（机械制造及其自动化专业论文）规则表面微造型的激光加工和摩擦特性研究.pdf

江苏大学硕士研究生学位论文 摘要 随着摩擦学理论和实验研究的深入，规则表面微造型作为显著改善摩擦副表 面的摩擦学性能的可控技术日益成为国际研究的热点，研究不同形状的规则表面 形貌造型及其摩擦学性能，对根据润滑摩擦性能要求设计并制造出与之匹配的摩 擦副表面微观几何形貌，具有重要的理论研究价值与广阔的应用前景。 激光表面微造型技术以其制造加工速度快，对环境无污染以及优良地对形状 和尺寸的控制能力被认为是表面微造型领域颇为成功的造型方法之一。本课题主 要工作是对纳秒和皮秒激光微造型加工质量进行性能对比，研究适用于工业应用 的激光微造型方法，然后设计了三种微造型形貌并进行激光加工，再对这三种表 面微造型形貌的表面摩擦性能进行研究。 本文首先在现有理论研究的基础上，建立了激光与物质相互作用时的热传导 和温度场的数学模型，为课题组的后续研究二级管泵浦y a g 激光器和n d ：n 饥皮 秒激光加工灰铸铁提供理论指导。其次分别运用纳秒和皮秒激光器进行凹坑和凹 槽形貌加工，对纳秒和皮秒激光器的表面微造型加工质量进行了对比试验，选用 w y k o 轮廓仪和电子探针扫描电镜( j x a - - 8 4 0 a 型，美国) 对这两种加工方法下的 凹坑微观组织进行表征与分析，结果表明：纳秒激光器由于脉冲宽度较大，与被 加工材料接触时间较长，形成较大的热影响区，产生较严重的损伤区域，这些损 坏区域将产生反复的热融化、再凝固现象、形成裂缝和残渣等；而超短激光脉冲 加工皮秒激光加工则可以克服这种现象，可以实现冷加工，大大提高加工质量。 通过激光加工对比实验得出皮秒激光加工有着优于纳秒激光加工的性能，进而设 计了三种微造型( 凹坑、网纹、断纹) ，并用皮秒激光器加工。紧接着对皮秒激 光加工下的三种微造型进行u m t 一2 摩擦磨损实验研究，并与未造型的光滑面进行 比较。实验主要分为干摩擦实验和润滑摩擦实验，通过研究不同润滑条件，不同 载荷，不同表面造型的摩擦系数的变化趋势，分析规则表面微形貌对摩擦性能的 影响。实验结果表明：在干摩擦低载荷的同等工况条件下，造型面的摩擦性能相 比未造型面有明显提高，在三种造型中以凹坑的表面摩擦性能最优；在润滑低载 荷条件下，造型面的摩擦性能相比未造型面也有一定的提高，但是稳定值相差不 是很明显，同样在三种形貌中以凹坑的表面摩擦性能最优。 关键词：激光表面造型纳秒皮秒激光加工微观形貌摩擦磨损干摩擦润滑 江苏大学硕士研究生学位论文 a st h ed e v e l o p m e n to ft r i b o l o g yt h e o r i e sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h , r e g u l a r s u r f a c em i c r ot e x t u r i n ga sac o n t r o l l a b l et e c h n i q u e , w h i c hc a nr e m a r k a b l yi m p r o v e s u r f a c ei t i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c e ，h a sb e e nt h ef o c u sf o rt h ei n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h i n c r e a s i n g l y i t h a ss i g n i f i c a n tv a l u eo fm s e a r c ha n da p p l i c a t i o np r o s p e c tf o r d e s i g n i n gs u i t a b l es u r f a c em i c r op a t t e r nt os t u d yt h ed i f f e r e n tk i n d so fr e g u l a rs u r f a c e m i c r op a t t e r n sa n di t st r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c e l a s 盱s u r f a t e x t u r i n g ( l s t ) h a sb e e no n eo ft h em o s ts u c c e s s f u lw a y si n s u r f a c et e x t u r i n gb e c a u s eo fi t sg o o dp e r f o r m a n c es u c ha sh i g hs p l c e d ，n o np o l m o n a n de x c e l l e n tc o n t r o la b i l i t yf o rs h a p ea n ds i z e t h ec h i e fw o r ko fm yp a p e ri n c