（机械制造及其自动化专业论文）激光微造型表面结构对缸套活塞环摩擦性能的影响.pdf

合肥工业大学 i i ii ii ii iii ii i iii ii ii y 18 8 6 4 10 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 勃氨 合肥工业大学教授 合肥工业大学教授 多l 伟 中杀斗院合肥物质科学研究院副研究员 导师： 0 r 妇 合肥工业大学教授 挺 肮叼觅 主 委 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 过或撰写过的研究成果，也不包含为获得 佥月巴王些厶堂或其他教育机构的学位论 文或证书而使用过的材料。与我一起工作的同志对于本研究所作的任何贡献在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检阅，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月日 电话： 邮编： 激光微造型表面结构对缸套活塞环摩擦性能的影响 摘要 缸套活塞环摩擦副的摩擦性能直接决定发动机动力性能、经济性能、排放 性能和使用寿命，目前缸套表面的设计都是基于经验设计，为此，本文运用激 光微造型技术，对实际缸套表面进行规则凹坑微处理，基于试验，建立2 d m o t i f 参数及其延伸参数、i s 0 2 5 1 7 8 参数和连通性参数与摩擦学特性的关联性，并对 工件运行的各个阶段及微处理对摩擦特性的影响进行研究，为实际缸套表面的 设计提供指导。 对于2 d m o t i f 参数及其相关参数与摩擦学特性的关联性研究，文章得出了 与摩擦特性、温度特性和磨损特性密切相关参数及相关参数。 对于i s 0 2 5 1 7 8 参数与摩擦学特性关联性研究，分别建立了高度参数、体积 参数和混合参数与摩擦特性、温度特性和磨损特性的关系，并获取试验范围内 对应摩擦学特性最佳的微坑设计参数。 对于连通性参数与摩擦学特性的关联性研究，得到连通性参数与试件稳定 温度和磨损量的关系较密切，为连通性参数作为三维表征参数提供依据；文章 还对试件的磨合阶段、正常磨损阶段的摩擦特性进行研究。 本文的研究成果可以指导实际缸套表面的设计，也为其它机械零件的表面 设计提供参考，同时，也为进一步更全面地对表面进行表征提供依据，具有很 强的理论意义和实用价值。 关键词：缸套活塞环；激光微造型；表征参数；连通性；摩擦学特性 l a s e rt e x t u r i n gt h et u r f a c es t r u c t u r eo fc y l i n d e r - 。p i s t o n r i n gt r i b o l o g i c a ip r o p e r t i e s a b s t r a c t t h ef r i c t i o np r o p e r t i e so fc y l i n d e r p i s t o nr i n gf r i c t i o np a i rd i r e c t l yd e t e r m i n e t h ep o w e r , e c o n o m i c ， e m i s s i o np e r f o r m a n c e sa n ds e r v i c el i f eo fe n g i n e t h e c u r r e n td e s i g no fc y l i n d e rs u r f a c e i sb a s e do ne x p e r i e n c e t h e r e f o r e ，l a s e r m i c r o m o d e l i n gt e c h n o l o g yi su s e df o rr e g u l a rm i c r o p i t 。