钢球展开轮表面微结构几何参数优化研究

目的 对钢球展开轮表面凹坑形微结构的几何参数(形状、大小、深度、间距)进行优化,获得增摩降磨(增加摩擦系数、降低磨损量)特性最佳的展开轮表面微结构几何参数匹配,为微结构展开轮的设计和应用提供方法和依据.方法 首先运用Hertz理论对展开轮与钢球的接触面积进行分析,确定微结构几何参数范围,设计正交试验表,并进行摩擦磨损试验;然后,基于Archard理论推导展开轮表面磨损深度计算模型,通过数值模拟获得不同几何参数情况下微结构表面的磨损深度,将仿真结果与试验结果进行对比和验证;最后,以最小磨损量和最大摩擦系数为目标函数,利用基于Pareto思想的遗传算法建立微结构几何参数优化模型,通过求解得到摩擦系数和磨损深度的最佳范围及相应微结构的几何参数匹配.结果 求解得到0.2 s时间内微结构展开轮磨损深度h为5.24×10–7～5.32×10–7 mm,摩擦系数μ为0.2600～0.2607,与之对应的20个非劣解中,形状系数c为0.289左右,面积s全部为0.0310 mm2,深度d为97～112μm,大多数集中在100μm左右,间距θ在全部间距取值范围内都有分布,其中出现频数最高的为3.59°.结论 微结构几何参数对展开轮表面磨损深度的影响程度顺序为:面积>形状>深度>间距;对摩擦系数的影响程度顺序为:形状>面积>间距>深度.展开轮表面微结构的最佳几何参数匹配:形状为菱形,面积为0.0310 mm2,深度为100μm左右,间距为3.6°.     

基于激光表面微织构抑制导轨爬行的研究

机床滑动导轨出现的爬行现象降低加工精度并缩短使用寿命,为此,文章提出导轨表面进行激光微织构,以期抑制爬行。利用激光微织构技术在45#钢盘试样端面分别加工规则及有序排列的微凹坑和微凸起,与HT200销试样配副,以普通试样配副为对比,在Rtec多功能摩擦磨损试验机上分别进行导轨爬行及变润滑油油量的导轨爬行模拟试验。研究结果表明:微凹坑试样和微凸起试样配副的临界爬行速度较普通试样配副降低了58%和94%,最大静、动摩擦系数之差降低了45%和51%。实验表明:激光微织构具有抑制爬行作用,对提高机床精度具有重要意义。     

表面织构对金属-聚甲醛材料摩擦副磨损行为与机理的影响

目的研究表面织构对金属-聚甲醛(POM)摩擦副磨损行为和机理的影响。方法通过光刻-电解的方法加工出带有不同参数凹坑的不锈钢试样与聚甲醛(POM)材料配副,在万能摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损实验,以评价其摩擦学性能。利用光学显微镜、三维形貌仪和SEM对磨损后的表面形貌以及磨屑形态进行观察分析。结果凹坑深度为5μm、面积率为10%时,减磨效果最明显,磨损率相比无织构试样下降了36.2%。凹坑深度为10μm时,表面织构的引入起到了增大磨损的效果。结论合适参数的表面织构能够有效减小大面积的材料粘着转移现象,对摩擦副具有良好的减磨效果。不恰当的表面织构参数会在凹坑边缘引发严重的应力集中现象,导致不锈钢试样对软材料微切削作用产生,这也是材料磨损率急剧增大的原因。     

硅烷偶联剂对表面微坑复合PTFE的减摩及缓释性能影响研究

目的探究硅烷偶联剂对缸套表面微坑复合PTFE微粒的减摩和缓释性能的影响。方法利用激光刻蚀机在缸套表面加工不同参数的微坑,并依据摩擦系数对表面微坑参数进行优化。选取最佳表面微坑参数,进行加工,并机械涂覆经硅烷偶联剂修饰的PTFE,制备复合润滑结构。采取往复式摩擦磨损试验机对复合润滑结构的减摩性能进行分析。利用SEM和EDS研究摩擦副的表面形貌和成分,采用三维共聚焦显微镜研究微坑内PTFE的释放情况。结果在热压复合方法下,直径为0.4 mm、深度为120μm的微坑复合PTFE具有最佳的减摩效果。硅烷偶联剂的加入会进一步改善摩擦副之间的减摩性能,其摩擦系数为0.1248。与未处理缸套试样、微坑处理缸套试样、热压复合PTFE缸套试样进行对比,其摩擦系数分别降低了24.3%、18.8%和11.2%。另外,硅烷偶联剂还可以减缓表面微坑内PTFE的释放,延长作用时效,与热压复合方法相比,微坑内PTFE颗粒的释放速率约降低96.3%。结论复合润滑结构能够改善摩擦副之间的摩擦状况,其减摩和缓释机理是固体自润滑材料、表面微坑和硅烷偶联剂协同作用的结果。     

