圆柱副的激光表面处理方法的基础试验分析毕业论文.doc

毕 业 设 计 论 文 专专 业业 机械制造及其自动化机械制造及其自动化 班班 级级 学生姓名学生姓名 学学 号号 课课 题题 圆柱副的激光表面处理方法的基础试验研究圆柱副的激光表面处理方法的基础试验研究 指导教师指导教师 摘 要 物体表面的微细形貌深刻影响和改变着物体表面的摩擦性能 这就促使人们 利用各种加工手段在物体表面进行微细造型改变表面状况以达到所需要的表面摩擦 性能 本文研究的目的是为减小圆柱副摩擦力和磨损量而进行的基础性研究 介绍了 激光在球墨铸铁的表面微观造型的加工工艺及改变其摩擦 磨损性能的研究 阐述 了激光在球墨铸铁表面的微观变化机理 并采用多种表面造型图案 如菱形 圆 网格等 和不同的表面分布率 分别为 5 10 15 对材料表面激光毛化处 理 并进行了摩擦磨损实验 研究结果表明运动副表面图案及其分布率对摩擦性能有严重的影响 给圆柱副 摩擦学设计提供参考 关键字关键字 表面微造型 微观形貌 造型几何参数 摩擦性能 Abstract Surface morphology of the fine and profound impact on changing the object s surface friction properties which prompted people to use various means of processing 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 change its friction and wear properties of research Ductile iron on the surface of the laser in the microscopic changes in the mechanism Surface modeling a diamond shaped logo a round and the grid And a different distribution of the surface to do experiments The results show that the rate of distribution patterns and the surface of the friction has a serious impact Keyword surface modeling micro topography modeling geometric parameters friction performance 目录目录 1 引 言 2 1 1 本课题的选题背景 2 1 2 本文研究方法和目标 4 1 3 研究路线 4 2 激光表面处理技术 5 2 1 激光表面处理的现状和发展趋势 5 2 2 激光表面处理特点和分类 7 2 2 1 特点 8 2 2 2 分类 8 2 3 激光加工机理 11 2 3 激光处理对材料表面摩擦 润滑的特性的影响 12 2 4 小结 13 3 激光表面处理实验的器材与方法 15 3 1 实验器材 15 3 1 1 HGL LSY50 系列激光打标机 15 3 1 2 万能摩擦磨损实验机 16 3 2 实验材料及试样 18 3 3 实验方案及步骤 18 3 3 1 实验方案 18 3 3 2 实验步骤 19 4 实验结果分析 21 4 1 圆与菱形不同分布率的影响 21 4 2 不同间距的网格 24 4 3 实验结论 28 5 1 本文工作总结 29 5 2 课题展望 29 参 考 文 献 31 致 谢 32 附录一 英文科技文献翻译 33 附录二 毕业论文任务书 50 