p r o c e s s i n go ft h ea c t u a l c v l i n d e rs u r f a c e b a s e do nt e s t s ，t h er e l e v a n e e sb e t w e e n2 d m o t i fp a r a m e t e r s ， t h ee x t e n s i o n a lp a r a m e t e r so f2 d m o t i fp a r a m e t e r s ， i s 0 2 51 7 8p a r a m e t e r s ， c o n n e c t i v i t vp a r a m e t e r sa n dt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e sa r ee s t a b l i s h e d a l lo p e r a t i o n a l s t a g e s o ft h ew o r k p i e c ea n dt h ei m p a c to fm i c r o 。p r o c e s s i n g o nt r i b o l o g i c a l p r o p e t r i e sa r es t u d i e df o rt h eg u i d a n c eo f a c t u a lc y l i n d e rs u r f a c ed e s i g n i nt h es t u d yo ft h er e l e v a n c e sb e t w e e n2 d - m o t i fp a r a m e t e r s r e l a t e dp a r a m e t e r s o f2 d m o t i fp a r a m e t e r sa n dt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s i nt h es t u d yo ft h er e l e v a n c eb e t w e e ni s 0 2 5 17 8p a r a m e t e r sa n dt r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nh e i g h tp a r a m e t e r s ， v o l u m ep a r a m e t e r s m i x i n gp a r a m e t e r sa n d f r i c t i o nc h a r a t e r i s t i c s ，t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ， w e a r c h a r a t e r i s t i c sa r ee s t a b l i s h e d ，a n dm i c r o p i td e s i g np a r a m e t e r sw h i c hc o r r e s p o n dt 0 t h eb e s tt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e si nt h ee x p e r i m e n t a lr a n g ea r e g o t - i nt h es t u d yo ft h er e l e v a n c eb e t w e e nc o n n e c t i v i t yp a r a m e t e r sa n dt r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s ，t h er e s u l t s ，w h i c hp r o v i d e b a s i sf o rr e g a r d i n gc o n n e c t i v i t yp a r a m e t e r s a st h r e e d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r i z a t i o np a r a m e t e r s s h o wt h a tt h e r ea r ec l o s e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc o n n