微小凹坑阵列的电解转印加工试验研究

研究表明,合理的表面织构可改善活塞汽缸中摩擦副的润滑特性,提高抗磨减摩性能.试验了用电解转印法加工凹坑阵列,对加工中阴阳极之间的封闭区域建立数学模型,并进行了ANSYS电场分析.试验研究了阴极掩模胶膜厚度、加工间隙、加工电压对微坑形貌的影响,通过优化加工参数,提高了微小凹坑阵列的均匀性与微坑加工精度.采用光刻工艺制备了直径为10 μm、厚度为40 μm的阴极掩模,以此进行电解转印加工,可获得平均直径为140 μm、深度为30 μm的凹坑阵列.     

激光混合织构对45钢摩擦学性能的影响

首先采用纳秒激光精细微加工设备在45钢表面分别加工了直径100μm及深度8～10μm的凹坑织构(D100),直径200μm及深度6～8μm的凹坑织构(D200)以及兼具两类织构的混合织构(Mixture),织构面密度均为15%,然后在干摩擦及乏油润滑条件下对不同织构的试样进行摩擦试验，研究了不同激光织构对试样摩擦学性能的影响，并分析了磨损机理。结果表明：相比无织构试样，混合织构试样在干摩擦条件下的摩擦系数降低了约27.9%,在乏油润滑条件下降低了约9.9%。干摩擦条件下，D200织构试样的磨损率最低，为2.57×10^-6 mm³·N^-1·m^-1,乏油润滑条件下D100织构试样的磨损率最低，为1.04×10^-6 mm³·N^-1·m^-1,表明激光织构能够改善45钢的摩擦学性能。激光织构的减摩机理为：干摩擦条件下捕获磨屑，从而减少磨粒磨损；乏油润滑条件下，织构化处理能够储存润滑油并增加试样的亲油性，促进润滑油在试样表面...     

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。     

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。     

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。     

基于流体动压效应的扫描阴极掩膜电解加工试验

针对目前掩膜电解加工深度溶解能力受限问题，以微凹坑阵列为研究对象，提出了基于流体动压效应的扫描阴极掩膜电解加工新方法。利用高流速电解液冲刷微凹坑表面堆积的电解产物，提高深度溶解能力，并且借助扫描阴极射流产生的流体动压效应使掩膜与工件表面动态贴合，从而简化工艺装置设计。基于加工试验，探讨了不同平底阴极结构和加工参数耦合作用对微凹坑尺寸变化的影响，最终实现直径259.8μm、深度44.1μm和直径418.1μm、深度102.7μm微凹坑阵列的加工，论证了扫描阴极掩膜电解加工方法具有提高深度溶解的能力。     

载荷对锡青铜凹坑织构表面磨损特性的影响

利用销盘式磨损试验,研究了载荷对锡青铜钻削凹坑织构试样表面磨损特性的影响。测试了摩擦因数和磨损量,用三维数字显微镜观察试样表面磨损情况,并与无织构普通试样进行对比。结果表明,在低载荷条件下钻削凹坑织构的容屑能力和凹坑边缘硬化现象可以提高锡青铜试样表面的磨损性能;而在高载荷条件下,钻削凹坑边缘的撞裂剥落、凹坑边缘应力较大和对摩球微切削等综合作用降低了锡青铜试样表面的摩擦磨损性能。     

激光表面织构化对45钢摩擦磨损性能的影响

目的研究表面织构对45钢干摩擦和乏油状态下摩擦磨损性能的影响。方法用激光加工的方法在45钢表面加工出不同面密度的凹坑织构,在UMT-2型多功能摩擦磨损试验机上以球-盘副考察凹坑密度在干摩擦和乏油条件下对45钢摩擦磨损性能的影响。结果在干摩擦条件下,织构密度在4%时,摩擦配副的摩擦系数最小,稳定摩擦系数为0.56。随着织构密度的增大,摩擦系数也逐渐增大,当织构密度增大至16.2%时,配副摩擦系数最大,稳定摩擦系数为0.72。在乏油条件下,织构密度在4%时,摩擦系数为0.39,小于未织构试样摩擦配副。凹坑密度增大后,其摩擦系数大于未织构试样,但是均在0.43左右。在干摩擦和乏油条件下,织构化试样的磨损率都小于未织构试样,并且随着织构密度的增大,磨损率先减小后增加,织构密度在8.1%时,抗磨效果最好。结论表面织构能收集磨粒,储存润滑油,从而起到良好的减磨作用。     