l u d e s t h a tc o m p a r i n gt h em a c h i n i n gq u a l i t yb e t w e e nn a n o s e c o n da n dp i c o s e c o n dl a s o r t e x t o r 岵s t u d y i n gas u i t a b l ei _ s tf o ri n d u s t r ya p p f i c a t i o n , d e s i g n i n gt h r e ek i n d so f m i c r op a t t e r n sf o rl a s e rt e x t u r i n ga n dc o m p a r i n gt h e i rt r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c e i nt h i sd i s s e r t i o n , f i r s d yam a t h e m a t i cm o d e lo fh e a te x c h a n g ea n dt e m p e 魁t o r e f i e l dd u r i n gl a s e rm a c h i n i n gi se s t a b l i s h e db a s e do nv e s t e dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h i t o f f e r st h e o r e t i c a li n s t r u c t i o nf o rt h es u b s e q u e n tr e s e a r c hi nl a s e rs u r f a c et e x t u r i n gb y y a ga n dn d ：f v 0 4 s e c o n d l y , ac o n t r a s tt e s ti sg i v e nt oa n a l y z et h ed i f f e r e n c e s b e t w e e nn a n o s e c o n dl a s e rs u r f a c et e x t u r i n ga n dp i c o s e c o n dl a b o rs u r f a c et e x t u r i n g w y k o p r o f i l et e s t i n gi n s t r u m e n ta n ds e m ( j x a - 8 4 0 a , t h eu s a ) a r ec h o s e nt o c h a r a c t e rt h ec r a t e rm i c r o - s t r u c t o r ei nt w od i f f e r e n tl a s e rm a c h i n i n gm e t h o d s t h e r e s u l ts h o w st h a t ：b e c a t k q oo ft h el a r g e rp u l s ew i d t h , n a n o s e c o n dl a s e rt e x t u r i n gh a sa l o n g e rc o n t a c tt i m ew i t hw o r km a t e r i a l ，a n dt h e nf o r m sl a r g e rh e a t - a f f e c t e dz o n ea n d p r o d u c e ss e r i o u sd a m a g ez o n e t h e s ed a m a g ez o n e sw o u l db r i n gr e p e a t i n g 、h o t m e l t i n ga n dr e s o l i d i f i c a t i o n , c o m ei n t ob e i n gs p l i ta n dr e s i d u e c o n t r a r i l y , u l t r a s h o r t l a s e rp l l l s 泖c o s e c o n dl a s e rt e x t u r i n gc o u l dc o n q u e rt h i sp h e n o m e n o n , c a r r yo u t c o l d w o r k i n ga n di m p r o v et h em a c h i n i n gq u a l i t yr e m a r k a b l y t h i r d l y , t h r e ek i n d so f m i c r op a t t e r n sa d e s i g n e df o rl a s e rt e x t u r i n g t h e na ne x p e r i m e