激光微造型表面摩擦磨损性能研究_华希俊

2007年5月第32卷第5期
润滑与密封
L UBR I CAT I ON ENG I NEER I NG
M ay 2007
V ol 132N o 15
*基金项目:国家自然科学基金项目(50475122);江苏省高校自然科学研究计划项目(06K J B460014);镇江市工业科技攻关项目(GY2005018)1收稿日期:2006-12-11
作者简介:华希俊(1966)),男,工学博士,副教授,研究方向:激光表面改性与摩擦性设计、表面机器视觉检测等.E -ma i:l x j hua @ujs 1edu 1cn 1
激光微造型表面摩擦磨损性能研究
*
华希俊 符永宏 袁 润 王 霄 蔡 兰
(江苏大学机械工程学院 江苏镇江212013)
摘要:采用声光调Q 二级管泵浦固体光源(DPSS)N d :YAG 激光器对缸套试件表面进行了微造型网纹加工。

在往复式活塞环-缸套摩擦磨损模拟试验机上进行了激光造型缸套试件与未造型光滑缸套试件的摩擦磨损性能对比试验研究。

试验结果表明,在重载高速条件下,激光网纹试件与未造型试件相比,摩擦因数降低23%,磨损量降低66%。

说明激光网纹沟槽具有贮油、积屑和动压润滑作用,同时激光加工的网纹淬火效应也有利于提高支承表面的耐磨抗擦伤性能。

关键词:激光表面造型;摩擦磨损性能;动压润滑中图分类号:TH11711 文献标识码:A 文章编号:
0254-0150(2007)5-020-3
St udy on Friction andW ear Perfor mance of Laser Text uri ng Surface
Hua X ij u n Fu Yonghong Y uan Run W ang X i a o Cai Lan
(M echan i cal Engi neeri ng C ollege of Ji angs u Universit y ,Zhenji ang Ji angs u 212013,China)
Abstract :A co mparison bet wee n l aser -struct ured li ner specm i e ns and unstr ucture d onesw as descri bed regar d i ng the tr-i
bo l ogical be havior .T he w el-l defi ned surface te x t ures on sa m ples fro m cy linder li ner w ere pr oduced w ith a Q s w itched d-i ode -pumpe d so lid -state (DPSS)N d :YAG laser .T he e xperm i entsw ere carried out on a sm i ulat i ng friction tester of reci pr o -cati ng cyli nder li ner/piston ri ng .Experm i ental results sho w that the fri ction coeffici ent o f laser -structured specm i e ns is re -duced by 23%and t he a mount of w ear is reduced by 66%,whe n co mpared w ith unstructured specm i e ns under higher
speed and l oad .The laser honing grooves can act as l ubri ca nt reservo ir as well as traps f or wear debris and ge nerate hydr o -dyna m ic pressure bet w een o i-l lubricated sli d i ng surfaces .T he nei ghbor zones of grooves are har dened by laser quenc h i ng .Laser -str uctured specm i ens sho w h i gh resistance to scuffing co mpared to unstructured ones .
K eywords :laser surface texturi ng (LST );fricti on and w ear behav i or ;hydrodyna m i c l ubricati on
缸套和活塞环是内燃机一对重要的摩擦副,其摩擦学性能直接影响到内燃机的功率输出、使用寿命、油耗以及燃烧排放等重要指标。

该摩擦副的工作环境恶劣,经常处于高温、高压、高速和高冲击负荷状态。

在气缸与活塞环之间存在着从边界润滑、混合润滑到完全流体润滑的各种状态,其磨损也包含着磨粒磨损、粘着磨损和腐蚀磨损等多种形式。

理论研究和大量工程实践表明,摩擦副表面并非越光滑越好,一定的表面粗糙度反而有利于润滑油膜的形成从而减小摩擦磨损。

但是,对于传统的机械珩磨和平台珩磨,其珩磨沟槽是随机形成的,紊乱无序,难以人为控制。

激光表面微造型技术因其具有快速、低耗、清洁
和易控制等一系列优点,被认为是一种特别适用的表
面微造型手段[1-3]。

20世纪90年代后期,德国G e -hri ng 公司提出缸套激光珩磨技术概念(Laser Ho -ni ng),利用高能量密度的激光束,进行工件表面的激光刻划,形成规则的珩磨沟槽,以显著改善润滑状况。

德国G ehri ng 公司和奥地利O pel Po w ertrain 公司的应用研究表明,与采用平台珩磨缸套的发动机相比,采用激光珩磨缸套,可使发动机的磨损、排放及
油耗等方面的性能指标得到明显的改善[4-5]。

