機(jī)械制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)論文--圓柱副的激光表面處理方法的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)</p><p>　　專 業(yè) 機(jī)械制造及其自動化 </p><p>　　班 級 </p><p>　　學(xué)生姓名

2、 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　課 題 圓柱副的激光表面處理方法的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p>&

3、lt;p><b>　　摘 要</b></p><p>　　物體表面的微細(xì)形貌深刻影響和改變著物體表面的摩擦性能 , 這就促使人們利用各種加工手段在物體表面進(jìn)行微細(xì)造型改變表面狀況以達(dá)到所需要的表面摩擦性能。</p><p>　　本文研究的目的是為減小圓柱副摩擦力和磨損量而進(jìn)行的基礎(chǔ)性研究，介紹了激光在球墨鑄鐵的表面微觀造型的加工工藝及改變其摩擦、磨損性能的研究。

4、闡述了激光在球墨鑄鐵表面的微觀變化機(jī)理，并采用多種表面造型圖案（如菱形、圓、網(wǎng)格等）和不同的表面分布率（分別為5%，10%，15%）對材料表面激光毛化處理，并進(jìn)行了摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　研究結(jié)果表明運(yùn)動副表面圖案及其分布率對摩擦性能有嚴(yán)重的影響，給圓柱副摩擦學(xué)設(shè)計(jì)提供參考。</p><p>　　關(guān)鍵字：表面微造型; 微觀形貌; 造型幾何參數(shù); 摩擦性能。</p>

5、<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Surface morphology of the fine and profound impact on changing the object's surface friction properties, which prompted people to use various means of pro

6、cessing the surface of objects in fine shape to change the surface conditions to achieve the required surface friction properties. In this paper, ductile iron laser in the shape of the surface processing technology and c

7、hange its friction and wear properties of research. Ductile iron on the surface of the laser in the microscopic changes in the</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 引 言2</p><

8、p>　　1.1本課題的選題背景2</p><p>　　1.2本文研究方法和目標(biāo)4</p><p>　　1.3 研究路線4</p><p>　　2 激光表面處理技術(shù)5</p><p>　　2.1 激光表面處理的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢5</p><p>　　2.2激光表面處理特點(diǎn)和分類7</p>&

9、lt;p><b>　　2.2.1特點(diǎn)8</b></p><p><b>　　2.2.2分類8</b></p><p>　　2.3激光加工機(jī)理11</p><p>　　2.3激光處理對材料表面摩擦、潤滑的特性的影響12</p><p><b>　　2.4小結(jié)13</b&

10、gt;</p><p>　　3 激光表面處理實(shí)驗(yàn)的器材與方法15</p><p>　　3.1實(shí)驗(yàn)器材15</p><p>　　3.1.1 HGL-LSY50系列激光打標(biāo)機(jī)15</p><p>　　3.1.2萬能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)16</p><p>　　3.2實(shí)驗(yàn)材料及試樣18</p><p&

11、gt;　　3.3實(shí)驗(yàn)方案及步驟18</p><p>　　3.3.1實(shí)驗(yàn)方案18</p><p>　　3.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟19</p><p>　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析21</p><p>　　4.1圓與菱形不同分布率的影響21</p><p>　　4.2不同間距的網(wǎng)格24</p><p>

12、;　　4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論28</p><p>　　5.1本文工作總結(jié)29</p><p>　　5.2課題展望29</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)31</p><p><b>　　致 謝32</b></p><p>　　附錄一 英文科技文獻(xiàn)翻譯33</p><p&

13、gt;　　附錄二 畢業(yè)論文任務(wù)書50</p><p>　　圓柱副的激光表面處理及工藝</p><p><b>　　1 引 言</b></p><p>　　1.1本課題的選題背景</p><p>　　摩擦副的摩擦學(xué)研究一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。磨損導(dǎo)致表面損壞和材料損耗，而潤滑是降低摩擦和減少磨損的最有效

14、措施。據(jù)估計(jì)，全世界大約有 1 /2～1 /3的能源以各種形式消耗在摩擦上，而摩擦導(dǎo)致的磨損是機(jī)械設(shè)備失效的主要原因，大約有 80%的零件損壞是由于各種形式的磨損引起的。因此,改善摩擦副的潤滑性能對于國民經(jīng)濟(jì)具有很重要的意義。早期人們認(rèn)為摩擦副的接觸表面“越光滑越好”，后來研究表明并非如此。事實(shí)上，制造一個表面，光滑程度超過一定值時，不僅大大增加加工成本，而且表面潤滑減磨性能并未隨之提高，有時甚至下降。</p><p

15、>　　汽缸是典型的圓柱摩擦副，據(jù)有關(guān)資料分析，汽缸套正常情況下的磨損的原因有：</p><p>　　( 1) 潤滑不良造成的磨損</p><p>　　發(fā)動機(jī)工作時, 汽缸套上部鄰近燃燒室, 經(jīng)常與高溫的燃燒氣體接觸, 使該處潤滑油黏度大大降低, 易于流失；而活塞速度愈靠近汽缸上部愈低，使?jié)櫥湍ば纬衫щy；同時，越靠近汽缸上部，高溫氣體對潤滑油膜的沖刷作用越強(qiáng)，甚至部分潤滑油被燒掉。因

16、而汽缸上部潤滑條件差，磨損大。</p><p>　　( 2) 由于高壓造成汽缸的機(jī)械磨損</p><p>　　發(fā)動機(jī)在工作過程中, 活塞沿汽缸套內(nèi)表面往復(fù)運(yùn)動, 承受燃燒氣體的壓力傳遞動力。 特別是在爆發(fā)沖程和壓縮沖程, 作用于汽缸套內(nèi)表面上的側(cè)接觸壓力明顯增大。所以汽缸套在垂直于活塞銷軸線方向上, 左側(cè)比右側(cè)磨損嚴(yán)重, 形成不規(guī)則的橢圓磨損?；钊敳康膲毫υ诒l(fā)沖程和壓縮沖程都是隨著活塞

17、下移, 汽缸容積增大而逐漸減小的, 故活塞對汽缸壁的側(cè)壓力也是自上而下逐漸減小的, 這就造成了汽缸套的兩側(cè)自上而下磨損逐漸減輕, 而形成不對稱的上大下小的錐度磨損。</p><p><b>　　( 3) 磨料磨損</b></p><p>　　實(shí)踐表明，由空氣帶入汽缸套的磨粒(塵土、灰渣等)，首先在汽缸套上部與第一道活塞環(huán)接觸。此時，磨粒棱角最鋒利，磨削能力較強(qiáng)，使汽缸

18、套上部磨損加劇。</p><p><b>　　( 4) 腐蝕磨損</b></p><p>　　當(dāng)冷卻水溫度低于 70℃時, 燃燒氣體中的二氧化硫、 三氧化硫，就會與燃燒生成物中的水結(jié)合成亞硫酸、硫酸凝聚在汽缸壁上。這些酸性物質(zhì)破壞了潤滑油膜，并對汽缸壁產(chǎn)生腐蝕作用。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時, 在活塞環(huán)的作用下金屬腐蝕的產(chǎn)物被刮去, 隨后又腐蝕又刮去, 從而造成腐蝕磨損。由于越靠

19、近汽缸上部, 接觸酸類物的機(jī)會愈多, 加之汽缸上部潤滑油膜形成困難。因此，越靠近汽缸上部，腐蝕磨損就越嚴(yán)重。當(dāng)缸壁溫度低于140℃(相當(dāng)于冷卻水溫度在 80~85℃)時, 上述酸類物對汽缸壁的腐蝕磨損就越嚴(yán)重。腐蝕磨損的程度, 除燃燒中硫含量外, 主要取決于汽缸壁冷卻的程度。發(fā)動機(jī)溫度越低, 酸性物質(zhì)就越易在汽缸壁上生成，腐蝕作用也越強(qiáng)烈。當(dāng)汽缸壁溫度升高時, 由于潤滑油黏度變低, 油膜不易形成, 抵抗腐蝕作用減小, 使腐蝕和機(jī)械磨損加