e c t i v i t yp a r a m e t e r sa n ds t a b l et e m p e r a t u r eo f s p e c i m e n ， a m o u n to fw e a r ： i ti sa l s os t u d i e dt h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h ew o r k p i e c e s d u r i n gr u n i np e r i o da n dn o r m a l w e a rp e r i o d t h er e s u l t so ft h i sr e s e a r c h ， w h i c hh a v eh i g ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e p r o v i d eg u i d a n c ea n dr e f e r e n c ef o r t h es u r f a c ed e s i g no fa c t u a lc y l i n d e ra n do t h e r m e c h a n i c a lc o m p o n e n t s ； a tt h em e a n t i m e ，p r o v i d eb a s i sf o rc h a r a c t e r i z i n gs u r f a c e m o r p h o l o g ym o r ec o m p r e h e n s i v e l y k e y w o r d s ：c y l i n d e rl i n e r p i s t o nr i n g ；l a s e r s u r f a c et e x t u r i n g ；c h a r a c t e r i z a t i o n p a r a m e t e r s ；c o n n e c t i v i t y ；t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s 致谢 经过近三年的学习研究，论文终于得以完成。在此，首先向我的导师刘煜 教授致以最衷心的感谢。本论文从选题伊始，一直到成文后的通篇修改斧正， 都得到了刘老师的悉心指导。刘老师用严谨的治学态度和渊博的专业知识给我 树立了楷模，在学习上给予了我们最大的支持和鼓励，生活上给予无微不至的 关心和照顾。刘老师的言传身教将使我受益终生。 其次，要衷心地感谢刘小君老师。课题的完成与刘老师的关心和帮助是分 不开的。刘老师对跨学科知识及两门外语的精通掌握，刘老师的细心与耐心， 都让我受益良多。 特别感谢摩擦所的解挺老师，胡献国老师，俞建卫老师，焦明华老师，尹 延国老师，王伟老师，田明老师，孟培怀老师对我的工作提出的建议和帮助。 感谢周洋，李兵，张伯平，赵明，刘仕冬等同学陪伴我度过三年的珍贵时 光，他们也在科研工作和本文的写作中给予了我很多帮助。感谢万筱怡，李嫒， 董慧芳，张志斌，徐新泉的帮助。 最后要深深地感谢我的家人，他们无论在生活上还是学习上都无私地支持 着我，让我可以做想做的事情去想去的地方。谢谢你们。 作者：李见 2 0 1 1 年4 月 目录 第一章绪论。1 1 1 概述1 1 2 缸套活塞环摩擦润滑研究现状1 1 3 表面表征参数与摩擦学特性之间关系的研究7 1 4 研究现状评述：9 1 5 本文的工作1 0 1 6 本论文的主要内容10 第二章缸套激光微造型试件表面的摩擦磨损实验1 2 2 1 引言1 2 2 2 试验装置与试验设备的介绍1 2 2 2 1 试验机结构1 2 2 2 2 检测原理1 4 2 3 试件的设计与加工1 5 2 3 1 试件的设计1 5 2 3 2 试件微坑的加工_ 1 5 2 4 试验条件和试验过程1 7 2 4 1 试验条件1 7 2 4 2 试件的装夹1 8 2 4 3 润滑油的选择1 8 2 4 4 试验过程1 9 2 4 5 试验的后续工作2 0 2 5 心得体会2 1 2 6 小结2 2 第三章缸套表面m o t i f 表征参数对摩擦学特性的影响。