的摩擦学性能更优,在间距一定的情况下,存在最优的织构个数,使得轴承的摩擦系数最小.结论 具有矩形-半球型复合织构的水润滑轴承适合在重载条件下工作,织构尺寸较大时,能产生较好的摩擦学性能;在间距较小时,复合型织构的摩擦学性能较为优异,且存在最优的织构个数.     

局部织构无限长可倾瓦推力轴承流体动压润滑分析

目的 研究局部凹坑织构对无限长可倾瓦推力轴承的流体动压润滑性能的影响.方法 基于质量守恒空化边界条件的雷诺方程,建立了局部凹坑织构无限长可倾瓦推力轴承动压润滑二维理论模型.采用多重网格法求解雷诺方程,模拟局部凹坑织构无限长可倾瓦推力轴承的流体动压分布,分析局部织构比、位置比、深度、水平间距及数量对流体动压润滑性能的影响...     

磨料条件下DLC复合微织构表面的磨损机理*

钛及其合金具有优良的性能被广泛应用于武器装备领域，但在磨料条件下易黏着、不耐磨的特性限制了其使用。为了提高钛在磨料作用下的减摩抗磨性能，以 TA2 钛为研究对象，使用激光加工技术在 TA2 样品表面上制备点阵微织构，然后采用磁控溅射技术在点阵微织构表面制备类金刚石碳（Diamond-like Carbon, DLC）薄膜，形成 DLC 复合微织构；采用 MS-T3000 摩擦磨损试验机研究了 DLC 复合微织构表面在磨料作用下的摩擦磨损性能，并通过扫描电子显微镜、能谱分析、 拉曼测试、有限元分析等手段研究钛表面 DLC 复合微织构的摩擦磨损机理。结果显示 DLC 复合微织构表面可有效提高钛在磨料条件下的减摩抗磨性能，且同等条件下，点阵密度对 DLC 复合微织构样品表面摩擦因数的影响最大，单位面积点阵边缘密度值与样品表面磨损率有关，且二者基本呈正线性关系。揭示了 DLC 复合微织构在磨粒磨损条件下的摩擦磨损性能， 并从织构边缘的破坏提出磨损机理，研究结果可为钛在磨料磨损条件下的应用提供理论和设计依据。     

Effective solution for the tribological problems of Ti-6Al-4V: Combination of laser surface texturing and solid lubricant film

Titanium alloys are characterized by poor tribological properties, and the traditional use of titanium alloys has been restricted to nontribological applications. Surface texturing has been recognized as an effective means of surface engineering to improve tribological properties of sliding surfaces. In this study, the patterns of micro-dimple with different dimples density were fabricated on the surface of Ti-6Al-4V by using laser. The effect of dimples density on the friction behavior of the titanium alloy was investigated under dry friction and coated MoS₂. The results showed that the textured surface with higher dimples density had lower friction coefficients only at low load and speed under dry friction. When combining the solid lubricant with dimples, some textured samples showed excellent tribological performance for all applied loads. The optimum surface pattern was found, and the mechanisms for friction reduction and anti-wear were discussed.     

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。     

磁流体极性对钛合金表面织构的摩擦学性能研究

目的 研究磁流体的极性对钛合金光滑表面和织构表面摩擦学性能的影响。方法 以水基磁流体、煤油基磁流体、去离子水和煤油为润滑剂,在UMT?3摩擦磨损试验机上分别进行钛合金光滑表面和织构表面的摩擦磨损实验,得到极性不同的磁性颗粒对不同表面的摩擦因数、磨损量和磨损形貌的影响规律。结果 在光滑钛合金表面,极性磁性颗粒使得摩擦因数下降了8.42%,磨痕宽度下降了8.47%,磨损方式由严重的磨粒磨损和黏着磨损转变为轻微的磨粒磨损。非极性磁性颗粒使得摩擦因数上升了33.94%,磨痕宽度上升了42.20%,磨损方式由轻微的黏着磨损转变为严重的磨粒磨损。在织构表面,极性磁性颗粒的减摩作用进一步增强,而非极性磁性颗粒并没有明显的减摩作用。结论 采用不同极性磁流体润滑时,极性磁性颗粒更容易吸附在钛合金表面,从而增加油膜的厚度和刚度,减小其摩擦因数。     

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。     

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。     

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。