20、劇。因此, 在同一臺發(fā)動機(jī)上, 由于各缸冷卻程度不同, 各部位受到腐蝕的情況也有差別。如一缸前壁和六缸后壁, 由于冷卻效果較高, 其腐蝕就較嚴(yán)重。進(jìn)氣門對面的缸壁, 由于新鮮混合氣流的沖刷作用, 沖掉和稀釋了這一部位缸壁上的油膜, 并使缸壁溫度降低, 而加大了該處的腐蝕作用。通常, </p><p>　　然而研究表明，具有一定粗糙度的表面能改善潤滑狀況。因此 ,根據(jù)摩擦副的潤滑減磨性能要求，在其表面設(shè)置優(yōu)化匹配的

21、微觀幾何形貌，使接觸面間形成良好的流體動壓潤滑，能極大地改善其潤滑性能。為達(dá)此目的，人們曾采用電化學(xué)腐蝕、 高密度介質(zhì)流、噴丸法、光化學(xué)腐蝕及超聲振動加工等方法，但都因種種缺陷未能如愿。</p><p>　　就汽缸來說，人們在摩擦學(xué)方面一直向往在整個氣缸工作表面的長度上，能按照內(nèi)燃機(jī)性能需要和潤滑要求，利用一定粗糙度的表面能改善潤滑狀況的原理，有目的地改造氣缸孔表面的微觀結(jié)構(gòu)形貌。為此許多新的方法正在不斷研究，如

22、采用多種高能量密度的介質(zhì)束、流體束在工件表面進(jìn)行微觀造型，特別是激光表面造型技術(shù)越來越多的被研究和使用。</p><p>　　這種新型表面處理技術(shù)，具有加工速度快、加工精度高、工藝周期短、工件變形小、能源消耗低、環(huán)境污染小、不受材料限制、工藝過程易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于發(fā)動機(jī)氣缸套、活塞環(huán)、端面機(jī)械密封環(huán)、凸輪軸、推力軸承等重要摩擦副的表面處理。目前，該技術(shù)的應(yīng)用已基本成熟。但相關(guān)方面的理論研究較少，

23、激光表面造型改善摩擦副摩擦性能的機(jī)理尚待理論證明。經(jīng)激光表面造型處理后的摩擦副，其耐磨性得到大幅提高，使用壽命大大延長，使能源消耗得到有效降低。</p><p>　　本文的研究正是基于激光技術(shù)的發(fā)展和提高汽缸類摩擦副表面性能的需要而進(jìn)行的。</p><p>　　1.2本文研究方法和內(nèi)容</p><p>　　本論文以典型圓柱副汽缸來研究其表面激光處理工藝及對摩擦性能的

24、影響。汽缸表面為圓柱形，最佳的實(shí)驗(yàn)方法是直接在汽缸樣機(jī)上來進(jìn)行。但這樣做法，無論是從經(jīng)濟(jì)成本還是實(shí)驗(yàn)的可行性上來看，對小型研究單位來說都是不可取的。所以多數(shù)研究者都采用小型試樣來進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)。這里一方面是考慮汽缸和活塞之間的運(yùn)動主要為上下滑動，另一方面把大直徑汽缸近似看作多個微小平面拼接構(gòu)成。為此研究滑動副的摩擦特性對以上下運(yùn)動為主的圓柱副具有重要的價值。由于對此類摩擦學(xué)研究的理論還不完善，所以本文主要采用試驗(yàn)分析法。</p>

25、;<p>　　本文主要研究工作如下：</p><p>　　采用氪燈泵浦固體光源Nd: YAG激光器，設(shè)計(jì)制造試樣（摩擦環(huán)），對試樣材料表面進(jìn)行激光微造型加工。在萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了激光造型后，與未造型的摩擦環(huán)套試件的摩擦磨損性能對比試驗(yàn)研究。測試在不同造型圖案下，被加工試樣表面的摩擦力矩的變化，對比不同造型試樣的摩擦磨損性能。同時研究在萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上施加不同載荷時（此載荷和汽缸側(cè)向力對應(yīng)

26、），摩擦力矩的變化。并通過公式求出摩擦系數(shù)，畫出相應(yīng)的曲線，比較曲線之間的差異。</p><p><b>　　1.3 研究路線</b></p><p>　　本論文從資料查閱—方案設(shè)計(jì)－具體實(shí)驗(yàn)—撰寫論文歷時三個月，流程如下：</p><p><b>　　資料查閱，熟悉課題</b></p><p>　

27、　確定系統(tǒng)框架并開始搭建總體框架</p><p>　　對各個實(shí)驗(yàn)儀器的熟悉和操作</p><p>　　設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和準(zhǔn)備材料</p><p>　　具體做實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析</p><p>　　撰寫論文，科技翻譯。</p><p>　　2 激光表面處理技術(shù)</p><p>　　2.1 激光表面處理的現(xiàn)

28、狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　激光加工是 20 世紀(jì) 60 年代初期興起的一項(xiàng)新技術(shù)，此后逐步應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空、電子等行業(yè)，尤以機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展速度最快。在機(jī)械制造業(yè)中的廣泛使用又推動了激光加工技術(shù)的工業(yè)化。 20 世紀(jì) 70 年代，美國進(jìn)行了兩大研究:一是福特汽車公司進(jìn)行的車身鋼板的激光焊接；二是通用汽車公司進(jìn)行的動力轉(zhuǎn)向變速箱內(nèi)表面的激光淬火。這兩項(xiàng)研究推動了以后的機(jī)械制造業(yè)中的激光加工技術(shù)的發(fā)展

29、。到了 20 世紀(jì) 80 年代后期，激光加工的應(yīng)用實(shí)例有所增加,其中增長最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。這 3 項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展成熟，應(yīng)用也很廣泛。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代后期，激光珩磨技術(shù)的出現(xiàn)又將激光微細(xì)加工技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用翻開了嶄新的一頁。</p><p>　　在物體表面加工出微細(xì)形貌以改善物體摩擦性能即表面微造型技術(shù)早在 20世紀(jì)60年代后期就有 Hamilton等人開始研究。隨后的近

30、 40年許多學(xué)者紛紛投入到該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)和理論研究中去, 對諸如機(jī)械密封、活塞環(huán)以及推力軸承的表面微造型加工的研究更成為近期熱點(diǎn)。隨著研究的深入, 人們發(fā)現(xiàn)表面微細(xì)形貌在相互運(yùn)動摩擦的物體表面主要有以下一些作用: (1) 使相互平行的摩擦表面產(chǎn)生動壓潤滑; ( 2) 減少摩擦表面的摩擦因數(shù), 從而減少摩擦力或摩擦力矩; ( 3)提高承載能力; ( 4) 微孔 (槽 ) 可以作為儲油槽,為邊界潤滑提供潤滑或?yàn)閯倖拥哪Σ帘砻嫣峁櫥? (

31、5) 微孔 (槽) 可以用作儲屑槽, 容納因?yàn)檫吔鐫櫥蚋赡Σ廉a(chǎn)生的磨屑, 從而減少磨損, 延長使用壽命。</p><p>　　而氣缸孔和活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)中最關(guān)鍵的摩擦副之一，它直接影響內(nèi)燃機(jī)的使用壽命和性能。一般來講，氣缸孔表面的抗磨性能與以下 4 個因素有關(guān)，即氣缸孔表面粗糙度、氣缸孔與活塞環(huán)的配伍性、氣缸孔表面材料硬度以及表面的潤滑狀況。激光淬火技術(shù)，因其獨(dú)特的加熱源和熱處理機(jī)制以及一系列優(yōu)點(diǎn)，特別適用于氣缸