圆柱副的激光表面处理及工艺圆柱副的激光表面处理及工艺 机械与电气工程系 机械设计制造及其自动化专业 04 机械二班 钱德才 指导老师 姚燕生 1 引引 言言 1 1 本课题的选题背景本课题的选题背景 摩擦副的摩擦学研究一直是国内外学者研究的热点问题 磨损导致表面损坏和 材料损耗 而润滑是降低摩擦和减少磨损的最有效措施 据估计 全世界大约有 1 2 1 3 的能源以各种形式消耗在摩擦上 而摩擦导致的磨损是机械设备失效的主 要原因 大约有 80 的零件损坏是由于各种形式的磨损引起的 因此 改善摩擦副 的润滑性能对于国民经济具有很重要的意义 早期人们认为摩擦副的接触表面 越 光滑越好 后来研究表明并非如此 事实上 制造一个表面 光滑程度超过一定 值时 不仅大大增加加工成本 而且表面润滑减磨性能并未随之提高 有时甚至下 降 汽缸是典型的圆柱摩擦副 据有关资料分析 汽缸套正常情况下的磨损的原因 有 1 润滑不良造成的磨损 发动机工作时 汽缸套上部邻近燃烧室 经常与高温的燃烧气体接触 使该处 润滑油黏度大大降低 易于流失 而活塞速度愈靠近汽缸上部愈低 使润滑油膜形 成困难 同时 越靠近汽缸上部 高温气体对润滑油膜的冲刷作用越强 甚至部分 润滑油被烧掉 因而汽缸上部润滑条件差 磨损大 2 由于高压造成汽缸的机械磨损 发动机在工作过程中 活塞沿汽缸套内表面往复运动 承受燃烧气体的压力传 递动力 特别是在爆发冲程和压缩冲程 作用于汽缸套内表面上的侧接触压力明 显增大 所以汽缸套在垂直于活塞销轴线方向上 左侧比右侧磨损严重 形成不规 则的椭圆磨损 活塞顶部的压力在爆发冲程和压缩冲程都是随着活塞下移 汽缸容 积增大而逐渐减小的 故活塞对汽缸壁的侧压力也是自上而下逐渐减小的 这就造 成了汽缸套的两侧自上而下磨损逐渐减轻 而形成不对称的上大下小的锥度磨损 3 磨料磨损 实践表明 由空气带入汽缸套的磨粒 尘土 灰渣等 首先在汽缸套上部与第 一道活塞环接触 此时 磨粒棱角最锋利 磨削能力较强 使汽缸套上部磨损加剧 4 腐蚀磨损 当冷却水温度低于 70 时 燃烧气体中的二氧化硫 三氧化硫 就会与燃烧 生成物中的水结合成亚硫酸 硫酸凝聚在汽缸壁上 这些酸性物质破坏了润滑油膜 并对汽缸壁产生腐蚀作用 当发动机工作时 在活塞环的作用下金属腐蚀的产物被 刮去 随后又腐蚀又刮去 从而造成腐蚀磨损 由于越靠近汽缸上部 接触酸类物 的机会愈多 加之汽缸上部润滑油膜形成困难 因此 越靠近汽缸上部 腐蚀磨损 就越严重 当缸壁温度低于 140 相当于冷却水温度在 80 85 时 上述酸类物 对汽缸壁的腐蚀磨损就越严重 腐蚀磨损的程度 除燃烧中硫含量外 主要取决于 汽缸壁冷却的程度 发动机温度越低 酸性物质就越易在汽缸壁上生成 腐蚀作用 也越强烈 当汽缸壁温度升高时 由于润滑油黏度变低 油膜不易形成 抵抗腐蚀 作用减小 使腐蚀和机械磨损加剧 因此 在同一台发动机上 由于各缸冷却程度 不同 各部位受到腐蚀的情况也有差别 如一缸前壁和六缸后壁 由于冷却效果较 高 其腐蚀就较严重 进气门对面的缸壁 由于新鲜混合气流的冲刷作用 冲掉和 稀释了这一部位缸壁上的油膜 并使缸壁温度降低 而加大了该处的腐蚀作用 通 常 腐蚀磨损也是造成汽缸失圆的主要原因 然而研究表明 具有一定粗糙度的表面能改善润滑状况 因此 根据摩擦副的 润滑减磨性能要求 在其表面设置优化匹配的微观几何形貌 使接触面间形成良好 的流体动压润滑 能极大地改善其润滑性能 为达此目的 人们曾采用电化学腐蚀 高密度介质流 喷丸法 光化学腐蚀及超声振动加工等方法 但都因种种缺陷未 能如愿 就汽缸来说 人们在摩擦学方面一直向往在整个气缸工作表面的长度上 能按 照内燃机性能需要和润滑要求 利用一定粗糙度的表面能改善润滑状况的原理 有 目的地改造气缸孔表面的微观结构形貌 