n t a ld e v i c e - u m t - 2 i su s e dt oc o n d u c tc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t sa m o n gt h r e ek i n d so fm i c r op a t t e r n si n 江苏大学硕士研究生学位论文 p i c o s e c o n dl a s e rt e x t u r i n ga n du n t e x t u r e ds u r f a c e i ti n c l u d e sd r y 衔c t i o nt e s ta n d l u b r i c a t i o nt e s t t h ee f f e c tt os u r f a c ef r i c t i o nb e h a v i o rc a u s e db ym i c r o s t u c t u r ei s a n a t y z e dt h r o u g hs t i l d y i n gt h et r e n do ff r i c t i o nc o e f f i d c n tu n d e rd i f f e r e n tl u b r i c a t e a c o n d i t i o n s ，l o a d sa n dm i c r op a t t e r n s t h er e s u l ts h o w st h a t ：0 1 1t h ec o n d i t i o no fd r y f r i c t i o na n dl o wl o a d ，t h et r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c eo ft e x t u r e ds u r f a c ei m p r o v e s r e m a r k a b l yc o m p a r i n gw i t hu n t e x t u r e ds u r f a c e ，t h ec r a t e rh a st h eb e s tt r i b o l o g i c a l p e r f o r m a n c ea m o n gt h r e em i c r op a t t e r n s ；i nt h e 黜o f l u b r i c a t i o na n dl o wl o a d ，a l l i m p r o v e m e n ti nt r i b o l o g i e a lp e r f o r m a n c ec o u l db ea c h i e v e d b u ti t d i d n th a v ea o b v i o u sd i f f e r e n c ei ns t e a d y - s t a t ev a l u e ，s i m i l a r l y , t h ec r a t e rh a dt h eb e s tt r i b o l o g i c a l p e r f o r m a n c ea m o n g t h r e em i c r op a t t e r n s k e yw o r d s ：l a s e rs u r f a c et e x t u r i n g ( l s t ) n a n o s e c o n d p i c o s e c o n d l 韬c r m a c h i n i n gm i c r o - t e x t u r i n g f r i c t i o na n dw e a r d r y f r i c t i o n l u b r i c a t i o n h i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：蠹、卜霞 指导教师签名： 之宵 卅年“细 p 7 年月蛔 独创性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：盘) 嚷 日期：研年6 月f 。日 江苏大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 在机械制造行业，减少机械零部件滑动接触的摩擦和磨损日趋重要，并要求 零部件具有高效、长寿命及高可靠性，期望能够提高机械承载能力及燃油效率。 近年来对机械行业摩擦表面的激光表面微造型已取得了很大的突破，例如将其用 于汽车内燃机中的汽缸活塞、滑动轴承套、发动机导轨、密封环以及频繁启动 停车的部件等，可以避免由于干摩擦引起的温度突然升高，大大延长了使用寿命。 s u b 等利用激光技术在磁头或磁盘表面制造微小隆起或凹陷( 如图1 - 1 所示) 以增加 接触表面的粗糙度，减小表面接触面积及摩擦和粘着。 图1 - 1 激光织构化的磁头磁盘 机械系统的摩擦性能对提高承载能力和服役寿命很重要，降低摩擦、减少磨 损已成为保护环境、提高效率的迫切要求。