32、孔表面的處理，經(jīng)激光淬火后的氣缸孔，其耐磨性能提高 3倍以上 ，因而倍受內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的關(guān)注和歡迎。從影響氣缸孔耐磨性 能的 4個因素分析，前 3個因素到目前為止已基本得到較好的解決。剩下的是如何改善其表面潤滑 ，以達(dá)到減摩目的。雖然傳統(tǒng)的機(jī)械珩磨加工方法，在工件表面留下珩磨痕跡具有一定的貯存和輸送潤滑油，進(jìn)而起到一定的改善潤滑性能的作用，但是由于珩磨痕跡紊亂無序，因而作用十分有限。我們提出氣缸孔加工處理的新思路 、新方法，即以傳統(tǒng)的機(jī)加工

33、后的工件表面為原始表面，進(jìn)行激光淬火硬化處理，在此基礎(chǔ)上，再實(shí)施激光珩磨加工，從而達(dá)到在大大提高工件表 ，面耐磨性能的同時，顯著改善工件表面潤滑性能?，F(xiàn)行的氣缸孔表面最后加工工序?yàn)椋壕M--粗珩--精珩。在一些要求高的情況下 ,最終還要加上平臺珩磨工序。經(jīng)過這些工序之后，</p><p>　　激光表面改性技術(shù)成為了一種新興材料表面改性技術(shù)，尤其是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，大功率工業(yè)激光器和輔助設(shè)備的制造技術(shù)日益提

34、高，激光表面技術(shù)逐漸成熟 ，使得這種技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用和深入研究日益活躍 ，激光表面改性技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用 ，其中工業(yè)應(yīng)用所占比例最大。激光表面改性技術(shù)的應(yīng)用涉及交通運(yùn)輸紡織機(jī)械重型機(jī)械和精密機(jī)械的制造等，所處理的零部件種類包括汽車、摩托車和輪船等的發(fā)動機(jī)氣缸體(套)內(nèi)壁曲軸、凸輪軸、轉(zhuǎn)向器殼體齒輪、機(jī)床導(dǎo)軌刀具刃口和軸承等。 (1)國外的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀：在國外1974年美國通用汽車公司采用激光表面改性技術(shù)處理汽車轉(zhuǎn)向器內(nèi)腔(可鍛鑄

35、鐵)，并且于20世紀(jì)80年代建成17條激光表面相變處理生產(chǎn)線 ，可以日處理33000件，其耐磨性較原工藝提高近 1 0 倍。意大利菲亞特公司采用HPL一 10型激光器處理發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)壁 ，取消了氣缸套，降低了油耗，節(jié)省了成本。1984年德國紐倫堡機(jī)械制造公司建立激光表面改性生產(chǎn)線，對大型發(fā)動機(jī)氣缸套進(jìn)行激光表面改性 ，大大提高氣缸套的耐磨性。到 90 年代后期，德國格林(Gehring)公司發(fā)明并率先將其應(yīng)用到氣缸孔的表面處理中，不僅&

36、lt;/p><p>　　a．1994年柳州市 汽車發(fā)動機(jī)廠做了柴油機(jī)推桿的磨損與激光表面改性研究。</p><p>　　b．1998 年天津紡織工學(xué)院激光應(yīng)用研究室進(jìn)行了YAG激光表面改性研究 。</p><p>　　c． 2003年天津理工學(xué)院做了軸承鋼表面改性的表面硬化層殘余奧氏體測定及研究。</p><p>　　d．2003年浙江工業(yè)大學(xué)研

37、究了基于二維傳熱數(shù)值分析模型的激光處理專家系統(tǒng)。</p><p>　　e．2004年江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所進(jìn)行了 H13鋼激光表面改性組織與性能的研究。</p><p>　　f．青島中發(fā)激光技術(shù)有限公司采用激光網(wǎng)格工藝加工后的發(fā)動機(jī)氣缸體、曲軸等零件表面 ，壽命提高3-5倍。</p><p>　　全國各地幾乎都有不同規(guī)模的激光加工中心進(jìn)行激光表面改性研究和應(yīng)用。

38、 在激光表面改性的研究中，國內(nèi)外的學(xué)者最初集中在探討激光表面改性鐵基材料的改變和改善材料性能的機(jī)理 ，他們對激光表面改性低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、合金鋼和鑄鐵等都做了大量的研究。隨著激光表面改性技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，工業(yè)化生產(chǎn)對設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性的要求越來越高。鑒于此，研究人員開展了對激光器光腔結(jié)構(gòu)光學(xué)元件冷卻技術(shù)表面吸收涂層種類、噴涂技術(shù)以及用于對復(fù)雜零件表面改性的數(shù)控機(jī)床的研究 。另外為了滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)還開展了對激光設(shè)備各個零部件

39、的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；O(shè)計(jì)的研究不斷地促進(jìn)激光表面改性設(shè)備的發(fā)展。雖然這一技術(shù)目前尚處于研究試驗(yàn)階段 ,但由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和潤滑機(jī)理 ,必將展現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　近年來, 隨著對物體表面, 特別是對重要摩擦副表面性能的要求越來越高, 表面微造型技術(shù) ( SurfaceTexturing) 以其優(yōu)異改善摩擦性能的特點(diǎn)得以快速發(fā)展。</p><p>　　2.2激光表面處理特點(diǎn)和分

40、類</p><p>　　激光具有強(qiáng)度高、能量密集、單色性好、相干性好等很多優(yōu)點(diǎn)。激光光束的獲取是通過一系列光學(xué)元件，把激光束聚集成一個極小的光斑，獲得的能量密度，溫度達(dá)到10000℃ 以上，通過高頻高能脈沖光束對材料加工，使得表面形成均勻或可控分布的微坑，從而能在千分之幾秒甚至更短的時間內(nèi)使材料表面達(dá)到改造的目的。</p><p><b>　　2.2.1特點(diǎn)</b>&

41、lt;/p><p>　　通過激光表面改性過的材料有很多優(yōu)點(diǎn)，具體如以下：a．可在零件表面形成細(xì)小均勻、 層深可控、含有多種介于穩(wěn)相和金屬化合物的高質(zhì)量表面強(qiáng)化層?？纱蠓忍岣弑砻嬗捕取⒛湍バ院涂菇佑|疲勞的能力以及制備特殊的耐腐蝕功能表層。 b．可以在工件精加工后進(jìn)行表面改性 ，處理后僅需極小量的磨削加工即可 ，可使具有優(yōu)異性能的處理表面得到充分保存。c．激光處理是小面積掃描式加熱 ，工件變形．適用于任意形狀的表面，不

42、受工件形狀的限制。 d．硬化層深度和硬化面積可準(zhǔn)確測定和控制，生產(chǎn)上重復(fù)性好，可保證產(chǎn)品的高質(zhì)量和生產(chǎn)的穩(wěn)定性，既適合單件大批量生產(chǎn)，也適合多品種小批量生產(chǎn)。 e．加熱時間短，溫度升高僅限于工件表面附近，也就是只加熱表面而不會提高材料的整體溫度，而且冷卻極快，熱影響區(qū)極小。另外 ，由于激光為無接觸加熱 ，工件不會受到污染。通過降低表面粗糙度可以提高機(jī)械零件表面的抗擦傷和耐磨損能力, 但超精加工不僅增加了制造成本, 且受材料的性質(zhì)和加工精

43、度的影響, 表面粗糙度始終受到一定的限制 。彈流潤滑理論指出，機(jī)械加工表面上形成的粗糙度、加工紋向等組成的表面形貌對于潤滑效果及承載能力都有很大的影響, 因此人們設(shè)</p><p><b>　　2.2.2分類</b></p><p>　　材料表改性的方法有很多，但主要有以下幾種：</p><p>　　（1） 表面滲擴(kuò)處理，即在材料表面加入礦質(zhì)元

