微织构光固化填充h-BN的巴氏合金表面摩擦学性能

为了提高巴氏合金在油润滑条件下的摩擦学性能,在巴氏合金表面加工凹坑微织构并利用光固化填充方法填充六方氮化硼(h-BN)固体润滑剂,制备出h-BN与表面微织构相结合的复合润滑结构。研究复合润滑结构在油润滑条件下的摩擦学性能及其减摩润滑机制。结果表明：复合润滑结构的摩擦学性能远高于未织构面和纯织构面;当凹坑微织构直径较小时,织构密度为10%～20%时,复合润滑结构摩擦因数较小,而凹坑直径较大时,随着织构密度的增加,复合润滑结构摩擦因数逐渐减小;当织构密度小于20%时,凹坑直径较小的复合润滑结构摩擦因数小,当织构密度达到30%时,随着凹坑直径的增加,复合润滑结构摩擦因数减小。复合润滑结构能够改善巴氏合金表面摩擦学性能,是因为h-BN固体润滑剂的释放在巴氏合金表面形成了固体润滑薄膜,避免了润滑油膜较薄处的巴氏合金表面直接与45钢表面接触,且释放h-BN固体润滑剂后的微织构凹坑可以起到收集磨粒,储存润滑油的作用。     

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。     

弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响

为了研究弹性材料表面微织构对摩擦副空化现象和润滑特性的影响,建立考虑空化效应的二维弹性织构计算模型,采用流固耦合方法计算润滑流场与材料变形之间的相互作用。对比刚性材料表面微织构,从弹性模量、滑动速度、微织构深度以及织构间距等方面分析弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响,通过实验验证模拟结果的准确性。结果表明：弹性织构摩擦副比刚性织构摩擦副摩擦因数更小,润滑性能更好;存在最优织构深度,使得弹性织构摩擦副的摩擦力最小且承载力最大;适当增大滑动速度以及织构间距可以提高弹性摩擦副的润滑性能;随着弹性模量的降低,弹性变形和油膜厚度增加,空化现象更为显著,摩擦副的润滑性能得到提升。     

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。     

沟槽型织构摩擦学性能模拟及试验研究

为揭示沟槽型织构的摩擦学特性,以沟槽型表面织构化的止推圈式摩擦副为研究对象,基于雷诺方程和微凸体接触方程建立微沟槽织构混合润滑理论计算模型,模拟摩擦因数随沟槽面积占有率、角度和深宽比的变化规律,并由摩擦性能试验验证其准确性。在假设面积占有率和角度两个参数互不干涉的前提下,模拟两者共同作用下摩擦因数的变化情况。结果表明,经过表面沟槽织构后,摩擦副的摩擦学性能得到了明显改善;摩擦因数随沟槽面积占有率和深宽比的增加呈现先减小后增大,随角度的增加呈现先减小后增大再减小的趋势;当沟槽与运动方向夹角为65°～70°,宽度为30μm,深宽比为4/15,面积占有率接近8%时,摩擦副具有最佳摩擦性能,相对于未织构情况,摩擦因数可降低约55%。     

液压缸活塞表面微织构动压润滑性能分析

以织构化间隙密封液压缸为研究背景,利用平均雷诺方程对缸筒与活塞的配合处微织构流场进行数学建模,采用有限差分法对平均雷诺方程进行离散,分别对织构形貌为球缺面、圆柱面、圆锥面、抛物面、六面体和正方体进行数值模拟,获得最优微织构形貌,同时探讨了表面粗糙度,表面方向参数和面积占有率对表面摩擦因数的影响。结果表明:六种不同形貌的微织构均能在活塞表面产生动压润滑效果,圆柱形微织构表面动压润滑性能最好;粗糙表面的粗糙峰在运动过程中能够形成动压承载力,圆柱形表面的摩擦因数随粗糙度的增加而增加,微织构的摩擦因数随表面方向参数的增加而减小,随着面积占有率的增加而减小。     