近年来,先后有学者开展了激光微造型技术在一些重要摩
擦副,如缸套/活塞环[2-4]、机械密封[6]
、以及推力
轴承[7]
等方面的应用研究。

文献[8]研究表明摩擦副表面采用激光微造型处理能很好地适应高速、重载和高粘度润滑油场合。

国内林子光研究了YAG 激光网纹状淬火处理技术,通过在汽缸壁上形成诸多的/微油池0,有利于活塞环与汽缸壁间的润滑[9]。

为了考核激光微造型摩擦副表面的润滑减摩、耐磨性能,本文作者利用/往复式发动机缸套/活塞环摩擦
磨损模拟试验装置0,分别对光滑缸套试件和激光网
纹缸套试件,在3种不同工况条件下,进行摩擦磨损
性能对比试验研究。

1 试验条件及方法111 试件制备
本研究采用二极管泵浦N d :YAG 激光微造型设备。

激光器光束模式为TEM 00。

输出波长有1064n m 和532n m 2种。

采用声光调Q 控制产生脉冲激光,调Q 重复频率1~50k H z 。

光束质量系数M 2
<2,发散角小于3m rad ,脉冲宽度小于或等于70ns 。

该设备具有多维工作台联动,以及调Q 开关、伺服电机、气阀、光闸联动控制等功能,可精确控制单个激光脉冲的输出。

采用优化的激光工艺参数和特定的辅助工
艺措施进行激光微造型加工[10]
,获得设计所要求的表面微观几何形貌,并经过抛光处理,以去除激光微加工产生的毛刺和熔渣。

试件种类及具体要求如表1所示。

试验用缸套磨损试件如图1所示。

采用W yko NT1100测量的激光造型缸套试件表面网纹及三维形貌,结果如图2(a),(b)
所示。

图1
缸套磨损试件
图2 激光造型试件表面形貌
表1 试件种类及要求
试 件激光造型缸套试件未造型光滑缸套试件对磨试件外形尺寸120mm @16mm @5m m 120mm @16mm @5mm 长10mm 活塞环材料硼铸铁硼铸铁球墨铸铁表面状况
激光网纹造型
R a 011mm
表面镀硬铬
112 试验装置
试验采用合肥工业大学/往复式发动机缸套/活塞环摩擦磨损模拟试验装置0。

它是集压力、速度及供油可调节和摩擦力、温度测量等多种功能于一体的摩擦磨损实验设备。

试验台主要结构如图3所示。

用以实现往复运动的曲柄滑块机构取自一实际的内燃机曲轴-连杆-活塞系统,曲柄由电机驱动。

活塞上固定一长杆及夹具带动上下活塞环试件与上下缸套试件作
滑动摩擦。

润滑油由一可调节油量的油杯送至摩擦表
面。

图3 摩擦磨损试验装置
113 试验方法
摩擦磨损性能对比试验在3种不同工况下进行,具体如表2所示。

磨损实验前所有试件经抛光处理后,超声清洗,用丙酮清洗试样块,吹干后用天平称重(取2次称重均值)。

试验通过杠杆作用加载,试件上实际作用的载荷为6816N 。

首先加载918N,曲柄转速600r/m i n ,跑合1h 。

跑合完成后调速至所需
值,逐级加载至所需值。

每次载荷增加419N,每级载荷至少运行30m in 。

载荷加到设定值后再持续运转10h 。

在整个加载和正常磨损的过程中记录摩擦温度变化和摩擦力的变化。

每次试验结束后,将试件用丙酮清洗吹干后称重。

整个实验过程中保持润滑油供应速度不变(4~5s/滴)。

表2 试验工况
试件工况
载荷/(@6816N )
电机转速/(r #m i n -1
)
曲线转速/(r #m i n -1
)
轻载低速4300600中载中速
55001000重载高速
515
700
1400
2 试验结果与分析
211 试验工况对摩擦因数的影响
在不同工况条件下,摩擦因数随载荷变化情况分别如图4~6所示。

从图4可看出,在低速条件下,对于未造型缸套试件,摩擦因数随载荷的增大而增大。

而对于造型缸套试件,摩擦因数随载荷的增大而减小。

说明随着载荷的增大,未造型光滑缸套试件表面的压强增大,出现由润滑油的挤出效应引起的贫油现象,造成摩擦因数增大。

从图4,5可看出在开始逐渐加载的过程中,造型表面的摩擦因数要大于未造型表面,这是由于低载时,虽然表面润滑油较充足,但中低速时动压润滑作用不明显,激光微加工带来的微小网纹毛刺会增大摩擦阻力;随着载荷的增加,网纹
21
2007年第5期华希俊等:激光微造型表面摩擦磨损性能研究
毛刺逐渐磨平,由于造型缸套表面的网纹沟槽具有储油作用,其改善润滑,降低摩擦的效果越来越显著;在中速条件下,造型缸套表面摩擦因数略低于未造型
缸套试件。