通过改变润滑油的化学成分以及降低 润滑油粘度可以减少润滑油中硫、磷含量，降低环境污染；另一种合理的方法是 表面精加工，如对表面进行抛光、研磨等，但受材料性质和加工精度的影响，粗 糙度始终受到限制。随着摩擦学理论和实验研究的深入，规则表面造型作为改变 机械摩擦性能的可控技术近年来受到国内外学者的广泛重视，摩擦副表面上规则 表面形貌几何造型的设计、加工、试验以及数值分析日益成为研究的热点【”。在 摩擦副工作表面进行合适的规则的几何形貌的微观造型，可显著改善摩擦副表面 摩擦性能，延长使用寿命，减少能耗等，对提高机械零件摩擦副性能有较大的工 程价值，对于节约能源、保护环境有着重要的现实意义。 江苏大学硕士研究生学位论文 1 2 课题的来源和研究意义 本课题来源于国家自然科学基金重点项目5 0 4 3 5 0 3 0 ：机械非光滑表面仿 生设计制造关键技术研究；国家自然科学基金项目5 0 4 7 5 1 2 2 ：规则微观几何 形貌表面的设计与制造机理研究；江苏省十五科技攻关项目b e 2 0 0 3 0 1 3 ：高性 能节能环保型发动机的激光珩磨技术与装备；江苏省高校自然科学研究计划重 点项目0 3 k j a 4 6 0 0 2 0 ：基于摩擦学理论的激光表面微观造型改性机理研究。 本文拟开展主要工作是，对纳秒和皮秒激光微造型加工质量进行性能对比， 选择合适的激光微造型方法，然后设计三种微观形貌进行激光加工，最后对这三 种表面微观形貌的表面摩擦性能进行实验对比。 这些微观形貌的尺寸要求一般在微米量级( 如凹坑的直径或沟槽的宽度一般 在几十微米，凹坑的深度或槽深一般在几微米) ，有些摩擦副材料硬度很高( 如 机械密封环一般采用的s i c 材料) ，用一般方法很难完成加工，且存在成本高、 效率低、污染严重的问题。由于激光微造型加工技术是无接触加工、激光束具有 很高的能量密度、激光加工热影响区小、激光加工易于实现自动化，具有速度快、 能耗低、洁净度高、不受材料限制和易于实现自动控制等一系列不可替代的优点， 非常适合用于摩擦副工作表面的微观造型。本文研究激光表面微造型技术和规则 功能性微观形貌对摩擦性能的影响，不仅对表面微加工关键技术和表面微细形貌 的选择有着重要理论的意义，而且对工程实际应用方面更有很大的推广价值。 1 3 表面微造型国内外研究现状 1 3 1 表面微造型加工技术的研究现状 作为表面微细加工技术的根本，表面微细加工手段的发展与应用决定了该技 术的成功与否，是实现微观形貌几何参数可控性的关键。加工方法的优劣，体现 在对微细形貌参数的控制能力以及加工成本的高低等方面。在表面微细加工技术 发展过程中，各种各样的加工方法被运用过，如1 9 8 2 年s t o u t 【”l 等人发明了平 台珩磨技术并应用在缸套内孔加工中，s c h n e i d e r 提出的v i b r o r o l l i n g 法 4 1 ( 1 9 8 4 年) 、s a k a , a 提出的蚀刻技术 5 1 。目前，普遍使用的造型方法主要有：l i g a 技 2 江苏大学硕士研究生学位论文 术、u v 光刻技术( u vp h o t o l i t h o g r a p h y ) 嘲、反应离子蚀刻技术( r e a c t i v ei o n e t c h i n g , r i e ) 川、激光表面微细造型技术( 1 a s e rs u r f a c et e x t u r i n g , i s t ) 8 1 。其他 还有如压刻技术 9 - 堋、超声加工方法、激光毛化技术等。 近几年来，许多学者将应用于微机电系统( m e m s ) 或集成电路( 1 c ) 的微 制造技术用于物体表面微细造型，如l i g a 技术、反应离子蚀刻技术以及u v 光 刻技术。用于物体表面微细造型的l i g a 和u v 光刻技术是最近由美国肯塔基大 学的轴承与密封实验室( b e a r i n ga n ds e a l sl a b o r a t o r y ) 基于微机电系统制造技术 改进的。微加工和微电子的制作始于光刻技术( 1 i t h o g r a p h y ) ，该技术起源于1 7 世纪早期，本质上是将掩膜上的图形转移到薄膜上的技术。l i g a 是9 0 年代发 展起来的用于m e m s 的新技术，该技术具有三个环节：光刻，电铸和塑铸。l i g a 技术制造的微造型截面形状可以是任意的，并且可以制造凸起和凹塌的表面微细 形貌，而且制造精度高。ls s t e p h e n s 等人使用该方法加工出圆形、三角形、正 方形、菱形、正六边形等截面形状的微细造型【1 1 l ，采用特殊工艺排列新型掩膜板， 保证在工件端面加工出具有相同几何参数和阵列参数的表面微细形貌1 1 2 1 。 反应离子蚀刻也是从微机电系统和集成电路技术微制造发展而来的造 型方法。日本东北大学( t o h o k uu n i v e r s i t y ) 的摩擦学实验室( l a b o r a t o r yo f t r i b o l o g y ) 的x i a o l e iw 等应用该方法进行物体表面微细造型的研究畦1 1 5 l 。