44、素來改變材料的性能，主要有滲B、N．C共滲(軟氮化)、S．N—C共滲、多元共滲。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是提高耐磨性能和抗氧化性能，同時提高鐵基材料的抗腐蝕性能。</p><p>　?。? ）離子注入與等離子體源離子注入，離子注入技術(shù)是1種新的表面改性方法，原則上任何元素都可以注入到任何基體金屬中。離子注入在高真空(10Pa左右)和較低溫度下進(jìn)行，不會引起變形、退火和尺寸的變化。注入原子與基體金屬沒有界面，注入層不存在剝

45、落問題。該技術(shù)早期研究集中在N離子的注入。等離子體源離子注入技術(shù)(Plasma immersion ion implanta—tion，Pil1)是1種既能提高表面硬度又沒有降低結(jié)合力的有效方法，它可以對模具進(jìn)行快速、低成本改性。</p><p>　?。?） 復(fù)合處理，即對材料表面進(jìn)行兩種表面改性處理，使這兩種處理能互相兼容，使的材料的表面性能更好。比如，Rodriguez．Baracaldo R等人對H13鋼進(jìn)

46、行了2種表面改性處理，一種是在基體上直接PVD沉積TiA1N涂層，另一種是先在基體上進(jìn)行氣體氮化處理，然后進(jìn)行PVD沉積TiA1N涂層，形成復(fù)合層。研究表明：復(fù)合層的耐磨性能最好；單一氮化物涂層的耐磨性能較單一TiA1N涂層好，前者比后者約高5倍左右。</p><p>　?。?） 激光表面改性，激光表面改性是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的高新技術(shù)，可有效地改善材料的表面性能，對于模具表面強(qiáng)化、修復(fù)及提高使用壽命效果顯

47、著，45鋼激光表面改性是利用激光的高輻射、高亮度、高方向性、高單色性特點(diǎn)，使材料的表面性能得到提高，特別是材料的摩擦系數(shù)、表面硬度、耐磨性、耐蝕性和耐高溫性的改進(jìn)，提高了熱作模具的使用壽命。</p><p>　　激光是粒子通過受激輻射放大而得到的。即在泵浦源的泵浦作用下，使低能態(tài)粒子吸收能量躍遷到高能態(tài)，而高能態(tài)的粒子很快又回到低能態(tài)或基態(tài)，同時釋放出大量的光子，光子在諧振腔的選模作用下通過輸出聚焦鏡以激光的方式

48、輸出，這樣的產(chǎn)生方式使得激光具有單色性、相干性、方向性和高亮度性，也是其它光源無法比擬的。激光主要有四大特性：激光的高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。</p><p>　　激光表面改性又可以分四種：激光相變硬化、激光熔凝處理、激光表面非晶化與微晶、激光毛化。</p><p><b>　?、偌す獯慊穑?lt;/b></p><p>　　激光淬火又稱

49、激光相變硬化，它是以10 ～10 W／cm 高能密度的激光束作用于模具表面，以10 ～10。oC／s快速加熱金屬表面使其達(dá)到相變溫度以上形成奧氏體，而金屬材料內(nèi)部保持冷態(tài)，在停止加熱后，由于熱傳導(dǎo)使表層金屬以10度急劇冷卻，形成表面相變硬化層，從而達(dá)到淬火的目的 。其特點(diǎn)是：淬硬層組織硬化，硬度比常規(guī)高15％ 一20％ ，耐磨性提高l～10倍；加熱速度快，生產(chǎn)效率高，成本低，自動化程度高。但硬化層深度受到限制，一般在1mm以下，再加上金

50、屬表面對波長10．6m的激光反射嚴(yán)重，一般90％ 以上的激光被反射。因此，為增大材料對激光的吸收，需作表面涂層或其它預(yù)處理 。激光相變硬化技術(shù)從開始應(yīng)用到現(xiàn)在，已經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。但由于這項(xiàng)工藝的技術(shù)含量很高，工藝過程中影響因素太多，設(shè)備費(fèi)用昂貴，除了對形狀簡單、工藝基本定型且批量較大的工件可以專門建立生產(chǎn)線，并可獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量外，在形狀較為復(fù)雜的工件中應(yīng)用仍存在不少問題，基本上還是1種成本高、控制復(fù)雜但性

51、能特殊的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)。但是，由于激光相變硬化技術(shù)所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，它仍是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)。</p><p><b>　?、诩す馊勰幚恚?lt;/b></p><p>　　激光熔凝是通過在模具表面覆蓋一層具有一定性能的熔覆材料來改善表面性能。與等離子噴焊相比，激光熔凝可實(shí)現(xiàn)熱輸入的準(zhǔn)確和局部控制，節(jié)省高性能材料；其涂層缺陷率低，組織細(xì)密均勻，成分稀釋率小，熱影響

52、區(qū)小，涂層強(qiáng)韌性明顯提高。張春華等人采用高能束激光熔凝處理，在H13鋼表面獲得激光熔凝層，在不改變模具鋼表面成分的條件下，實(shí)現(xiàn)鋼基表面的“自強(qiáng)化”。最佳工藝參數(shù)為：輸出功率1200W，光斑直徑3mm，焦距300mm，激光束掃描速率400mm／min，大面積激光掃描搭接率30％ 。研究表明：采用激光熔凝處理，在H13鋼表面獲得了組織致密、無孔洞及裂紋等缺陷的熔凝層，熔凝層厚度約為0．5 rum，其組織呈定向生長形態(tài)。激光熔凝層的耐磨性能為

53、H13鋼基體的1．8倍。H13鋼經(jīng)激光熔凝處理后，其耐腐蝕性能得到改善，自腐蝕電位正移，維鈍電流明顯減小。激光熔凝處理技術(shù)以其加工精度高等特點(diǎn)具有很大的潛在應(yīng)用價值，但目前的研究只在實(shí)驗(yàn)室階段，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用還需要進(jìn)行大量的研究工作。</p><p>　?、奂す獗砻娣蔷Щc微晶：</p><p>　　非晶是一種類似玻璃的結(jié)構(gòu)，長程有序，短程有序。這種組織的特點(diǎn)是成分和電化學(xué)性能極為均

54、勻，并且沒有晶界、位錯等晶態(tài)缺陷。非晶材料以其優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械和化學(xué)性能，日益受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，獲得了廣泛的應(yīng)用。對非晶材料的研究進(jìn)而迅速發(fā)展成一門新興的非晶態(tài)物理學(xué)，它對材料科的分支，對其今后的技術(shù)發(fā)展有極重要的意義。制備非晶的一個最基本條件是將液態(tài)以大于某一臨界冷卻速度急冷到低于某一特征溫度，以抑制晶體形核核生長。激光非晶指將激光作用于材料，是材料表面薄層融化形成極高的 溫度梯度，急冷后形成非晶。</p><

55、p><b>　?、芗す饷?lt;/b></p><p>　　激光毛化其實(shí)是通過一系列光學(xué)元件，把激光束聚集成一個極小的光斑，獲得的能量密度，溫度達(dá)到10000℃ 以上，通過高頻高能脈沖光束對材料加工，使得表面形成均勻或可控分布的微坑如圖1所示，從而能在千分之幾秒甚至更短的時間內(nèi)使材料表面達(dá)到毛化的目的。激光毛化實(shí)質(zhì)是激光斑點(diǎn)與基體材料相互作用而形成的，激光毛化板的表面形貌是預(yù)定可控和有規(guī)