基于表面热涂层与表面纹理协同作用的缸套摩擦性能研究

针对船舶柴油机的缸套-活塞环摩擦磨损控制问题,利用热涂层技术在缸套表面喷涂3Cr13涂层,并利用机械加工技术进行凹坑纹理处理。对不同缸套试样在MWF-10摩擦磨损试验机上开展不同载荷下的摩擦磨损试验。利用摩擦系数、磨损量以及磨损表面形貌等特征参数来分析表面处理方式对其摩擦性能的影响。结果表明:在三种载荷下,喷涂3Cr13涂层与凹坑纹理协同处理的试样摩擦性能最为优异;表面经过单一凹坑处理或表面喷涂3Cr13涂层也可改善缸套表面的摩擦性能,但效果不如二者协同处理。在高载(600 N)下,经过单一凹坑处理的试样摩擦性能恶化。     

硬质合金基体微织构对TiAlN涂层摩擦性能的影响

采用光纤激光在硬质合金表面进行了激光微织构工艺(不同微凹坑直径、深度及织构密度),利用PVD法对微织构后的硬质合金表面进行TiAlN涂层沉积。在不同速度下(0.02m/s和0.04m/s)进行了摩擦磨损实验,对比分析了不同织构的摩擦系数,利用扫描电镜研究了表面磨损形貌,电子天平测量磨损量,并进行了磨损机理分析。结果表明,基体微织构后涂层表面的摩擦系数比基体无织构的摩擦系数稳定,微织构直径对基体涂层的摩擦磨损性能影响较大。基体微织构后的涂层具有较好的减摩效果。     

表面织构化DLC涂层在脂润滑下的摩擦学性能研究

目的 研究表面织构与类金刚石薄膜(DLC)的复合处理方法,提高在GCr15钢盘表面在全氟聚醚(PFPE)润滑脂润滑下的摩擦学性能.方法 设计了四种表面织构与两种厚度的DLC涂层相结合,采用两种加工方法(在织构表面镀上DLC涂层,在DLC涂层上加工织构),对GCr15金属盘表面进行处理.选用全氟聚醚润滑脂作为润滑介质,通过球-盘摩擦磨损实验,评价了在织构化和DLC涂层协同处理下,GCr15金属盘表面的摩擦学性能,并通过光学显微镜对磨痕形貌进行分析.结果 在四种织构表面中,微纹织构的减摩抗磨性能最好,与DLC膜的协同效果最好,在设定的实验条件下,得到的摩擦系数为0.1186,球斑直径为159.68μm.DLC镀膜处理的试样中,3μm厚的DLC膜试样在实验中的减摩性能较好,摩擦系数较低,但是磨斑尺寸较大,约为508.86μm.在织构上镀DLC膜的复合处理方法,对于摩擦学性能改善不明显.在DLC薄膜上加工微纹织构的表面,表面织构化和DLC镀膜的耦合性能好,尤其在3μm厚DLC膜上加工微纹织构的试样,实验得到的摩擦系数仅为0.09946,磨斑尺寸为192.22μm.结论 DLC涂层上加工微纹织构的复合处理方法,结合了微纹织构的储油特性和DLC的减摩特性,两种处理方法产生了正向协同作用,得到具有较好减摩和抗磨性能的摩擦表面.     

微波氮化烧结制备功能梯度WC-TiC-Co硬质合金及摩擦磨损性能研究

采用微波加热氮化烧结技术制备了功能梯度WC-15%TiC-6%Co硬质合金(MW-FGM-YT15)。通过扫描电镜、X射线衍射仪对试样的显微组织、相组成进行了观察,在往复式摩擦磨损试验机上,研究了在干摩擦条件下功能梯度硬质合金与合金钢GCr15对摩时的摩擦学性能,考察了摩擦速度和载荷对其摩擦磨损性能的影响。结果表明:采用微波氮化烧结处理,可快速制备功能梯度硬质合金,表面形成厚度12~19μm的层。在试验的载荷和转速范围内,随转速或载荷的增加,MW-FGM-YT15试样与YT15试样的摩擦系数均降低,但MW-FGM-YT15试样的摩擦系数低于YT15试样的摩擦系数。当F=100 N,v=800 r/min时,MW-FGM-YT15的摩擦系数μ约为0.235。     