通 过r i e 技术可以精确的控制所加工的表面微细凹坑的几何尺寸和分布。尺寸可控 制在深度2 - 2 0um ，直径5 0 - 6 5 0pm ，并可在圆柱表面和端面上进行加工。 瑞典u p p s a l a 大学的p e t t e r s s o nu 【1 q 等采用特殊工艺制作金刚石工具，通 过压刻工艺，在零件表面制造规则排列的各种微细形貌。采用蚀刻技术制作的金 刚石压印工具，表面具有精度高、硬度强的微细凸起形貌( 见图1 - 2 ，卜3 ) 。通 过压刻工艺，在钢球或钢板表面加工出表面微细形貌，所加工的表面微细形貌由 压印工具表面的形貌决定。试验结果证明该方法能够有效的在零件表面加工出所 设计的表面微细造型。但金刚石压印工具制作工艺复杂，成本高，表面金刚石容 易脱落破裂，是该微细加工方法急需克服的问题。 杭州电子工业学院张云电提出用超声加工方法【1 7 1 ，在钢质薄壁缸套内孔形成 蜂窝状微坑，加工效率高，属于接触式的机械加工方法。这种方法目前面临的问 题主要有：工具头磨损及其带来的微坑大小变化、薄壁缸套的变形、凹坑形貌大 3 江苏大学硕士研究生学位论文 小及分布不能灵活设置以及凹坑直径过大等。 图1 - 2 曲面压刻图1 - 3 平板面压刻 激光毛化技术，作为激光表面加工技术是在上世纪年代比利时冶金研究 中心率先开始研究。天津工业大学( 天津纺织工学院) 在踟年代末开展了激光 表面微精处理技术的研究，利用y a g 激光，采用小斑点、快扫描工艺，在工件 表面试图根据有利于形成弹流润滑状态条件的要求，按所设计的表面图案，形成 有规律的硬化带。由于所扫描区域的材料发生相变，其体积也发生相应的变化， 产生微凸，其余部分则形成微凹，具有储油功能，改善润滑效果。激光微精处理 其实质就是激光淬火，属于表面的“宏观处理”，它不能根据表面润滑减磨要求 来人为地优化设置表面微观几何形貌。 激光加工技术在表面微细造型技术使用非常广泛，早在上世纪八十年代，该 技术已用在磁存储界( 硬盘) ，用以防止在启动阶段的粘贴( s t i c t i o n ) 。 德国在微细造型技术和微细造型润滑摩擦性能的研究开展的较早，但很多资 料并没有采用英文撰写，所以很多国外学者对德国的研究现状了解不深。在不多 的资料中，仍然显示德国在该方向上研究的深度和广度。在激光微细造型技术上， 德国的r w t ha a c h e n 大学的h o p p e r m a n n 丸和k o r d tm 等人 1 8 1 ，通过对多种微 细加工技术的研究，认为激光微细加工是最易控制的微细形貌造型技术。上世纪 9 0 年代中期，德国o e h r i n g 公司的i n k ，u 等人提出了激光珩磨技术( l a s e r h o n i n gt e c ) 1 9 1 ，就是利用具有一定能量密度的激光束，在发动机气缸内孔表面， 加工出与气缸润滑减磨性能要求优化匹配的、连续均匀的，并具有一定密度( 间 距) 、宽度、深度、角度和形状的网纹沟槽。激光珩磨技术是从平台珩磨技术派 生出来的，它是根据平台珩磨加工的规范要求，来优化控制珩磨的纹路沟槽，使 得加工出来的沟槽，其分布均匀，宽窄相等，深浅一致。国内开展激光珩磨技术 4 江苏大学硕士研究生学位论文 研究主要有：江苏大学、杭州电子工业学院、华中科技大学等。 近年来，以色列学者e t s i o n 提出了激光表面微细造型技术。而激光微 细造型技术，即是根据摩擦学理论和摩擦副的润滑减磨性能要求，在工件表面， 进行微细形貌的造型。e t i s o n 将激光微造型技术应用于缸套活塞环和机械密封等 摩擦副，并开设自己的公司专门研究激光表面微造型技术。激光表面微细造型技 术以其制造加工微孔速度快，对环境无污染以及优良的对微孔的形状和尺寸的控 制能力被认为是表面微造型领域颇为成功的造型方法之一闭。 1 3 2 规则表面微造型的摩擦性能研究现状 对表面微细形貌在润滑摩擦中的作用的研究可以追溯到上世纪5 0 年代。 1 9 5 2 年，s a l a m a 2 1 】在对推力轴承的试验中发现，在平行表面上的微细形貌，即 表面粗糙度对轴承的性能有很大的影响，由于表面微细形貌的存在，能够在平行 的相对滑动的轴承表面形成支撑载荷的流体动力压强。1 9 6 6 年，h a m i r o n 2 2 1 采 用了不同表面粗糙度的炭石磨定子和光滑透明的转动体进行试验。试验发现在两 平行表面问的油膜能够承受外部载荷。h a m i l t o n 同时采用一维数值模型分析微细 形貌对动压润滑的影响。解析求解的结果和试验结果相当吻合，并认为在密封环 表面微细形貌的凹陷区内存在对称的局部压强分布；微细形貌所产生的油膜压 力，即使是在两表面相对平行的条件下，也能提供足够的油膜压力支撑外载荷， 隔离相对摩擦的表面，起到降低摩擦磨损的作用。 e t s i o n 从上世纪舳年代就开始研究人工微细形貌即微造型对机械零部件润 滑摩擦性能的影响。e t s i o n 主要从理论和实验角度研究了凹坑形貌对活塞环汽 缸摩擦副、机械密封面的摩擦性能的影响 2 3 1 3 0 1 。