56、則的排列，儲油性能好，粗糙度調(diào)節(jié)范圍大，重復(fù)性好，沖壓性能好，涂漆后的鮮映度高。毛化過程經(jīng)過以下幾個過程：① 光斑沖擊激光光斑短時間作用在基體材料的淺層上，材料在激光沖擊作用下產(chǎn)生局部壓應(yīng)力；② 表層熔融金屬材料吸收的熱使得表層熔化，形成熔池；③ 表層蝕化隨著表層吸收激光能量的增加，形成熔池的表面產(chǎn)生氣化，產(chǎn)生蝕化效果，完成毛化加工。其圖片如圖1</p><p>　　圖1激光毛化球墨鑄鐵微觀形貌</p>

57、;<p><b>　　2.3激光加工機(jī)理</b></p><p>　　激光表面改性是利用高能量激光照射工件時對工件表面快速的加熱．將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，進(jìn)行表面處理的獨(dú)特加工方法。激光加工機(jī)理是利用聚焦后的激光束,照射到工件表面 ,激光在很小的焦斑范圍內(nèi) ,具有較高的功率密度 ,能夠在極短的時間內(nèi) ,使材料發(fā)生熔化、 汽化 ,并形成小孔 ,小孔的形成又增強(qiáng)材料對激光的吸收 ,材料汽

58、化膨脹產(chǎn)生的壓力將熔融的材料拋出 ,從而達(dá)到去除材料的目的。</p><p>　　該工藝的特點(diǎn)是能夠有選擇地處理局部表面，可以在不改變材料整體性能的情況下在局部表面得到所需要的性能，它是激光加工領(lǐng)域中的重要組成部分。激光表面改性用高能量激光束為熱源加熱工件，使工件表面在高功率密度激光的照射下掃描，工件表面吸收激光照射的能量，光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。表面迅速被加熱到相變溫度以上、熔化溫度以下．此時工件溫度仍處于室溫。當(dāng)光束

59、移開或光束的能量減少時．能量又迅速以1O--- 一10 C／s的冷卻速度向金屬內(nèi)部傳導(dǎo)．使加熱部分迅速冷卻．此過程非?？欤率菇饘賰?nèi)部保持冷態(tài)，從而獲得表面改性效果。實(shí)現(xiàn)不需要額外冷卻介質(zhì)就可以實(shí)現(xiàn)相變硬化，達(dá)到激光自冷表面改性。當(dāng)激光束照射到材料表面的時候，如果材料表面局部區(qū)域溫度超過材料的熔化溫度，則該區(qū)域?qū)蝗刍蔀橐后w。相應(yīng)的熔化區(qū)域被稱為熔池。在激光材料表面改性過程中，激光熔池形成與否主要取決于激光的強(qiáng)度和照射的時間?？梢?/p>

60、，激光表面改性是最簡單的表面改性，即用激光對著表面改性部位掃一遍即可完成。盡管如此，激光表面改性也要遵循與普通表面改性同樣的規(guī)律，即最大的加熱溫度大于鋼的相變臨界溫度。冷卻速度大于鋼的表面改性臨界冷卻速度。只不過激光金屬的加熱</p><p>　　2.3激光處理對材料表面摩擦、潤滑的特性的影響</p><p>　　Y AG脈沖激光雖然具有脈沖窄、 峰值功率高、加工時對工件的熱影響區(qū)小、 金

61、屬重鑄少等特點(diǎn) ,但它畢竟也是通過熱效應(yīng)來加工的, 如圖 3所示，YAG激光加工時有相當(dāng)一部分熱量到傳輸?shù)募庸^(qū)周圍基體材料中，形成熱影響區(qū),降低了激光能量的利用率，并可能帶來微裂紋、金屬重鑄、切口不光滑的問題。因此 ,利用 Y AG激光對金屬表面進(jìn)行微造型,必須對激光工藝參數(shù)進(jìn)行合理的選擇和優(yōu)化組合,以最大限度減少、消除這些不利因素的影響。</p><p>　　從而使激光表面改性具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。1)利用激光束可

62、控性的特點(diǎn)，在工件工作表面的整個工作長度上根據(jù)磨損狀況和潤滑性能要求進(jìn)行表面微觀造型，從而保證在整個工作長度上磨損均衡。2)在工件整個工作表面上形成與潤滑性能要求優(yōu)化匹配的、連續(xù)均勻的、并具有一定密度、寬度、深度、角度及形狀的貯存和輸送潤滑油的溝槽、凹腔，這些油路通過交叉點(diǎn)相互連通，且都均勻地分布于工件表面，為工件表面提供迅速有效的潤滑，減少了貧油區(qū)的出現(xiàn)，降低了粘著磨損。3)由于激光與材料獨(dú)特的作用機(jī)理，使得要去除的金屬(或非金屬)被

63、汽化掉，形成的油路光滑清潔，從而保證油路暢通無阻。同時，在金屬材料工件的油路周圍和表面，因淬火效應(yīng)而硬度提高。4)在油路上設(shè)置的一系列凹腔，具有儲油池和聚集微小顆粒的雙重作用，它一方面為周圍附近區(qū)域提供潤滑油，另一方面又能大大降低磨粒磨損。5)激光表面造型屬非接觸式加工，不像機(jī)械加工會發(fā)生擠壓、耕犁現(xiàn)象，從而在金屬表面不產(chǎn)生所謂的“金屬疤皮”。6)雖然激光表面造型在工件表面留下了縱橫交錯的網(wǎng)格狀油路，但就宏觀效果而言，并不影響其支承面積

64、 。</p><p>　　在摩擦過程中潤滑效果和潤滑油量密切相關(guān), 油膜分子覆蓋在固體表面可以使界面的自由能減小。密封端面的微孔如圖2所示, 當(dāng)潤滑油量很少達(dá)到圖中的A時, 首先在整個表面形成單分子吸附層使表面能達(dá)到最低，隨著油量增加潤滑膜的厚度增加到充滿粗糙峰谷(B, C之間) ,這時的摩擦只發(fā)生在峰頂,潤滑區(qū)域處于流體潤滑狀態(tài), 潤滑油量對摩擦因數(shù)的數(shù)值影響不大。對于表面微孔化的試樣, 每一個微孔之中都預(yù)先存

65、儲了一定的油量, 當(dāng)表面粗糙峰頂?shù)挠湍ぐl(fā)生破裂, 峰谷的油依靠自由能減少的趨勢可以自動補(bǔ)充至峰頂, 而光滑表面不存在這種規(guī)則的儲油結(jié)構(gòu), 隨著載荷的增加,潤滑膜一旦破裂很容易失效。表面微孔的存在對潤滑過程起到了補(bǔ)充供油的作用, 使流體潤滑區(qū)域得以延長, 但是當(dāng)潤滑油量只能達(dá)到峰谷A或是更少時, 這時潤滑油很難發(fā)生流動, 峰頂?shù)挠湍て茐暮蟮貌坏窖a(bǔ)充, 最終產(chǎn)生干摩擦。當(dāng)摩擦副之間發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)時, 盤表面的微孔周圍形成收斂的流體潤滑膜, 每

66、一個孔都像一個微動力滑動軸承, 在孔的周圍和上方產(chǎn)生流體動壓力。當(dāng)載荷增加時, 表面微孔可以作為存儲器為接觸面供油,同時可以捕捉摩擦過程中的磨損粒子, 減少犁溝起到減磨的</p><p>　　如圖2潤滑油量在A時，在整個表面形成單分子吸附層使表面能達(dá)到最低，隨著油量增加潤滑膜的厚度增加到充滿粗糙峰谷(B, C之間)，這時的摩擦只發(fā)生在峰頂,潤滑區(qū)域處于流體潤滑狀態(tài)。</p><p><