2 3 3 1 引言2 3 3 2 2 d m o t i f 评定方法及研究2 3 3 2 12 d m o t i f 定义2 3 3 2 2 参数含义2 3 3 32 d m o t i f 参数的计算2 5 3 42 d m o t i f 参数与摩擦学特性的规律性研究2 6 3 5 小结4 1 第四章基于i s 0 2 5 1 7 8 参数的摩擦学特性研究。4 2 4 1 引言4 2 4 2i s 0 2 5 1 7 8 参数介绍4 2 4 2 1 新定义4 2 4 2 2 参数介绍4 2 4 3i s 0 2 5 1 7 8 参数与摩擦学特性关联性研究4 5 4 3 1 高度参数与摩擦学特性的关联性研究4 5 4 3 2 体积参数与摩擦学特性的关联性研究4 9 4 3 3 混合参数与摩擦学特性关联性研究5 3 4 4 小结5 8 第五章基于连通性参数的缸套微造型表面的摩擦学特性研究。5 9 5 1 引言5 9 5 2 连通性的定义及其参数计算方法5 9 5 2 1 连通性的定义5 9 5 2 2 连通性参数的计算5 9 5 3 连通性参数与摩擦学特性的关联性研究6 1 5 3 1 连通性参数与摩擦特性的关联性研究6 l 5 3 2 连通性系数与温度特性的关联性研究6 2 5 3 3 连通性系数与磨损特性的关联性研究6 3 5 4 微凹坑表面对磨损量的影响6 3 5 5 相同面积占有率，凹坑深度与摩擦学特性的关联性研究6 4 5 6 凹坑深度相等，面积占有率与摩擦学特性的关联性研究6 5 5 7 试验过程摩擦学特性研究6 7 5 7 1 频率5 h z 时，载荷对各组试件摩擦学特性的影响6 7 5 7 2 往复运动频率的影响6 8 5 8 小结6 9 第六章结论与展望7 1 6 1 结论7 l 6 2 需要进一步研究的问题7 2 参考文献。7 4 插图清单 图1 1 活塞环贫油润滑模型示意图2 图1 2 往复摩擦磨损实验机构示意图7 图1 3 乏油状态下深度与摩擦力关系7 图1 4 局部微凹坑处理的活塞环7 图2 1 缸套活塞环往复摩擦试验机1 3 图2 2 实验台架的各部分结构图1 3 图2 3 摩擦力测量装置的结构示意图1 4 图2 4 上下试件三个视图中的尺寸1 6 图2 5t a l y o r h o b s o n 6 型轮廓仪测得的部分结果1 7 图2 6 电子显微镜成像系统测得的部分结果1 7 图2 7 三维白光干涉仪测得的部分结果1 7 图2 8 实际三维表面部分结果1 8 图2 9 缸套一活塞环摩擦副在往复试验机中的示意图1 8 图2 1 0 采集的部分摩擦力数据图2 0 图2 1 1 轮廓仪测得的部分结果2 1 图2 1 2 电子显微镜成像信息2 1 图2 1 3 白光干涉仪测得表面形貌2 1 图3 12 d 。m o t i f 的定义2 4 图3 2w t e 及w x 示意图2 5 图3 3 实际缸套粗糙度和波纹度m o t i f 划分图2 6 图3 4a r 与摩擦系数、温度关系2 6 图3 5a r 磨损量关系2 7 图3 6r 与摩擦系数、实时温度关系2 7 图3 7r 磨损量关系2 8 图3 8r x 与摩擦系数、温度关系2 8 图3 - 9r x 磨损量关系2 8 图3 1 0a w 与摩擦系数、温度关系2 9 图3 1 1a w 磨损量关系2 9 图3 1 2 、摩擦系数关系3 0 图3 1 3w 与温度、磨损量关系3 0 图3 1 4w x 与摩擦系数、温度关系3 1 图3 1 5w x 磨损量关系3 1 图3 1 6w t e 与摩擦系数、温度关系图31 图3 1 7w t e 磨损量关系图3 2 图3 1 8a r * r 与摩擦系数、温度关系3 3 图3 1 9a r * r 一磨损量关系图3 3 图3 2 0a r * r x 与摩擦系数、温度关系3 4 图3 2 1a r * r x 与磨损量关系3 4 图3 2 2a w * w 与摩擦系数、温度关系3 5 图3 2 3a w * w 磨损量关系图3 5 图3 2 4a w * w x 与摩擦系数、温度关系3 5 图3 2 5a w | | w x 磨损量关系3 6 图3 2 6v r 与摩擦系数、温度关系3 6 图3 2 7v r 磨损量关系3 7 图3 2 8v r x 与摩擦系数、温度3 7 图3 2 9v r x 磨损量关系3 8 图3 3 0v w 与摩擦系数、温度关系3 8 图3 3 1v w 磨损量关系图3 8 图3 3 2v w x 与摩擦系数、温度关系3 9 图3 3 3v w x 磨损量关系3 9 图4 1 表面轮廓4 3 图4 2 完全相反的表面。