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。     

激光表面织构参数对乏油润滑下钢球-钢盘摩擦学性能影响

通过改变激光打标机的加工参数对微织构形貌进行优化改进，并利用可控气氛微型摩擦磨损实验仪研究乏油条件下表面微织构不同参数对其摩擦学性能的影响，用微机万能工具显微镜测试表面微织构形貌、磨斑直径、磨痕,并计算得到钢球磨损量。结果表明：当线间距取值0.01 mm，开光延时为-91 μs，关光延时为114 μs，结束延时为112 μs，拐角延时为97 μs时，加工的钢盘三角形微织构的形貌质量比默认参数时高；5个参数对表面微织构形貌〖JP2〗质量影响程度的先后顺序为：拐角延时＞开光延时＞关光延时＞线间距＞结束延时；在载荷8.82 N、转速400 r/min乏油润滑条件下，三角形织构摩擦因数和磨损量最小的参数组合为深度18~23 μm，尺寸150 μm，间距250 μm。表面微织构抗磨减摩机制是由流体动压效应、减小接触面积、提供“二次润滑”及收集并储存磨粒等多个机制共同作用的结果。     

激光毛化表面的摩擦学性能实验研究

采用优化的激光工艺参数和相应辅助工艺措施,利用调Q灯泵浦Nd：YAG激光器加工出不同几何尺寸和分布的球冠状激光毛化形貌。在UMT-Ⅱ型多功能摩擦磨损试验机上进行了不同尺寸和分布的激光毛化形貌与光滑试样表面的摩擦学对比实验研究。研究结果表明：在三种工况下,激光毛化试样的摩擦因数明显大于光滑试样的摩擦因数,其中,在高速轻载工况下,微凸体间距为1300μm的试样比光滑试样的摩擦因数大2.25倍;摩擦因数随着激光毛化形貌微凸体间距的减小而增大,间距为1300μm时摩擦因数最大,达到0.1192;摩擦因数与激光毛化微凸体直径成反比关系,而与微凸体的高度成正比关系;随着速度的不断增大,激光毛化表面动压效应增强,摩擦因数随之减小。     

激光微织构表面脂润滑性能试验研究

采用声光调 Q 二极管泵浦固体光源（DPSS）Nd∶YAG 激光器,在45＃钢试样表面进行激光微织构加工,采用 VYKO-NT1100三维形貌分析仪对微观织构形貌进行测量。以二硫化钼润滑脂为润滑剂,在 MMW-1A 型摩擦磨损试验机上进行微织构试样和光滑试样在不同工况条件下的摩擦性能对比试验。试验结果表明,在一定条件下,面积占有率为14％的微凹腔织构表面的脂润滑性能明显优于未织构光滑表面,且随着微凹腔面积占有率的增大,摩擦因数波动范围变小;凹槽织构表面较未织构光滑表面具有更好的润滑稳定性;在脂润滑条件下,激光微织构表面较未织构光滑表面摩擦因数最大可降低26％。     

计入粗糙度的液压缸仿生微织构耦合效应研究

在间隙密封液压缸缸筒的内表面构造仿生菱形微织构,研究计入液压缸摩擦副表面粗糙度与表面微织构对液压缸缸筒内表面摩擦润滑性能的耦合影响。利用等效流量法求解表面微织构与表面粗糙度的耦合效应,同时以液压缸常用材料45钢为试件开展摩擦学试验,并对试验结果和仿真结果进行比较。研究结果表明:液压缸摩擦副的表面粗糙度与表面微织构耦合作用非常明显,合适的表面粗糙度和表面微织构尺寸,可使液压缸缸筒内表面从混合润滑状态转变为流体润滑状态,从而增大缸筒内表面的动压润滑效应;缸筒内表面的菱形微织构形貌存在最优组合,使得液压缸缸筒内表面的摩擦因数最小、润滑性能最好。     