67、;b>　　圖2 油膜分析圖</b></p><p><b>　　2.4小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了激光表面處理，特別是微造型技術(shù)概況進(jìn)行了綜述，并介紹了激光處理技術(shù)的特點(diǎn)和分類，同時對激光加工機(jī)理作了說明。最后重點(diǎn)對激光處理材料后其表面特性變化作了闡述。通過以上調(diào)查、分析與研究，制定本文研究方法和內(nèi)容：研究滑動平面副的摩擦學(xué)特性，分析

68、激光微造型后其摩擦磨損特性變化，制定一套可行的實(shí)驗(yàn)方案、并利用合適的激光加工等設(shè)備，研究激光表面造型（激光珩磨）及其加工工藝來提高摩擦磨損性能特性，并在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上做出實(shí)驗(yàn)證明。具體試驗(yàn)方法、過程與結(jié)果在第三章和第四章給出。</p><p><b>　　。</b></p><p>　　3 激光表面處理實(shí)驗(yàn)的器材與方法</p><p><

69、;b>　　3.1實(shí)驗(yàn)器材</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用的主要設(shè)備為華中科技大學(xué)激光研究所制造的HGL-LSY50系列激光打標(biāo)機(jī)和我校機(jī)械實(shí)驗(yàn)室的萬能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)。</p><p>　　3.1.1 HGL-LSY50系列激光打標(biāo)機(jī)</p><p>　　該系列機(jī)包括HGL-LSY50F激光打標(biāo)機(jī)（進(jìn)口高速振鏡頭）和HGL-50激光打標(biāo)機(jī)（國

70、產(chǎn)高速振鏡頭）。振鏡激光打標(biāo)技術(shù)是上世紀(jì)末激光打標(biāo)領(lǐng)域的一次突破性變革。與繪圖儀技術(shù)，轉(zhuǎn)鏡技術(shù)相比，振鏡技術(shù)具有打標(biāo)速度更快，精度更高的特點(diǎn)。</p><p>　　HGL-LSY50F激光打標(biāo)機(jī)具有重復(fù)精度高，定位精度高，標(biāo)記速度快，標(biāo)記范圍大等優(yōu)點(diǎn)。而且具有高可靠性，易于維護(hù)，操作簡便等獨(dú)特優(yōu)勢，可以用語電子，通訊，包裝等行業(yè)大批量生產(chǎn)企業(yè)的在線打標(biāo)。</p><p>　　HGL－LSY

71、50F激光打標(biāo)機(jī)主要包括以下組件：1. 進(jìn)口高速振鏡頭2. 進(jìn)口D/A控制卡3. 進(jìn)口WINMARK軟件4. YAG激光器及IGBT恒流電源5. 聲光Q開關(guān)及高功率驅(qū)動電源6. PC兼容電腦一臺7. 恒溫冷水機(jī)組（選件）</p><p><b>　　性能參數(shù)</b></p><p>　　主要技術(shù)參數(shù)激光介質(zhì) 　　　　　　Nd:YAG　　　　波長 　　

72、　　　　　　1064nm　　　　　　聲光調(diào)制頻率 　　　　20 KHZ功率 　　　　　　　　60W 供電 　　　　　　　　3Φ3KVA標(biāo)記速度 　　　　　　2000－3000mm/s（約200個字符/s）標(biāo)記深度 　　　　　　0.01－0.2 mm/s標(biāo)記范圍 　　　　　　70×70mm,110×110mm外形體積 　　　　　　1500×720×1100mm重量 　　　　

73、　　　　120kg</p><p>　　其工作原理簡圖如圖3所示</p><p>　　3.1.2萬能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)</p><p>　　萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)使由主軸驅(qū)動系統(tǒng)、各種摩擦副專用夾具、油盒與加熱器、摩擦力矩測定系統(tǒng)摩擦副下副升降系統(tǒng)、彈簧式微機(jī)施力系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、以及試驗(yàn)機(jī)減震墊鉄等部分組成。它們都安裝在以焊接機(jī)座為主體的機(jī)架中，機(jī)座的右上部右工作臺面和拉板

74、滑道，工作時將工作臺面拉出，置放臺式雙筆250MM精度快速記錄儀。通過摩擦力矩傳感器和兩組鉑熱電阻，可自動記錄實(shí)驗(yàn)過程，摩擦力矩—時間和溫度—時間曲線，該記錄精度可達(dá)±0.25%，靈敏度5mv/cm,記錄筆數(shù)1000mm/s，記錄儀采用折疊式記錄紙，走紙速度12檔，有19量程和14量程供測定摩擦力矩和溫度選用。</p><p>　　機(jī)座的右上方是試驗(yàn)機(jī)面板操作系統(tǒng)，左上方是主軸驅(qū)動系統(tǒng)和油盒、摩擦副、各

75、種一次傳感器等，機(jī)座的 左下部是試驗(yàn)機(jī)彈簧式立系統(tǒng)和微機(jī)自動加荷系統(tǒng)，右下部是工具箱，試驗(yàn)機(jī)的吊裝工具就放在其內(nèi)，機(jī)座的前后及左側(cè)有門，打開時能清楚看到內(nèi)部機(jī)構(gòu)，以便進(jìn)行調(diào)試檢修。</p><p><b>　　其使用步驟為:</b></p><p>　?。?）試驗(yàn)機(jī)的安裝應(yīng)在設(shè)有穩(wěn)定電源和具有良好排風(fēng)條件的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，其外接電源為單向220伏、50Hz交流電源，該試

76、驗(yàn)機(jī)的主軸不可逆轉(zhuǎn)，既從上到下看主軸為順時針旋轉(zhuǎn)。</p><p>　?。?）實(shí)驗(yàn)機(jī)應(yīng)可靠接地，目測檢查各電器單元完整良好，接線無松動、脫落，即可接通電源。</p><p>　　（3）按下電源啟動開關(guān)，試驗(yàn)機(jī)各測控顯示單元的顯示器均為應(yīng)顯亮，預(yù)熱15分鐘后，調(diào)整試驗(yàn)力、摩擦力矩測控顯示單元零點(diǎn)。</p><p>　　（4）按下主軸“啟動”鍵，調(diào)節(jié)“調(diào)速”旋鈕，使主軸

77、低速空運(yùn)轉(zhuǎn)，檢查主軸旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向是否正確。</p><p>　?。?）當(dāng)試驗(yàn)機(jī)的報(bào)警顯示單元有報(bào)警信號出現(xiàn)時，試驗(yàn)機(jī)的主軸不能啟動，此時應(yīng)按下相應(yīng)測控顯示單元的“復(fù)位”或“清零”按鍵，解除報(bào)警狀態(tài)后，主軸才能啟動。</p><p>　?。?）試驗(yàn)力單元的操作。</p><p>　?。?）摩擦力矩單元的操作。</p><p>　?。?）主軸無級變

78、速系統(tǒng)的操作。</p><p>　?。?）試驗(yàn)轉(zhuǎn)數(shù)單元的操作。</p><p>　　（10）時間單元的操作。</p><p>　?。?1）溫度控制單元的操作。</p><p>　?。?2）摩擦力矩與時間對雙筆記錄系統(tǒng)的操作。</p><p>　　此次實(shí)驗(yàn)試塊裝夾在試塊座內(nèi)，試塊座通過其刃口置于載荷杠桿之上，載荷杠桿亦通

79、過其刃口置于摩擦杠桿之上，試塊座、載荷杠桿、摩擦杠桿及機(jī)體保持浮動接觸，通過調(diào)整三者之間的位置使摩擦杠桿上的水平器氣泡在正中間位置，以保證試環(huán)與試塊的均勻線接觸。在載荷杠桿右端施加載荷，載荷大小由傳感器測得，環(huán)塊之間的摩擦力大小由摩擦杠桿右端相連的傳感器采集。記錄摩擦力矩，然后用公式u=755T/P求出相應(yīng)摩擦系數(shù)。</p><p>　　3.1.3 表面加工質(zhì)量的檢測與分析儀器</p><p&