4 4 图4 3s t d 的方向4 5 图4 4 高度参数与摩擦系数关系4 6 图4 5 高度参数与温度的关系4 7 图4 6 高度参数与磨损量关系。4 9 图4 7 体积参数与摩擦系数关系5 0 图4 8 体积参数与温度特性关系5 2 图4 9 体积参数与磨损量关系5 3 图4 1 0 混合参数与摩擦系数关系5 5 图4 1 1 混合参数与温度特性关系5 6 图4 1 2 混合参数与磨损量关系5 8 图5 1 连通性系数与摩擦系数关系6 2 图5 2 连通性系数与温度关系6 3 图5 3 连通性系数与磨损量关系6 3 图5 4 各组试件磨损量直方图6 4 图5 5 凹坑深度与摩擦学特性的关系6 5 图5 - 6 面积占有率与摩擦学特性的关系6 6 图5 7 面积占有率与摩擦学特性关系6 7 图5 8 频率5h z 时，载荷摩擦力关系图6 7 图5 - 9 频率5h z 时，载荷温度关系图一6 8 图5 1 0 往复运动频率与摩擦特性、温度特性关系6 8 图5 1 l 频率1 6h z ，载荷1 6 8m p a ，时间一摩擦系数关系图6 9 表格清单 表2 1 拉压力传感器参数表1 4 表2 2 微坑参数设计表1 6 表2 31 5 w 4 0 c d 柴油机油理化特性1 9 表3 1m o t i f 参数2 4 表3 2 实验前后参数对比表一4 0 表5 1 各组试件的连通性系数计算结果6 1 表5 2 面积占有率1 8 7 5 ，凹坑深度与摩擦学特性关系6 5 第一章绪论 1 1 概述 发动机是现代机械车辆的动力源，而缸套活塞环摩擦副是保证这个动力源 正常运行的最重要的部件之一。由于这对摩擦副有密封、导热、调节机油和导 向等作用，其决定了发动机动力性、经济性和排放性能；同时又是发动机中工 作环境最恶劣的零件之一，它们承受着高温、高压的冲击，这对摩擦副的往复 摩擦极大地影响着发动机的可靠性。 der i c h a r d o n l l l 以c u m m i n s 公司的柴油机产品为对象，研究统计其能量中 总机械损失和摩擦损失，研究表明：占全部能量的4 - - 1 5 为机械摩擦损失， 其它各方面能量损失和占4 7 5 8 ，只占总功率的3 8 4 1 为有效输出功 率；由活塞连杆组所产生的摩擦损失，占总机械摩擦损失的4 0 4 5 ；在 活塞连杆组总的摩擦损失中，总摩擦功的2 5 5 0 是由活塞环缸套摩擦 副消耗掉的，可见，活塞系统摩擦损失带来的能耗仍然是困扰发动机产品发 展的一个重要方面。同时，缸套活塞环摩擦副被人们称为汽车行业的三大磨损 副之一，其磨损是一个很大的问题。因此，如何减小缸套活塞环的摩擦损失、 降低其磨损量，亦即降低摩擦力、增强润滑效果，是摩擦学界对发动机研究的 一个重要、适用的方向。 1 2 缸套活塞环摩擦润滑研究现状 对于缸套活塞环的研究，相关人员在减小摩擦力、增大润滑效果两方面做 了大量工作，取得一些的成果。缸套工作表面的储油结构的研究大体经历三个 发展阶段。第一阶段，对光滑缸套表面的摩擦学研究，主要是各种模型的建立。 第二阶段，自从平均流量模型提出后，人们开始关注表面形貌对缸套内表面摩 擦学特性的影响，进行了大量的模型建立研究和实验研究。第三阶段，采用一 些新技术对缸套内表面进行一些微处理，从而改善摩擦学特性的研究。较早的 研究采用平台珩磨技术实现平项网纹、网状裂纹型储油结构，这样可以显著增 大承载面积，提高储油能力，但由于沟槽彼此贯通，在高温、高压下很容易使 润滑油沿沟槽挤出，而降低了润滑效果。最近的研究大都采用一些最新近似 实现独立微坑储油结构的加工。由于独立微坑会产生压力室，使得缸套活塞环 摩擦副接触表面总有储存的润滑油，使得两个相对运动的表面间能产生流体润 滑膜，这种结构充分利用了挤压和流体动力联合作用而改善润滑状况，是以后 缸套的发展趋势，这种结构中，规则微坑的表面形貌对流体润滑起到非常重要 的影响。 早期关于缸套活塞环的研究，主要是对光滑表面缸套活塞环润滑模型的 研究，可以追溯到18 8 3 年，t o w e r 对火车轮轴的轴承实验，首次发现了流体动 压现象。