为此许多新的方法正在不断研究 如采用 多种高能量密度的介质束 流体束在工件表面进行微观造型 特别是激光表面造型 技术越来越多的被研究和使用 这种新型表面处理技术 具有加工速度快 加工精度高 工艺周期短 工件变 形小 能源消耗低 环境污染小 不受材料限制 工艺过程易实现计算机控制等优 点 非常适合用于发动机气缸套 活塞环 端面机械密封环 凸轮轴 推力轴承等 重要摩擦副的表面处理 目前 该技术的应用已基本成熟 但相关方面的理论研究 较少 激光表面造型改善摩擦副摩擦性能的机理尚待理论证明 经激光表面造型处 理后的摩擦副 其耐磨性得到大幅提高 使用寿命大大延长 使能源消耗得到有效 降低 本文的研究正是基于激光技术的发展和提高汽缸类摩擦副表面性能的需要而进 行的 1 2 本文研究方法和内容本文研究方法和内容 本论文以典型圆柱副汽缸来研究其表面激光处理工艺及对摩擦性能的影响 汽 缸表面为圆柱形 最佳的实验方法是直接在汽缸样机上来进行 但这样做法 无论 是从经济成本还是实验的可行性上来看 对小型研究单位来说都是不可取的 所以 多数研究者都采用小型试样来进行摩擦实验 这里一方面是考虑汽缸和活塞之间的 运动主要为上下滑动 另一方面把大直径汽缸近似看作多个微小平面拼接构成 为 此研究滑动副的摩擦特性对以上下运动为主的圆柱副具有重要的价值 由于对此类 摩擦学研究的理论还不完善 所以本文主要采用试验分析法 本文主要研究工作如下 采用氪灯泵浦固体光源 Nd YAG 激光器 设计制造试样 摩擦环 对试样材 料表面进行激光微造型加工 在万能摩擦磨损试验机上进行了激光造型后 与未造 型的摩擦环套试件的摩擦磨损性能对比试验研究 测试在不同造型图案下 被加工 试样表面的摩擦力矩的变化 对比不同造型试样的摩擦磨损性能 同时研究在万能 摩擦磨损试验机上施加不同载荷时 此载荷和汽缸侧向力对应 摩擦力矩的变化 并通过公式求出摩擦系数 画出相应的曲线 比较曲线之间的差异 1 3 研究路线研究路线 本论文从资料查阅 方案设计 具体实验 撰写论文历时三个月 流程如下 资料查阅 熟悉课题 确定系统框架并开始搭建总体框架 对各个实验仪器的熟悉和操作 设计实验方案和准备材料 具体做实验和数据分析 撰写论文 科技翻译 2 激光表面处理技术激光表面处理技术 2 1 激光表面处理的现状和发展趋势激光表面处理的现状和发展趋势 激光加工是 20 世纪 60 年代初期兴起的一项新技术 此后逐步应用于机械 汽车 航空 电子等行业 尤以机械行业的应用发展速度最快 在机械制造业中的 广泛使用又推动了激光加工技术的工业化 20 世纪 70 年代 美国进行了两大研 究 一是福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接 二是通用汽车公司进行的动力 转向变速箱内表面的激光淬火 这两项研究推动了以后的机械制造业中的激光加工 技术的发展 到了 20 世纪 80 年代后期 激光加工的应用实例有所增加 其中增 长最迅速的是激光切割 激光焊接和激光淬火 这 3 项技术目前已经发展成熟 应用也很广泛 进入 20 世纪 90 年代后期 激光珩磨技术的出现又将激光微细加 工技术在机械加工中的应用翻开了崭新的一页 在物体表面加工出微细形貌以改善物体摩擦性能即表面微造型技术早在 20 世 纪 60 年代后期就有 Hamilton 等人开始研究 随后的近 40 年许多学者纷纷投入到 该领域的实验和理论研究中去 对诸如机械密封 活塞环以及推力轴承的表面微造 型加工的研究更成为近期热点 随着研究的深入 人们发现表面微细形貌在相互运 动摩擦的物体表面主要有以下一些作用 1 使相互平行的摩擦表面产生动压润滑 2 减少摩擦表面的摩擦因数 从而减少摩擦力或摩擦力矩 3 