80、gt;　　采用普通光學(xué)顯微鏡觀察其標(biāo)記形貌，測量標(biāo)記圖片，觀察其外形結(jié)構(gòu)，并在數(shù)碼相機(jī)下進(jìn)行拍攝。采用JSM-35C掃描電鏡觀察其形貌。</p><p>　　3.2實(shí)驗(yàn)材料及試樣</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)用球墨鑄鐵，牌號為QT600，平均粗糙度為 Ra 0 . 01～0 . 02,球墨鑄鐵試樣材料成分為: C ( 3 . 0%)、Si ( 1 . 89% )、 Mn ( 1 .02% )

81、、 P (0 . 104% )、 S(0 . 14% )。</p><p>　　試樣選用萬能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)專用摩擦組套。大約10套，其尺寸為摩擦環(huán)為28cm。被摩擦墊為32cm。如圖4</p><p><b>　　圖4 試樣零件圖</b></p><p>　　3.3實(shí)驗(yàn)方案及步驟</p><p><b>　　3

82、.3.1實(shí)驗(yàn)方案</b></p><p>　　1.圖案：我做了三種圖案：圓、菱形和網(wǎng)格。圓與菱形做三對，分別是表面分布率是5%、10%和15%。圓的直徑是100um，菱形的邊長是50um，以銳角是60度。 </p><p>　　圖5 菱形部分試樣</p><p><b>　　網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)是：</b>

83、</p><p>　　激光珩磨軌跡呈網(wǎng)狀交叉形狀,油路通過交匯點(diǎn)而相互連接溝通;</p><p>　　相鄰的油路溝槽之間布置3～12條紋路;</p><p>　　油路之間的夾角α為20°～70°;</p><p>　　油槽寬度一般為10～70μm,深度為5～15μm;</p><p>　　油槽之間的

84、間距R一般設(shè)置為0.1～1 mm;</p><p>　　在油路上設(shè)置一系列均勻排列的凹腔,相鄰凹腔之間的間距為0.1～1 mm,凹腔直徑大小為30～100μm,其深度為25～50μm;</p><p>　　油路溝槽與紋路的深度之比一般為10∶1～1.5∶1,寬度之比為20∶1～2∶11</p><p>　　我設(shè)計(jì)網(wǎng)格是間距為50um夾角60度，如下圖6</p&

85、gt;<p><b>　　圖6網(wǎng)格設(shè)計(jì)圖</b></p><p>　　2. 分布率公式：采用Nd:YAG固體激光器，波長1060nm，頻率為3KHz，電流為12A。通過改變凹坑直徑大小和間距來得到不同疏密度的表面形貌，改變激光功率的大小來控制坑深。其疏密度用凹坑面積比率值來衡量。</p><p>　　式中： r —— 凹坑面積比率值</p>

86、<p><b>　　d —— 凹坑直徑</b></p><p>　　l —— 凹坑之間間距</p><p>　　3.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟</p><p><b>　　1.激光加工</b></p><p>　　（1）.在電腦上用AUTOCAD2006繪制出圖案，再存盤為Auto/R14文件類

87、型、格式為dwg的cad圖，其大小不超過5M，將圖案輸入打標(biāo)機(jī)的電腦保存。</p><p>　　（2）.熟悉HGL－LSY50F激光打標(biāo)機(jī)的使用并調(diào)整其焦距找到最合適的焦點(diǎn)。</p><p>　?。?）. 把預(yù)先準(zhǔn)備好的摩擦組環(huán)套的摩擦墊部分放在調(diào)好的焦距下面對其進(jìn)行激光加工。</p><p>　?。?）. 對式樣進(jìn)行打標(biāo)，主要的三個參數(shù)為：聲光頻率3kz、電流強(qiáng)度

88、12A、打標(biāo)速度10mm/s。</p><p>　?。?）.激光加工出試樣。</p><p><b>　　2.摩擦磨損實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　?。?）.先將試樣摩擦環(huán)用汽油洗凈，吹干，稱重。</p><p>　　（2）.在試樣摩擦表面涂潤滑油，上摩擦機(jī)，在轉(zhuǎn)速相同，實(shí)驗(yàn)力不同下做摩擦磨損實(shí)驗(yàn)</p>

89、<p>　?。?）.摩擦后，取出摩擦環(huán)，用汽油洗凈潤滑油，吹干，稱重。</p><p>　　3.用數(shù)碼相機(jī)拍攝照片。</p><p><b>　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析</b></p><p>　　4.1圓與菱形不同分布率的影響</p><p>　　菱形和圓的表面發(fā)布率是5%、10%、15%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：<

90、/p><p>　　表4.1 菱形和圓型微造型摩擦磨損試驗(yàn)表</p><p>　　由公式u=755T/P計(jì)算出摩擦系數(shù)【T－－外加載荷（單位N）P－－摩擦力矩（單位N\mm）】，繪制曲線圖如下：</p><p>　　圖7 菱形的三種分布率的摩擦系數(shù)對比圖</p><p>　　a曲線是 5%的菱形</p><p>　　b曲線是

91、 10%的菱形</p><p>　　c曲線是 15%的菱形</p><p>　　圖8圓的三種分布率的摩擦系數(shù)對比圖</p><p><b>　　a曲線是 5%的圓</b></p><p>　　b曲線是 10%的圓</p><p>　　c曲線是 15%的圓</p><p>　

92、　從圖7圖8上可以看出，隨著載荷的增加摩擦系數(shù)都在減小，但這些試樣，摩擦系數(shù)由一個增加到減小的過程，符合試驗(yàn)要求，在開始研磨時材料由于表面有劃痕和激光加工硬化沒進(jìn)行拋光處理，所以摩擦系數(shù)比較大，但隨著時間的推移，表面越來越光滑，所以摩擦系數(shù)減小。而面積占有率為10%左右的圓和菱形，其摩擦系數(shù)是最小的，說明表面分布率在10%左右的表面激光造型對減小摩擦最有利；而磨損量也是在面積占有率為10%最小，所以對球墨鑄鐵來說面積占有率在10%左右是

93、最佳的表面分布率的參數(shù)。</p><p>　　觀察發(fā)現(xiàn)，上兩圖中，紫線和黃線都交叉，黃線在大力矩下，下降的較快，黃線是面積占有率是15%的試件，由此發(fā)現(xiàn)，較大的表面造型分布率在較大力矩時有更好的減磨性。但實(shí)驗(yàn)條件有限，這方面沒繼續(xù)研究下去。</p><p>　　再對磨損量的分析發(fā)現(xiàn)，在三組中圓的磨損量都比菱形的小，就是說，圓形圖案比菱形圖案更有減磨性，現(xiàn)分析其機(jī)理，菱形有銳角和鈍角，在加潤

94、滑油后加力摩擦在菱形溝槽里的潤滑油在產(chǎn)生油膜時，受到角的刮破，使產(chǎn)生的油膜不是很完整，而圓沒有角，不妨礙油膜壓力的沖擊，所以產(chǎn)生的油膜完整，有利于減小摩擦。 現(xiàn)在分析圓和菱形激光加工后，在摩擦實(shí)驗(yàn)前后的照片比較。</p><p><b>　　1.圓</b></p><p>　　此圖為材料表面造型圖樣為圓時加工出來的式樣，由于激光加工使材料表面出現(xiàn)硬化所以

95、以圓為中心的周圍出現(xiàn)熔覆現(xiàn)象，把式樣放在萬能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上研磨，發(fā)現(xiàn)有磨痕拉線現(xiàn)象。凹坑有儲油功能，但凹坑存在也有不利的一面，比較密集的凹坑的存在會使表面粗糙度增加，增加了表面接觸壓力，所以要求適合的加工圖案密度率才能很有效的起到儲油潤滑的效果。見下圖9。</p><p><b>　　圖9放大130倍</b></p><p><b>　　2.菱形</