1 8 8 6 年o s b o r n er e n o l d s 运用流体连续方程和粘性流体运动方程，简化 一些物理假定，首先导出油润滑条件下流体运动的微分方程，也就是后人所称 的雷诺方程。r e n o l d s 在其著名论文中，还近似地解出轴承中的油膜压力， 结 果与t o w e r 实验测量结果比较，一致性是很好，奠定了现代流体润滑理论的基 础。1 9 3 6 年，c a s t l e m a n 假定在缸套活塞环行程中部有典型的负荷与速度，他 最先对缸套活塞环的流体润滑进行计算，得出在缸套活塞环表面间能够产生 足够厚的油膜，从而能够形成流体动压润滑。1 9 6 0 年，f u r u h a m a 考虑了挤压效 应，在缸套活塞环的整个循环中求解。研究表明：活塞环曲率半径对油膜形成 起到关键性影响。1 9 7 9 年以前，对缸套活塞环的研究都是将单个活塞环作为研 究对象。19 7 9 年，d o w s o n 等人把缸套活塞环的研究推广到活塞环组，考虑活 塞环间的相互作用。对于环组来说，润滑油的供给不充分，因此要考虑贫油的 影响。如图 忒心淑涎燃 粕搿翩 l 争， 图i - i 活塞环贫油润滑模型示意图 1 所示，后一道环润滑油的供给明显要受到前一道环影响。为保证后一道环 能够充分润滑，必须在两个环之间加一个流量的连续条件，亦即活塞环间润滑 油流动连续方程。 自r o h d e 提出混合润滑理论模型后，缸套活塞环润滑理论模型研究，流体 动压润滑理论的应用都可以说已经成熟。p a t i r 和c h e n g 提出的二维平均r e y n o l d s 方程与g r e e n w o o d 和t r i p p 建立的微凸体接触模型已经成为众多学者在研究缸 套活塞环润滑理论时的主要依据。 截至2 0 世纪7 0 年代末，研究者们对缸套一活塞环润滑的研究都假定缸套活 塞环表面绝对光滑的条件下进行的，揭示了表面轮廓对活塞环摩擦学特性的重 要影响，却解释不了实验所检测得的上、下止点处摩擦力最大的原因。这就促 使研究者开始对缸套活塞环表面形貌对摩擦特性影响的研究。1 9 7 8 年，p a t i r 与c h e n g t m 根据r e n o l d s 方程提出平均流量模型，之后，人们研究缸套活塞环润 滑时，开始考虑表面粗糙度的影响，并将缸套一活塞环的润滑研究扩展到混合润 滑区域。前期由于出具处理技术落后，研究者们在研究缸套活塞环的摩擦问题 时不得不作出了一些简化，忽略了许多实际问题。随着近年来现代技术的发展， 2 复杂数据不再是一个难题，先前被忽略的因素又重新回到研究领域。1 9 9 4 年h u 和c h e n g t m 等人考虑到活塞环受到弹性变形影响，一个描述油膜特性不对称性 的新模型被提出。1 9 9 4 年以来刘煜和桂长林等p 列应用二维平均流量模型和微 凸体接触方程，考虑了缸套一活塞环系统偏摆和润滑油粘度的变化，提出了新的 缸套活塞环润滑状态分析计算模型。利用该模型分析活塞二阶运动所引起的偏 摆对缸套活塞环润滑状态的影响，得出了缸套一活塞环油膜厚度的三维分布， 定量地探讨了活塞环偏摆、活塞环开口间隙位置、接触压力分布形状对周向油 膜厚度的不均匀性影响。这一时期，特别平均流量模型的引入，很大程度上促 进了人们对表面形貌对缸套活塞环摩擦学特性影响研究的发展。 良好的缸套表面形貌设计可以实现缸套活塞环间合理的润滑，从而改善发 动机的性能，具体表现在：通过减小摩擦达到节约能源、提高发动机效率的目 的；通过减小磨损达到提高发动机寿命的目的；减小由润滑油烧损引起的排放 问题。实际加工中，表面形貌是一个随机过程，它不但是表面质量的反映，而 且也包含了大量的制造与功能信息，因此要设计出性能优良的合理的表面形貌， 首先必须解决的问题就是表面形貌的表征，所以研究表面形貌的表征具有十分 重要的理论意义和实用价值。 以传统中线制为主二维表面形貌的表征与分析，在科学和工程分析中广泛 应用近半个多世纪，近年来，由于计算机计算能力、数值处理技术和图像处理 技术的提高以及工程技术的发展，传统的表征方法已经不能满足工程实际的需 要，表面形貌的评定方法已从二维形状误差、波纹度、表面粗糙度的分离评估， 逐步转向三维表面功能的综合评定，三维表面测量仪器出现和快速发展起来， 各国专家和机构纷纷投入研究，如国外的d e v r i e s 、w r d e v i s e 、tt s u k a d a 、 t e a g u e 、l d e c h i f 以及我国的国家计量院、合肥工业大学、华中科技大学、哈 尔滨工业大学、西安交通大学等都在从事三维表面形貌表征方面的研究。