主要研究成果有：( 1 ) 在活 塞环表面进行凹坑表面微造型，由于相邻凹坑的相互作用非常显著，因此凹坑对 动压分布的作用不可忽视；凹坑的面积占有率s p 在5 2 0 范围内变化时可改 变摩擦力7 ；可以得到一个最优的深径比占，此时的摩擦力值最小s = ( 0 1 0 1 8 ) ；( 2 ) 表面凹坑可以吸收在点接触情况下两种材料对磨产生的氧化 磨损颗粒，显著地提高磨损下的导电能力，提高摩擦副的使用寿命，双倍延长疲 劳失效时间；( 3 ) 在机械密封面表面进行部分微造型可以提高面的平行度，产生 高压力承载能力，形成静压润滑，减消接触压力；蒸汽轮机气密封件表面进行激 5 江苏大学硕士研究生学位论文 光微造型，可以减小摩擦力矩4 0 ，减少端面温度2 妒c ，减小接触区的泄漏， 降低非接触区的磨损；( 4 ) 在推力轴承激光表面微造型( 见图1 4 ，1 5 ) ，全局 造型，在长距离的滑行中单个凹坑并不利于动压润滑下负载能力的提高，相反， 在短距离的滑行中，单个凹坑效果和机械密封情况相同，有利于提高负载。同时 发现在面积占有率s p = o 1 3 的时候，效果最优。在局部造型中，凹坑的集体效应 可以产生大的负载承受力，这种效应在长距离滑行过程中更明显，最优的局部造 型比为o 6 ；( 5 ) 通过比较六种凹坑形貌表面( 见图1 6 ) 的摩擦性能，得出凹坑 的面积占有率，深径比对摩擦性能的改善有着显著的效果，其中低的面积占有率 效果更好。 图1 4 全局造型和局部造型示意图图 ，砷圆，；神 9 一呻 拳= = 蕊拳鬻黧警荔揣蹦翟 翻豳衄 1 - 5 有限长度滑动下的三种情况的比较：平面滑行，步进滑行，表面微造型平行滑行 6 江苏大学硕士研究生学位论文 图1 6 六种表面 f e n s k e 等人在机械密封面的激光微细造型一文p l l 中，通过三维微型轮廓测定 仪以及电子显微镜定性s i c 和钢表面凹坑的尺寸，深度，密度( 见图l - 7 ) ；通过 实验得出表面凹坑可以降低摩擦力矩4 0 卯，在单向等角接触滑行的情况下， 激光微细造型可以大大减小钢密封件的摩擦系数，特别是在边界润滑或是混合润 滑的情况下，激光微细造型可以扩大动压润滑在低速高载下的接触参数。2 0 0 4 3 2 年，提出在s i c 表面镀上覆盖层( 见图1 8 ) 可以大大地减小摩擦力。当使用一 个高硬度的镀层时，s i c 表面的摩擦力矩减小5 0 。在加工凹坑技术上也有了大 大的进步。 图l - 7 凹坑的三维图片图图l - 8 表面镀层及部分放大图 ( 凹坑深度4 - 5 a m ，直径为1 0 0 m ) 7 江苏大学硕士研究生学位论文 k 咖n c k y 大学的l s s t e p h e n s 利用l i g a 技术 3 3 1 在轴承和密封环表面加工出 正六边型形貌，通过摩擦磨损试验，得出在全油膜润滑的状态下，止推环上摩擦 系数可以减少1 4 - 2 2 ，进一步通过理论研究，优化微造型参数，摩擦系数减小 量可以达到6 0 。同时在另外一篇论文【卅中，简单比较了l i g a 和u v 光刻技术， 通过建立理论模型比较方形，菱形，圆形，六边形，三角形的性能，得出结论： 对于外凸的形貌，摩擦系数不受形貌的形状和走向影响，但是对于内凹的形貌却 相反；泄漏和油膜厚度依赖于造型形状，走向，尺寸等；总的来说，微造型有利 于形成动压润滑。 根据陶瓷的特性，s i c 被证明为水润滑条件下密封环的最佳材料之一。 x i a o l e i w a n g 等人【3 5 l 主要研究水润滑下的s i c 密封环表面微造型，通过激光加工 技术，在密封环表面加工出规则凹坑，研究凹坑对引起动压润滑向边界润滑过度 的主要载荷的影响，得出存在一个面积占有率，使得表面能够承受最大的载荷， 对于s i c 而言，r = 2 8 ，此时经过造型的面比未造型的面载荷提高2 0 。 x i a o l e i w a n g 等人在另外一篇文章p q 里研究r i e 加工出的微造型技术，还是着力 从承受载荷角度入手，得出结论：载荷变化曲线图表明存在一个最优的深径比， 面积占有率使得承受载荷增大比未造型面提高两倍。凹坑微造型除了可以提高载 荷外，还可以减少摩擦系数。 p e t t e r s s o nu 等采用规则金刚石微细排列的表面，应用压刻工艺( 这个在前一 章节中已经介绍) 。根据研究这种表面微造型技术可以用于表面材料的硬度的研 究 3 7 - 3 9 。p e t t e r s s o n , j a c o b i n 并将压刻技术应用于液压马达的活塞滚筒摩擦副在 起止低速高压工况下的摩擦磨损试验中。得出结论：微型槽可以容纳磨屑，作为 储油槽，减少表面接触面积，得到更稳定的摩擦系数。p e t t e r s s o nu 同时还研究 了p v d t i n 镀层和d l c 镀层。1 玳镀层与钢对磨，可以降低摩擦，但是造型面 相比较未造型面，低摩擦持续的时间短；d l c 镀层与钢对磨，在干摩擦的情况 下，明显降低磨损，减小摩擦，在边界润滑情况下，对摩擦性能的影响主要由镀 层厚度决定。 德国h o p p e r m a n n 等对激光微细造型加工工艺做了大量对比研究，分析多种 类型激光器，对不同激光器的不同参数进行了试验对比。h o p p c r m a n n 还通过试 验验证了激光微细造型对润滑摩擦性能的改进。