96、b></p><p>　　菱形圖案也有儲油潤滑的效果但比較于圓形還是有區(qū)別的，但就其表面研磨現(xiàn)象來看是大同小意的，同樣有拉伸劃痕現(xiàn)象，菱形因其形狀的關(guān)系沒有圓形那么好的儲油，由于它有四個小交點(diǎn)，不像圓那種封閉連貫的外形，使的在局部加工周圍的毛刺比較大，所以相應(yīng)的劃痕拉伸也比較明顯。見下圖10。</p><p><b>　　圖10放大130倍</b></p&

97、gt;<p>　　4.2不同間距的網(wǎng)格</p><p>　　我做了其間距分別為30，50，70um的網(wǎng)格的圖案，加潤滑油做摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，得出如下數(shù)據(jù)：</p><p>　　表4-2 網(wǎng)格微造型摩擦磨損試驗(yàn)表</p><p>　　同上，繪制出摩擦系數(shù)的曲線圖11如下：</p><p><b>　　圖11網(wǎng)格摩擦曲線<

98、;/b></p><p>　　a曲線是間距30um</p><p>　　b曲線是間距50um</p><p>　　c曲線是間距70um</p><p>　　分析圖11，網(wǎng)格紋路是連貫的，具有油路循環(huán)流動，可形成足夠厚的動壓力油膜。激光珩磨之所以顯著改善潤滑狀況，大幅度提高其耐磨性能，其減磨機(jī)理就在于:</p><p&

99、gt;　　(1) 利用激光束可控性的特點(diǎn),在氣缸工作表面整個工作長度上,根據(jù)磨損狀況和潤滑性能要求,進(jìn)行表面微觀造型,從而保證在整個工作長度上磨損均衡 。</p><p>　　(2) 在摩擦環(huán)整個工作表面上形成與潤滑性能要求優(yōu)化匹配的、連續(xù)均勻的、并具有一定密度、寬度、深度、角度及形狀的貯存和輸送潤滑油的溝槽、凹腔,這些油路通過交叉點(diǎn)相互連通,且都均勻地分布于工件表面,為工件表面提供迅速有效的潤滑,減少了貧油區(qū)的

100、出現(xiàn),降低了粘著磨損。</p><p>　　(3) 由于激光與材料獨(dú)特的作用機(jī)理 ,使得要去除的金屬被汽化掉 ,形成的油路光滑清潔 ,從而保證油路暢通無阻同時 ,在油路周圍和表面 ,因淬火效應(yīng)而硬度提高。 </p><p>　　(4) 在油路上設(shè)置的一系列凹腔 ,具有蓄油池和聚集微小顆粒的雙重作用 ,它一方面為周圍附近區(qū)域提供潤滑油 ,另一方面又能大大降低磨粒磨損。 </p>

101、<p>　　(5) 激光珩磨屬非接觸式加工 ,不像機(jī)械珩磨會發(fā)生擠壓、耕犁現(xiàn)象 ,從而在金屬表面不產(chǎn)生所謂的“金屬疤皮”。</p><p>　　(6) 雖然激光珩磨在工件表面留下了縱橫交錯的網(wǎng)格狀油路 ,但就宏觀效果而言 ,并不影響摩擦環(huán)的支承面積 。</p><p>　　其比較照片圖如圖圖12和圖13</p><p>　　圖12摩擦前網(wǎng)格形貌</

102、p><p>　　圖13摩擦后網(wǎng)格形貌</p><p>　　4.3未造型表面、圓和網(wǎng)格微造型表面的比較</p><p>　　表4-3 菱形和圓型微造型摩擦磨損試驗(yàn)表</p><p>　　對上表數(shù)據(jù)繪制出摩擦系數(shù)曲線圖如圖14</p><p>　　圖14未造型表面、圓和網(wǎng)格微造型曲線圖</p><p>

103、<b>　　a沒有微觀造型表面</b></p><p><b>　　b10%圓型表面</b></p><p><b>　　c50um網(wǎng)格表面</b></p><p>　　在上圖我可以清晰的 看到?jīng)]有微觀造型的試樣其摩擦系數(shù)隨外加載荷的增加而增加，有微觀造型的試樣摩擦系數(shù)在降低?？梢娫冢剌d高壓下表面微

104、觀造型能有效地減摩降損。 </p><p><b>　　4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論</b></p><p>　　通過摩擦環(huán)的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，表明在試樣表面激光微觀造型后,產(chǎn)生的網(wǎng)紋溝槽具有儲油、積屑和動壓潤滑作用,可以顯著改善潤滑狀況,大大減少摩擦磨損，將其技術(shù)應(yīng)用在汽缸摩擦方面，就能改善汽缸的摩擦狀況，延長使用壽命、降低機(jī)油耗、減少催化劑污粒排放、減少燃油耗以及活塞環(huán)組的成本。若

105、在其他的圓柱副上，及你很好解決摩擦磨損帶來的機(jī)械失效問題。激光表面造型技術(shù)是一種新型表面處理技術(shù)，具有加工速度快、加工精度高、工藝周期短、工件變形小、能源消耗低、環(huán)境污染小、不受材料限制、工藝過程易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　在微觀造型方面，圖案的選擇很重要，直接影響到物體的表面摩擦性能，例如角度對動壓油膜有非常大的影響，圖案的表面分布率也很重，現(xiàn)研究的球墨鑄鐵就要求表面分布率在10%左右有很好的

106、減磨效果，但在重載時，增大表面分布率效果會比10%要好。</p><p>　　在激光珩磨方面，溝槽紋路的寬度對減磨有很大的影響，此次在球墨鑄鐵表面進(jìn)行激光珩磨，其寬度在50um時有比較好的減磨耐磨性。</p><p>　　由此可設(shè)想，在圓柱副上都進(jìn)行激光表面微觀造型，就能很大程度上減小機(jī)械系統(tǒng)的有害摩擦，延長機(jī)械壽命，使能源消耗得到有效降低。因此 ,隨著世界各國對機(jī)械裝置、 裝備的穩(wěn)定性及

107、其能源消耗率要求的日益苛刻 ,以及環(huán)保意識的日益增強(qiáng) ,激光表面造型技術(shù)必將展現(xiàn)更為廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　目前 ,該技術(shù)的應(yīng)用已基本成熟 ,但相關(guān)方面的理論研究較少 ,激光表面造型改善摩擦副摩擦性能的機(jī)理尚待理論證明。因此更需要我們年輕人去開拓進(jìn)取，為科學(xué)奮斗終生。</p><p><b>　　5 總結(jié)和展望</b></p><p&

108、gt;<b>　　5.1本文工作總結(jié)</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我們用激光在球墨鑄鐵表面打出不同微觀細(xì)微造型，研究其摩擦磨損性能，為圓柱副的摩擦磨損性能提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。</p><p>　　通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)機(jī)會我提高了自己的加工工藝實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，學(xué)會了查閱各種圖文資料和熟練使用網(wǎng)絡(luò)資源，且更好的理解了光、機(jī)、電一體化概念，系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)物加工。從整體過程

109、的角度來講，我掌握了機(jī)械加工的工藝編程過程，例如編寫摩擦環(huán)的加工工藝，激光的加工。再用實(shí)物加工來調(diào)整加工工藝，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我接觸了從設(shè)計(jì)到加工再到成品檢驗(yàn)的全過程。熟悉了機(jī)械生產(chǎn)過程。</p><p>　　當(dāng)然在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我們也有許多不足之處：由于在畢業(yè)設(shè)計(jì)初期全局考慮不夠周全，開始要做汽缸的摩擦，但實(shí)驗(yàn)條件不具備，浪費(fèi)了不少時間，以致后來論文編寫很倉促，整篇不夠完善，且本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也還