重型车辆织构化刹车系统热力学行为与摩擦学性能研究

重型车辆刹车系统受瞬态高温和雨水异常侵入的影响,易引起热力学行为与摩擦性能退化。为研究表面织构对刹车系统热力学行为和摩擦学特性的影响,基于有限元法开展刹车系统热力学分析,考虑大量雨水侵入的液体润滑极端情况,提出一种动压润滑与织构集成模型的摩擦学性能分析方法。结果表明：水平凹槽织构可使制动盘温度场及应力场分布较均匀,进而避免接触区域局部瞬态高温引起的车辆制动失效;随着凹槽织构倾斜角度增大,承载力增大,摩擦因数减小;不同组合型织构中,圆柱与椭球组合型织构表面承载力最大、摩擦因数最小,圆锥与椭球组合型织构表面承载力最小、摩擦因数最大。研究发现重型车辆刹车系统表面构筑合适倾斜角度凹槽织构和组合型织构有助于提升其工作性能。     

线接触摩擦副织构化表面动压润滑性能

为研究线接触摩擦副织构化表面动压润滑性能,建立其理论模型,并运用多重网格法进行数值分析,探讨工况参数(载荷、转速)和微织构参数(面积占有率、深径比)对表面油膜压力的影响;在MMW-1A摩擦磨损试验机上研究微织构面积占有率与摩擦因数的关系。结果表明,线接触条件下微织构化表面的油膜平均压力随着载荷和转速的增大而增大,随着微织构面积占有率的增大而先增大后减小,随着深径比的增大而减小;而摩擦因数随着微织构面积占有率的增大而先减小后增大再减小;存在最优的微织构面积占有率,使得油膜平均压力最大和摩擦因数最小。试验结果较好地验证了数值模拟结果,表明线接触摩擦副织构化表面具有较好的减摩特性。     

面接触条件下织构表面摩擦特性研究

为研究织构表面对面接触摩擦副摩擦特性的影响,设计和制造4个表面高度算术平均值相同、表面微凹坑面积占有率分别为7%、14%、21%、28% 的试件,选用HDM20端面摩擦磨损试验机,针对油润滑和脂润滑两种润滑剂,在不同载荷、转速等工况和不同摩擦副配对材料等条件下进行了试验研究,探讨表面形貌对摩擦特性的影响规律,并使用Talysurf CCI Lite 非接触式三维光学轮廓仪对试样进行三维表面测量,采用ISO25178定义的体积参数和连通性系数对三维表面形貌进行表征,从而得出表面体积参数及连通性系数与摩擦因数的关系。结果表明：在油润滑条件下表面形貌的微观结构特性对摩擦的影响要比脂润滑条件下的更显著;在钢对铜摩擦副条件下织构表面的摩擦因数变化比较复杂,在钢对钢摩擦副条件下织构表面的摩擦因数变化相对平稳;在不同的条件下,最优的表面微观结构特性也不同;将连通性系数和体积参数结合起来对表面形貌进行表征将更有利于表面微观结构特性的摩擦学设计。     

织构长宽比对钻头轴承润滑减磨性能的影响

基于雷诺方程建立单一织构不可压缩牛顿流体润滑条件下的动压润滑理论模型,采用有限差分法和高斯-赛德尔迭代法求解雷诺方程,分析不同长宽比(平行速度方向为长度方向,垂直速度方向为宽度方向)织构表面对动压润滑性能的影响;并采用MMW-1型微机控制万能摩擦磨损试验机开展牙轮钻头滑动轴承模拟工况下的单元摩擦学实验,对比分析不同长宽比织构对销-盘摩擦副表面摩擦磨损性能的影响;综合数值仿真与单元摩擦学实验结果,分析织构长宽比对织构润滑减磨的影响机制。数值仿真结果表明,织构长宽比对织构动压润滑性能的影响与织构深度有较大的关系,织构深度小于最小油膜厚度时,织构长宽比越小,织构的动压润滑性能越好;织构深度大于最小油膜厚度时,织构长宽比越小,织构的动压润滑性能越差。单元摩擦学实验结果表明,不同长宽比织构均能有效提高表面的摩擦学性能,但表现为织构长宽比越小,织构表面抗摩擦磨损性能越好。数值仿真和实验结果的差异在于仿真分析为动压润滑状态,而单元实验研究则为混合润滑状态。     