另外德国e r l a n g e n - n u r e m b e r g 大 8 江苏大学硕士研究生学位论文 学机械工程学院的g e i g e rm 等人 4 0 l 对激光微细加工设备、工艺开展了大量的研 究。g e i g e r 采用受激分子激光( e x c i m e rl a s e r ) 和光掩膜投影技术在工件表面加 工微细形貌，并对激光微细造型对摩擦学性能、机械部件寿命等影响做了研究。 国内对表面微细造型的研究刚刚起步。2 0 0 3 年，于新奇在单个微坑上建立了 激光加工多孔端面机械密封的理论模型。在雷诺方程上采用有限差分法求解。分 析结果表明，密封面上的微孔可产生明显的动压效应。清华大学【4 1 蛔研究活塞环 汽缸的摩擦磨损居多，但是主要研究的是温度，载荷，转速和供油对摩擦磨损 的影响。并没有涉及到表面形貌上，但是它设计的实验设备可以借鉴利用。实验 设备可以测量摩擦系数，磨损量，以及动态电阻值( 自行设计的) 。测量动态电 阻值主要是用来测量润滑油膜厚度的存在和变化。此外还研究了活塞环离子镀膜 的摩擦学性能。采用离子镀技术在活塞环表面制备了c r n 硬质膜，并利用s r v 高 温摩擦磨损试验机考察了硬质膜的摩擦学特性，用扫描电子显微镜观察了摩擦副 的磨损表面形貌，分析了磨损机理。清华大学汪家道采用三销环试验研究规则凹 坑对表面摩擦性能的影响。实验是在面接触情况下，得到凹坑的不同尺寸对摩擦 性能有着不同的作用。实验设备f a l e x 多功能摩擦磨损试验机用于试件在室温或 加温条件，有润滑或干摩擦条件下摩擦磨损性能测试，以及润滑介质的摩擦学性 能评定。 天津工业大学激光应用研究所的林子光等 4 3 4 5 1 ，通过s r v 试验、t t m k e n 试 验和发动机挺杆的台架试验，发现了试件尽管很光滑，甚至是淬硬后精磨的表面 抗擦伤能力并不高。激光微精处理后的试件表面轮廓有明显的凹坑，试验结果这 种形貌赋予工件优越的支承面并兼备众多的“微油池”，具有较高的抗擦伤能力。 在林子光的试验中发现，经激光微精处理后的铸铁表面在抗擦伤、抗磨损及摩擦 系数等发面都有所改善。在s r v 抗擦伤试验中，几种不同激光微精处理的表面 图案( 断续条纹、人字形、网纹形等) 做了分析对比。结果表明，激光微精处理 所选择的图案及处理参数很重要，表面形貌对于润滑零件表面的抗擦伤能力有着 重要影响。 2 0 0 5 年，吉林大学生物与农业工程学院的任露泉教授从仿生角度，通过对 蜣螂、壁虎、贝壳、牙齿等天然生物耐磨表面几何形貌特征( 见图1 9 ) 进行分 析，指出生物非光滑表面现象的普遍性，认为对生物非光滑技术的研究，主要集 9 江苏大学硕士研究生学位论文 中于非光滑表面的减阻、脱附和耐磨方面。同时介绍了生物非光滑耐磨技术在缸 套、轧辊、耐磨涂层等方面应用研究的进展情况。仿生非光滑耐磨缸套试验结果 指出，在油润滑条件下，仿生非光滑形貌的摩擦副的抗粘着磨损性能明显优于光 滑形貌，其主要原因是在有润滑条件下，仿生非光滑形貌具有较强的储存润滑油 及形成油膜的能力。 c a ) 爬行能手壁虎( b ) 蜣螂 c a ) 鳃坑非光滑c b ) 凸包非光瓣“) 波纹非光滑鳞片非光潜 图1 - 9 仿生非光滑表面的主要形貌 在国内外学者对微细造型技术及其摩擦学性能的研究不断深入的同时，各个国家 也对微细造型的理论研究、加工技术及其工业应用等加大了投资力度。江苏大学 近年来也投入人力，物力研究表面微观形貌对摩擦学性能的影响。 综上所述，目i ；i 表面微细造型和摩擦磨损润滑研究是国内外学者研究的热 点。在对激光表面微造型加工技术的研究中存在以下几个等待解决的问题： ( 1 ) 在激光微造型的加工方法研究中，纳秒激光加工的应用比较普遍，而 对短脉宽的激光加工方法研究较少，不同激光加工之间的性能差异没有得到充分 的研究。 ( 2 ) 在激光微造型的形貌选择中，对点状凹坑形貌的研究最多，对其它的形 貌研究较少，有待进一步研究不同表面微观形貌对摩擦副表面摩擦性能的影响。 ( 3 ) 目前大多数研究集中在表面微观形貌对摩擦副表面产生的动压润滑和 弹流润滑效果，对微观形貌在干摩擦的状态下对表面摩擦副的摩擦性能的影响研 1 0 江苏大学硕士研究生学位论文 究得较少。 ( 4 ) 目前大多数研究都是以高载或高速为主要工作条件，对于微细器件上 的低载工况研究得较少。 以上几个方面是形成本课题的主要出发点。 1 4 本论文的研究内容及主线 本文以激光微造型技术为主要研究背景，分别运用纳秒和皮秒激光器进行凹 坑和凹槽微造型形貌的加工，对纳秒和皮秒激光器的加工表面微造型质量进行了 对比试验，选出其中性能较优的激光加工方法，进而设计出三种微造型形貌，对 该激光加工方法加工出的三种形貌( 凹坑、网纹、断纹) 进行1 ) f f - 2 摩擦磨损实 验研究，并与未造型的光滑面比较。 根据以上研究内容，本文各章节安排如下： 第一章：绪论。首先，阐述了选题的背景和本文课题的来源和意义，然后分 别介绍了表面微造型技术的研究现状和规则表面微观形貌的摩擦性能研究现状， 最后讲述了本课题的研究重点，研究内容和本论文组织。 