凹坑表面织构对高水基球铰副润滑性能的影响EI北大核心CSCD

针对高水基球铰副由于在较恶劣工况下存在倾侧偏载效应凸显、磨损和机械效率损失加剧等使其难以满足高压大流量轴向柱塞泵液压动力需求的问题,以球铰副为研究对象,将不同的凹坑布置在滑靴球凹表面,结合理论计算结果并采用CFD(计算流体力学)方法,对球铰副在高水基乳化液中的润滑模型进行数值模拟,通过分析油膜上表面的压力分布、凹坑截面的速度分布,寻求不同表面织构的减磨机理及凹坑几何参数对承载力的影响规律。最后通过试验分析摩擦磨损情况,并与仿真进行对比。研究结果表明:油膜上的压力沿着凹坑的分度圆逐渐减小;乳化液在凹坑中流动时速度最大(位于前半凹坑内);工况参数和几何参数对油膜承载力的影响顺序为坑形>转速>面积率>深径比>高水基乳化液浓度>膜厚;膜厚4.5μm、转速1500 r/min、高水基乳化液浓度3%、深径比0.1、面积率10%的圆柱坑为最优水平组合;3种凹坑的承载力由大到小为圆柱坑>圆锥坑>圆球坑;高水基乳化液浓度3%的摩擦因数最小,在0.2左右。仿真和试验结果均表明,高水基乳化液介质环境下具有凹坑形表面织构的球铰副减阻降摩效果较普通光滑表面突出。获得了高水基球铰副表面织构化对其润滑性能的影响规律,可为提高轴向柱塞泵润滑性能和机械效率提供参考。     

基于离子束辅助激光的硬质合金表面微织构制备方法研究

目的 解决纳秒激光所制备的硬质合金表面微织构尺寸不可控且质量较差的问题.方法 提出了离子束刻蚀与纳秒激光复合加工技术.首次采用离子束辅助激光加工在WC/Co硬质合金表面制备凹坑型微织构,研究了激光扫描速度、重复频率、脉冲宽度和刻蚀时间4种不同加工参数对微凹坑表面形貌及结构尺寸的影响,并初步预测和建立了复合加工过程中微凹坑轮廓演变模型.结果 凹坑型微织构边缘熔融物堆积量随激光重复频率的增加而增加,与扫描速度和脉冲宽度成反比,其中激光重复频率的影响最大.制备的微凹坑直径和深度可以通过改变激光重复频率和刻蚀时间来调节,使用纳秒激光以20、25、30、35 kHz重复频率加工的微凹坑经离子束刻蚀150 min后,边缘的不规则凸起高度分别由1.112、1.675、2.951、3.235μm降低至0.222、0.689、0.976、1.364μm,且刻蚀速率与激光重复频率成正比.离子束刻蚀150 min后,抛光硬质合金表面粗糙度由0.022μm增加至0.079μm,而激光织构化硬质合金表面粗糙度随刻蚀时间的增加均有所降低.结论 建立了基于离子束辅助激光的表面微织构轮廓演变模型,实现了硬质合金表面微织构的高质量可控制备.     

圆凹坑-球凸复合织构的激光铣削加工及其摩擦学性能

圆凹坑织构被广泛应用于各类摩擦副以改善摩擦学性能。为进一步提高圆凹坑织构的摩擦学性能,鉴于球凸织构能产生优异的动压效应,提出圆凹坑-球凸复合织构,使球凸在圆凹坑内产生二次动压来增强圆凹坑织构的减摩效果。为加工出圆凹坑-球凸复合织构,分析其激光铣削加工工艺,并研究复合织构在销-盘面接触下的摩擦磨损特性。结果表明,在变角度直线扫描路径,单脉冲能量23μJ和光斑间距2μm下激光能量分布较均匀,复合织构的加工误差较小。合适的球凸高度可大幅提高圆凹坑织构的摩擦学性能,在一定条件下,圆凹坑-球凸复合织构较圆凹坑织构平均摩擦系数下降41.0%。     

Tribological Performances of Molded Micro-Cratered Surface of Superelasticity TiNi Alloy

采用模压法在TiNi合金表面获得了微凹坑织构,通过织构几何参数的变化调控材料的摩擦学性能。结果表明,周向和径向间距增大,TiNi合金的摩擦系数和比磨损率均呈现先减小后增大的趋势,而深/径比逐渐增大,使得TiNi合金的摩擦系数和比磨损率呈现先增大后减小的趋势。滑动速度增加,TiNi合金试盘的摩擦系数几乎都呈现先减小后增大的趋势,与Stribeck曲线描述的一致。织构参数微坑深/径比为0.06,径向间距为1.5 mm,周向间距为15°时,表现出较优的摩擦学性能,摩擦系数为0.098,比磨损率为0.87 × 10-5 mm3/(N·m)。由此可见,合适的织构参数和形貌可以降低摩擦系数和减小磨损,因为摩擦过程中微坑会产生动压和捕捉磨屑而减少表面损伤,增强耐磨性。