提高承载能力 4 微孔 槽 可以作为储油槽 为边界润滑提供润滑或为刚启动的摩擦表面提供润滑 5 微孔 槽 可以用作储屑槽 容纳因为边界润滑或干摩擦产生的磨屑 从而减少 磨损 延长使用寿命 而气缸孔和活塞环是内燃机中最关键的摩擦副之一 它直接影响内燃机的使用 寿命和性能 一般来讲 气缸孔表面的抗磨性能与以下 4 个因素有关 即气缸孔 表面粗糙度 气缸孔与活塞环的配伍性 气缸孔表面材料硬度以及表面的润滑状况 激光淬火技术 因其独特的加热源和热处理机制以及一系列优点 特别适用于气缸 孔表面的处理 经激光淬火后的气缸孔 其耐磨性能提高 3倍以上 因而倍受内 燃机行业的关注和欢迎 从影响气缸孔耐磨性 能的 4个因素分析 前 3个因素到 目前为止已基本得到较好的解决 剩下的是如何改善其表面润滑 以达到减摩目 的 虽然传统的机械珩磨加工方法 在工件表面留下珩磨痕迹具有一定的贮存和输 送润滑油 进而起到一定的改善润滑性能的作用 但是由于珩磨痕迹紊乱无序 因 而作用十分有限 我们提出气缸孔加工处理的新思路 新方法 即以传统的机加 工后的工件表面为原始表面 进行激光淬火硬化处理 在此基础上 再实施激光珩 磨加工 从而达到在大大提高工件表 面耐磨性能的同时 显著改善工件表面润 滑性能 现行的气缸孔表面最后加工工序为 精镗 粗珩 精珩 在一些要求高的 情况下 最终还要加上平台珩磨工序 经过这些工序之后 气缸孔表面粗糙度可达 到 Ra0 8以上 尺寸精度可达 5 级或 6 级以上 基本能满足其表面粗糙度的要求 和气缸孔 活塞环的配合精度要求 从热处理方面看 由于激光淬火硬化技术和其 它传统热处理技术的应用 气缸孔表面硬度也得到保证 如何改善其表面润滑以达 到减磨目的呢 虽然传统的机械珩磨加工方法 在工件表面留下的珩磨痕迹具有一 定的贮存和输送润滑油 进而起到一定的改善润滑性能的作用 但是由于珩磨痕迹 紊乱无序 因而作用十分有限 激光表面改性技术在日本应用发展最快 研究报道 最多 日本川崎钢铁公司从1986年开始应用激光毛化技术 激光表面改性技术 到1989年7月已生产用于汽车的激光毛化板逾10万吨 日本仅用于汽车的激光毛化 镜面板的订单从1986年的每月1 000吨 已上升到1990年的每月7000吨 国内长期 以来对钢板表面形貌与钢板工艺性能的关系研究不够 认识不足 几乎所有的冷轧 厂都沿用传统的喷丸毛化技术 到20世纪90年代 激光毛化技术在国内得到发展和 应用 中科院力学所与秦皇岛腾龙精密带钢厂 天津冷轧薄板厂合作 应用 YAG 掺钕钇铝石榴石 激光毛化技术取得了显著的效果 提高了产品质量 解决了 轧机打滑和钢卷退火粘结等难题 天津冷轧薄板厂的激光毛化板1995年已出口3 2 万吨 激光表面改性技术成为了一种新兴材料表面改性技术 尤其是进入 20 世纪 80 年代以后 大功率工业激光器和辅助设备的制造技术日益提高 激光表面技术逐渐 成熟 使得这种技术的工业应用和深入研究日益活跃 激光表面改性技术得到了 越来越广泛的应用 其中工业应用所占比例最大 激光表面改性技术的应用涉及 交通运输纺织机械重型机械和精密机械的制造等 所处理的零部件种类包括汽车 摩托车和轮船等的发动机气缸体 套 内壁曲轴 凸轮轴 转向器壳体齿轮 机床导 轨刀具刃口和轴承等 1 国外的应用及研究现状 在国外 1974 年美国通用汽车 公司采用激光表面改性技术处理汽车转向器内腔 可锻铸铁 并且于 20 世纪 80 年 代建成 17 条激光表面相变处理生产线 可以日处理 33000 件 其耐磨性较原工艺 提高近 1 0 倍 意大利菲亚特公司采用 HPL 一 10 型激光器处理发动机气缸内壁 取消了气缸套 降低了油耗 节省了成本 1984 年德国纽伦堡机械制造公司建 立激光表面改性生产线 