但是， 目前为止，还没有统一的国内或国际标准。 表面形貌评定的核心是在于对特征信号的无失真提取和对使用性能的量化 评定p j ，对此国内外学者做了大量工作，并提出了很多分离和重构的方法。综 合看来，三维形貌表征方法主要有：基准参数法、小波法、分形法和m o t i t 法。 这些表征方法都是目前研究的热点，但是m o t i t 法却在法国汽车工业r w 标准 中被使用，是其中较为成熟的一种方法，现已被国际标准( i s 0 1 2 0 8 5 ：1 9 9 6 ) 采 纳。 在各种表征方法发展的同时，缸套内表面的微处理技术也得到了很大的发 展。1 9 8 2 年s t o u t 等人发明了缸套表面珩磨技术，1 9 2 4 年美国b a r n e s 公司( b a r n e s d r i l lc o ) 为加工汽车发动机缸套表面而设计、制造了珩磨机，从而使缸套内表 面的精加工工艺技术得到显著发展，进入了新台阶1 。从此，出现了很多改变 缸套内表面形貌的珩磨技术，如普通珩磨、自激振动加工、功率超声振动珩磨、 3 电解珩磨等，但是平台珩磨技术目前是一种比较成熟的技术，已经运用到缸套 表面的实际加工中。平台珩磨技术出现以后，人们对其对缸套表面的摩擦学特 性的改善作用进行了研究，早期的研究主要是对其是否有改善作用展开的。2 0 世纪末期，开始深入的研究，并在缸套表面加工中进行了应用。1 9 9 6 年，o h l s s o n p l 对平台珩磨技术进行了较深入的研究，研究提出：为了获得特定表面，缸套的 加工通常通过4 个步骤：1 粗镗一获得基本的几何形状；2 粗珩一调整表面形状； 3 精珩一获得理想表面粗糙度；4 平台珩磨一获得理想光滑表面。其中，第三 步消除了前两步的痕迹，第四步，取代了缸套表面的部分磨合过程，从而提高 了尺寸公差，增大了发动机的效率，降低了油耗。同年，l e n t h a l l p l 的研究表明： 珩磨的缸套表面形成了交叉的“谷 ，它们的体积、方向控制着储油和其分布， 而良好的密封性和理想的润滑性却是矛盾的，因此对缸套表面的形貌要求很苛 刻。1 9 9 8 年，f e d e r a l m o g u l l l w 的研究表明：网纹的随机性和重复性对缸套活 塞环接触往复运动的摩擦学行为有着非常重要的作用。平台珩磨加工的缸套网 纹对摩擦学行为起改善作用。1 9 9 9 年，g a l l i g a n 等1 “1 研究这一次表明：缸套 内表面平台珩磨技术加工出的优化的储油网纹起到防止缸套表面划伤的重要作 用。国内对于珩磨技术的研究，主要是对其原理、优缺点、设备、工艺及该技 术加工出表面的特性的研究l 1 4 1 5 1 0 j 。 从摩擦、润滑角度来讲，使用平台珩磨工序才能实现其表面很好的摩擦学 特性，但从加工技术角度来看，平台珩磨是很难控制的。平台珩磨后的平台表 面不规则性是不可避免的，因为珩磨条磨粒大小及磨粒分布都不可能保持绝对 一致。但对于砂条的改良，目前也没有什么突破。因此要找到一种新的解决方 案，能准确地根据所需要的储油量，在工件表面精确加工出理想的储油槽，即 在工件表面对储油槽的宽度、长度、深度、轴向槽间距和周向槽间距进行精确 的加工。 由于平台珩磨技术的各种缺点和随机性，缸套内表面的加工产生了很多新 的方法。普遍使用的微造型方法有：激光表面微造型( l a s e rs u r f a c et e x t u r i n g ， l s t l 、表面喷丸处理、电子束刻蚀、u v 光刻技术、反应离子蚀刻、l i g a 技术、 机械微刻( m i c r o c u t t i n g ) 、超声加工、磨料喷射表面微造型、平板印刷和各向异 性刻蚀等。这些技术的发展为缸套表面微造型提供了有利的工具，它们加工具 有不同分布规律的表面微结构时侧重点各不相同，如不规则的缸套表面微结构 可采用喷丸处理、化学或电化学蚀刻等方法，规则的微结构可采用激光表面微 造型、电子柬刻蚀等方法获得。