从图6可看出当滑动速度进一步增大后,由于网纹储油的动压润滑效应更加显著,使得造型缸套的摩擦因数明显小于未造型缸套试件(如图6所示),与未造型试件相比,摩擦因数降低23%。

试验中还发现,在高速条件下,对于未造型缸套试件,当加载至4~6N 时,出现了擦伤现象,故停止继续加载。

说明造型缸套较未造型缸套试件具有更高的承载能力。

通过比较图4~6还可看出,随着滑动速度的增加,未造型缸套的贫油现象加剧,摩擦因数呈增大趋势。

而对于造型缸套,由于网纹沟槽的储油、供油作用,
滑动速度的增加反而有利于增强动压润滑效应。

212 试验工况对摩擦温度的影响
试验工况对摩擦温度的影响如图7所示。

对于激光造型试件,随着载荷或滑动速度的增加,摩擦功耗增加,因而摩擦温度也逐渐增大。

213 试验工况对试件磨损的影响
试验工况对试件磨损的影响如图8所示。

重载高速工况下造型缸套试件表面的磨损形貌如图9所示。

可以看出试件表面仍保持光洁平整,磨痕较轻,网纹沟槽边缘未出现崩裂脱落现象。

在各种工况下,造型缸套的磨损量均低于未造型缸套,在重载高速条件下,磨损量可降低66%。

研究表明在摩擦副表面进行激光微造型,能显著改善润滑,降低磨损,其作用机制在于:
(1)在摩擦副表面形成的激光网纹沟槽
有利于形成具有一定厚度、稳定的动压油膜,从而形成动压润滑;(2)激光网纹沟槽油路,通过交叉点相互连通,减少了贫油区的出现,降低了粘着磨损;(3)网纹沟槽具有收集磨粒作用,大大降低磨粒磨损;(4)在激光微加工网纹沟槽的同时,周围材料也得到了激光相变硬化处理,
从而提高了抗磨性能。

3 结论
通过摩擦磨损性能对比试验,表明激光造型后,缸套表面产生的网纹沟槽具有储油、积屑和动压润滑作用,可以显著改善润滑状况,大大减少摩擦磨损,可望用于内燃机缸套内表面的珩磨处理,以降低摩擦,提高内燃机的机械效率和环保性能。

激光微造型技术具有较大的技术优势,在凸轮、曲轴、推力轴承和密封环等重要摩擦副表面具有较好的推广应用前景。

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(下转第29页)
22
润滑与密封第32卷
紊流程度下降,泄漏量越大。

214
直通式迷宫密封和错列式迷宫密封
图6
直通式迷宫密封和错列式迷宫密封几何模型
图7
直通式和错列式迷宫密封流场
图8 直通式和错列式迷宫密封泄漏量比较(介质为理想空气)
模型如图6所示,模型
几何参数为:C =015mm,B =215mm,W =10mm,R =75mm,T =300K,p o =308kP a ,p b =101325Pa ,v =160m /s ,工作介质为理
想空气。

图7显示了对应于各个
角度时迷宫空腔内流场的
分布。

从图7中可以看出,在直通式迷宫密封中还存在明显的分层现象,即上部分为射流区,下部分为紊流区;但在错列式迷宫密封中,流体流动的速度方向发生了很大的变化,流场涡的紊流程度更加激烈,流体能量耗散更加严重,使泄漏量明显减少,在左边的腔室内射流区扩散较大,在右边的腔室内射流区稍微有少许扩散。

计算得到的直通式和错列式泄漏量比较如图8所示。

从图8可以看出,错列式迷宫密封的泄漏量要明显小于直通式迷宫密封。

3 结论
计算结果与分析表明,迷宫密封齿型对密封可压缩流体流场和泄漏量有一定的影响:间隙宽度对泄漏量的影响体现在通过改变空腔进出口面积来改变泄漏
量,所以泄漏量随间隙宽度呈线性变化,在实际运用中,在保证安全的情况下尽量减小间隙宽度;在一定条件下,空腔深度越大,紊流程度下降,泄漏量越大;错列式迷宫密封的泄漏量要明显小于直通式迷宫密封。

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