第二章：本章首先论述了激光微造型加工工艺原理及特点，接着介绍了激光 微造型加工技术的发展现状，最后在现有理论研究的基础上，建立了激光与物质 相互作用时的热传导和温度场的数学模型。 第三章：本文首先分别运用纳秒和皮秒激光器进行凹坑和凹槽形貌加工，然 后对纳秒和皮秒激光器的加工表面微造型质量进行了对比试验，选用w y k 0 轮廓 仪和电子探针扫描电镜( j x a - - 8 4 0 a 型，美国) 对两种加工方法下的凹坑微观组 织进行表征和分析。通过激光加工对比实验得出皮秒激光加工有着优于纳秒激光 加工的性能，进而设计了三种微观形貌并用皮秒激光器加工出三种形貌。 第四章：本章对皮秒激光加工下的三种形貌( 凹坑、网纹、断纹) 进行u 町一2 摩擦磨损实验研究，并与未造型的光滑面比较。实验主要分为干摩擦实验和润滑 实验，通过研究不同润滑条件，不同载荷，不同表面形貌的表面摩擦系数的变化 趋势，分析规则表面微观形貌对表面摩擦性能的影响。 第五章：总结和展望。对本文整体内容和研究结果进行了综合概括，阐述自 己研究工作的价值及今后需要进一步深入研究的工作。 1 1 江苏大学硕士研究生学位论文 第二章激光表面微造型及其加工过程的理论建模 2 。1 激光微造型加工工艺原理及特点 激光加工就是利用激光的高能量密度( 或称亮度) 和高方向性( 发散极小) 可以对所有固体材料进行精细表面加工、雕刻与切割。激光表面微细造型技术就 是激光加工原理在工程上的发展应用。 激光微造型加工机理是利用聚焦后的激光束，照射到工件表面，激光在很小 的焦斑范围内，具有较高的功率密度，能够在极短的时间内，使材料发生熔化、 汽化，并形成小孔，小孔的形成又增强材料对激光的吸收，材料汽化膨胀产生的 压力将熔融的材料抛出，从而达到去除材料的目的。激光具有亮度高、方向性强、 单色性和相干性好等优异性能，加工激光的空间控制性和时间控制性能好，易获 得超短脉冲、尺度极小的光斑，能够产生极高的能量密度和功率密度，可以融化 世界上任何金属和非金属物质，特别适用于材料自动化加工，而且对加工对象的 材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大。与计算机数控技术相结合，激光 加工系统为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔道路，激光加工技术已成 为工业生产自动化加工生产的关键技术，并具有普通加工技术所不能比拟的优 势 4 7 - 4 9 。 激光微造型加工技术的优异性能： ( 1 ) 无接触加工 其主要特点也就是无惯性，因此其加工速度快、无噪声( 或噪声很小) 。由 于光束的能量和光束的移动速度都是可以调节的，因而可以实现各种复杂面型的 高精度的加工目的。且加工过程中无“刀具”磨损，对工件无“切削力”。 ( 2 ) 激光束具有很高的能量密度 激光束不仅可聚焦，而且可以聚焦到亚微米量级，光斑内的能量密度或功率 密度极高，用这样小的光斑可以进行微区加工，也可以进行选择性加工。它不仅 可以进行金属加工，还可以实现对非金属的加工，特别适合于加工高硬度、高脆 性及高熔点的材料，如钻石打孔、金属切割。 ( 3 ) 热影响区小 江苏大学硕士研究生学位论文 由于光束照射到物体表面是局部的，虽然加工部位的热量很大、温度很高， 但移动速度快，对非照射的部位没有什么影响。因此，其热影响区很小。例如， 在热处理、切割、焊接过程中，加工工件基本无变形，可省去或减少后继加工量。 这一特点也可以成功地用于局部热处理和显像管的焊接。 ( 4 ) 易于实现自动化 激光束易于导向、聚焦和发散。根据加工要求，可以得到不同的光斑尺寸 和功率密度。通过外光路系统可以使光束改变方向，因为可以和数控机床、机器 人连接起来，构成各种加工系统。这是一种极灵活的柔性加工系统，对于改造传 统的机床和机器人是一种极好的方法。 激光微造型加工的应用领域广泛，研究大多集中在缸套、机械密封环等，缸 套的材料一般为铸铁、硬质合金为代表的金属材料，密封环的材料一般是以铸铁、 硬质合金为代表的金属材料，以及氧化铝、s 配为代表的陶瓷材料。而其中金属 材料的加工一直以来都是激光微造型加工时的难点。因此，金属材料的激光微细 加工，就成为必须着重解决的问题。表2 - 1 为加工用激光的主要性能。 表2 - 1 加工用激光的主要性能嗍 准分子激光器 性能 ( 2 0 2 激光器 c o 激光器y a g 激光器 ( k r f ) 波长( t u n ) 1 0 65 41 0 6o 2 4 9 光子能量 ( e v ) o 1 20 2 31 1 64 9 最高( 平均) 功率( 胃) 2 5 咖1 1 8 0 02 5 0 输出方式连续或脉冲连续或脉冲连续或脉冲脉冲 调制方式气体放电气体放电声光调q气体放电 脉冲功率 1 01 旷 2 1 0 ( k w ) 脉冲频率 1 或 5 0 ( k h z ) 5 1 ( 声光调q ) 模式基模或多模多模多模 发散角全角 1 5 以01 - 3 ( m r a d ) 江苏大学硕士研究生学位论文 2 2 激光微造型加工技术的发展现状 激光表面微造型技术由于具有良好的可操控性，以及速度快、能耗低、洁净 度高、不受材料限制和易于实现自动控制等一系列不可替代的优点，被广泛认为 是具有较