人工髋关节织构化表面摩擦学性能研究

为研究微织构形状对人工髋关节表面摩擦特性的影响,在人工髋关节表面分别设计仿生菱形织构、圆柱形织构和圆环形织构,以雷诺方程为理论研究基础建立流体动压润滑模型,用ANSYS Fluent进行数值模拟,得到微织构表面润滑油膜的平均承载力和摩擦因数,并比较不同织构形状的摩擦学性能。结果表明：在所选织构参数、工况参数范围内,平均承载力随着面积率增大以及滑动速度的提高均呈现上升趋势,在面积率为25%、滑动速度为0.3 m/s时达到最大;摩擦因数随着织构面积率的增大而呈下降趋势,在面积率25%达到最小值,摩擦因数与滑动速度的关系则因织构形状的不同存在一定的差异;研究的3种形状微织构中,仿生菱形织构的摩擦学性能最佳。因此合理选择织构形状可以减少人工髋关节摩擦副表面间的磨损。     

仿生硅藻结构圆周位置和间距对轴承润滑性能的影响*

基于硅藻结构,在水润滑轴承表面设计矩形-半球型复合型织构,采用流固耦合的方法研究不同织构位置角度和织构间距下的复合型织构轴承的润滑性能,并与光滑轴承和单层织构轴承润滑性能进行对比。结果表明：复合型织构轴承的摩擦力和摩擦因数始终小于单层织构轴承和光滑轴承,且在织构位置角度超过22.5°~45°范围内的某一角度后,复合型织构轴承的最大水膜压力大于单层织构轴承;在不同间距条件下,随着织构位置角度的增大,复合型织构轴承最大水膜压力呈先增加后减小的趋势,摩擦因数呈现先减小后增加的趋势;在织构间距为5°且织构位置角度为45°时,复合型织构轴承的摩擦学特性最优。     

表面织构形貌参数影响润滑性能的三维CFD分析

为研究在流体润滑条件下,表面微织构形貌参数对润滑性能的影响,建立考虑空化效应的单织构三维计算模型。用CFD方法模拟织构在不同深度、面积密度和表面形状条件下,油膜承载力、摩擦因数和压力分布的变化情况。结果表明:随着织构深度(面积密度)的增加,油膜的承载力先增大后减小,摩擦因数先减小后增大,即织构存在最优的深度和面积密度使得流体动压润滑性能最优;随着上壁面滑移速度的增大,织构的最优深度有减小的趋势,而最优面积密度趋于稳定;设计具有汇流作用的织构表面形状可以提高油膜的承载力,且速度越大,改善润滑的效果越明显。     

织构化刀具切削性能测试及切削温度仿真分析

研究织构化硬质合金刀具对切削Ti6Al4V钛合金性能的影响。在干切削和低温微量润滑(CMQL)条件下,通过开展无织构和织构化刀具切削试验,分析不同刀具在不同润滑条件下切削力和摩擦因数变化规律。结果表明:微沟槽刀具在CMQL条件下的切削性能最好,在干切削条件下的切削性能最差,表明微沟槽在CMQL条件下能有效改善刀具的摩擦学性能,而在干切削条件下反而增大了刀具的摩擦磨损。通过仿真分析织构化刀具高速干切削条件下的切削温度,结果表明:织构化刀具干切削条件下的切削温度高于无织构刀具,这是因为表面织构增大了刀具表面的粗糙度,加剧了刀-屑界面摩擦。     

双疏铝合金表面的水/油润滑摩擦学性能

利用激光加工在5083船用铝合金表面构建间距为100μm的点阵和网格微结构,将Si O2纳米粒子涂覆在微结构上构建微纳结构,制备出双疏铝合金表面。采用接触角测量仪测量其表面接触角和滚动角,采用多功能摩擦磨损试验机探讨其在水润滑和油润滑条件下的摩擦学性能。结果表明,网格表面的超疏水/疏油性能比点阵表面更强,水接触角达到159.9o,对十六烷的接触角达到147.0o。随表面疏水和疏油性能的提高,摩擦因数减小,磨痕深度变浅,宽度变窄。油润滑条件下的摩擦因数显著小于水润滑条件下的,且波动性更小,磨痕也更浅更窄。水润滑条件下,点阵表面的摩擦因数大于网格表面;而油润滑条件下,点阵表面的摩擦因数小于网格表面。