同时，上述各种方法各有不足，机械微刻造型 效率低、工具头磨损快，刀杆会存在失稳现象，加工出的微结构深度的一致性 不够好【1 7 】，反应离子刻蚀则需辅助装置或特殊气氛下在可以进行，喷丸处理环 境污染较大，而电子束和光刻技术的成本高。但是近年来兴起的激光表面微造 型( l s t ) 却可以在大气环境中进行且无污染，制作简单无需掩膜且效率高， 4 加工范围宽，可控制适当尺寸和表面形貌，因此成为广大研究者常用的微造型 方法。 2 0 世纪9 0 年代后期，k l i n k i s 首先提出了激光技术与珩磨技术相结合的新技 术，激光珩磨技术。奥地利o p e lp o w e r t r a i n 公司和德国g e h r i n g 公司的应用研究 也表明，与平台珩磨缸套的发动机相比，激光珩磨缸套可使发动机的磨损、排 放和油耗等方面的性能指标都得到明显的改善。2 0 0 1 年，通用欧宝将表面激光 造型技术应用到发动机的缸套活塞环上。同年，r o n e n 1 9 和s t e i n h o 甜2 0 】提出， 激光微造型技术已经被引入到加工活塞环表面。2 0 0 8 年，尹必峰 2 1 1 等人对激光 珩磨的缸套表面进行试验研究，研究表明：激光珩磨表面的评定参数优于平台 网纹缸套，网纹沟槽较清晰、分布更均匀，网纹沟槽深度和一致性都有所增加， 缸套表面也较平整，增加了承载面积。装机试验表明：装配激光珩磨缸套的柴 油机工作正常，各项性能参数稳定，缸套活塞环之间的摩擦性能优于平台珩磨 缸套，发动机油耗比采用平台珩磨时降 k 4 8 1 ，漏气量下降4 9 2 。2 0 1 0 年， 徐卫国【2 2 】对c a 6 d f 2 柴油机缸套表面进行激光珩磨与平台珩磨进行了对比研 究，研究表明：采用激光珩磨网纹的缸套能显著降低发动机燃油比和漏气量。 随着对物体表面，特别是对重要摩擦副表面性能要求的提高，表面微造型 技术( s u r f a c et e x t u r i n g ) 以其改善摩擦性能的优异特点得以快速发展。表面激 光微造型( l s t ) 对表面摩擦学性能的影响的研究目前主要从理论和实验两个 方面展开的，国内外许多专家学者对此进行了深入广泛的理论和试验研究，其 部分研究成果已经应用于工程实践。 表面微结构的作用主要体现在三个方面：储油能力、容屑能力和形成流体 动压润滑。由于圆形微凹坑不仅几何结构简单，便于模拟分析和加工，而且通 过实验研究证明其在这三个方面都具有较好的效果，因此国内外学者主要对圆 形凹坑微结构化表面进行研究。 表面的摩擦学性能主要是指摩擦力、承载能力、抗磨能力等。通过参数优 化，可大幅度减少摩擦力( 摩擦力矩) ，提高承载能力和抗磨能力。理论研究表 明，表面微造型技术，可应用于汽车发动机的缸套活塞环摩擦副中，在汽车燃 油经济性方面，有很好的应用前景。为了提高发动机的性能，延长寿命，国内 外学者和工程技术人员纷纷对其进行了大量研究。2 0 0 3 年，d u f f e tg 等人【2 3 】使 用n d ：y a g 对铸铁缸套进行微坑处理，研究其摩擦学特性，发现在气体条件相 同的情况下，扭矩可以提升4 5 。r a h n e j a th 等人也得出同样的结论【2 4 1 。2 0 0 5 年举行的生命周期国际摩擦学大会上，法国学者m o r g a n i s c i a k l 2 5 】汇报了其实验 小组对在乏油状态下，表面网纹对缸套活塞环摩擦学特性的初步研究。实验研 究了乏油瞬间纯滚动状态下，表面纹理对油膜厚度和压力的影响，以此来初步 研究缸套活塞环在同种条件下纯滑动时，表面微造型对摩擦学特性的影响。该 实验只是进行了初步研究。 以色列学者i e t s i o n 对缸套一活塞环表面微造型对摩擦学特性的影响进行 了一系列的研究。2 0 0 1 年，i e t s i o n 和a r o n e n | 2 6 建立了缸套活塞环系统 中活塞环激光微处理理论分析模型，通过对几个主要参数的分析，得出许多重 要结论：1 相邻微凹坑相互影响十分重要，它们对流体动压力分布有很重要的影 响；2 在一个运动周期里，润滑油膜最大变化小于凹坑深度的3 0 ，所以摩擦 力随曲柄转速的改变是由滑动速度的变化决定的；3 面积占有率在5 到2 0 内，摩擦力减少量不大于7 ；4 活塞环轴向增加微凹坑数量，摩擦