对大型发动机气缸套进行激光表面改性 大大提高气缸 套的耐磨性 到 90 年代后期 德国格林 Gehring 公司发明并率先将其应用到气缸 孔的表面处理中 不仅使气缸和活塞环的磨损量下降 50 而且使柴油发动机的 柴油消耗量下降 40 颗粒排放量下降 10 30 汽油发动机的汽油消耗量降 低 30 60 HC 排放量下降约 20 此一研究成果吸引了许多工程技术人员 转向研究激光珩磨技术 除此以外 日本丰田公司 美国福特公司等一些汽车厂家 也相继将激光表面改性技术应用于汽车制造业 2 国内的应用及研究现状 激光 技术在我国虽然起步较晚 但发展态势迅猛 国内一些科研院校和企业对激光表面 改性的研究和应用也不少 如 a 1994 年柳州市 汽车发动机厂做了柴油机推杆的磨损与激光表面改性研究 b 1998 年天津纺织工学院激光应用研究室进行了 YAG 激光表面改性研究 c 2003 年天津理工学院做了轴承钢表面改性的表面硬化层残余奥氏体测定 及研究 d 2003 年浙江工业大学研究了基于二维传热数值分析模型的激光处理专家系 统 e 2004 年江西省科学院应用物理研究所进行了 H13 钢激光表面改性组织与 性能的研究 f 青岛中发激光技术有限公司采用激光网格工艺加工后的发动机气缸体 曲 轴等零件表面 寿命提高 3 5 倍 全国各地几乎都有不同规模的激光加工中心进行激光表面改性研究和应用 在激光表面改性的研究中 国内外的学者最初集中在探讨激光表面改性铁基材料的 改变和改善材料性能的机理 他们对激光表面改性低碳钢 中碳钢 高碳钢 合 金钢和铸铁等都做了大量的研究 随着激光表面改性技术的不断推广应用 工业化 生产对设备可靠性和稳定性的要求越来越高 鉴于此 研究人员开展了对激光器光 腔结构光学元件冷却技术表面吸收涂层种类 喷涂技术以及用于对复杂零件表面改 性的数控机床的研究 另外为了满足大规模工业化生产还开展了对激光设备各个 零部件的标准化 规模化设计的研究不断地促进激光表面改性设备的发展 虽然这 一技术目前尚处于研究试验阶段 但由于其独特的优点和润滑机理 必将展现广阔 的应用前景 近年来 随着对物体表面 特别是对重要摩擦副表面性能的要求越来越高 表 面微造型技术 SurfaceTexturing 以其优异改善摩擦性能的特点得以快速发展 2 2 激光表面处理特点和分类激光表面处理特点和分类 激光具有强度高 能量密集 单色性好 相干性好等很多优点 激光光束的获 取是通过一系列光学元件 把激光束聚集成一个极小的光斑 获得的能量密度 温 度达到 10000 以上 通过高频高能脉冲光束对材料加工 使得表面形成均匀或 可控分布的微坑 从而能在千分之几秒甚至更短的时间内使材料表面达到改造的目 的 2 2 1 特点 通过激光表面改性过的材料有很多优点 具体如以下 a 可在零件表面形成 细小均匀 层深可控 含有多种介于稳相和金属化合物的高质量表面强化层 可 大幅度提高表面硬度 耐磨性和抗接触疲劳的能力以及制备特殊的耐腐蚀功能表层 b 可以在工件精加工后进行表面改性 处理后仅需极小量的磨削加工即可 可 使具有优异性能的处理表面得到充分保存 c 激光处理是小面积扫描式加热 工 件变形 适用于任意形状的表面 不受工件形状的限制 d 硬化层深度和硬化面 积可准确测定和控制 生产上重复性好 可保证产品的高质量和生产的稳定性 既 适合单件大批量生产 也适合多品种小批量生产 e 加热时间短 温度升高仅限 于工件表面附近 也就是只加热表面而不会提高材料的整体温度 而且冷却极快 热影响区极小 另外 由于激光为无接触加热 工件不会受到污染 通过降低表 面粗糙度可以提高机械零件表面的抗擦伤和耐磨损能力 但超精加工不仅增加了制 造成本 且受材料的性质和加工精度的影响 表面粗糙度始终受到一定的限制 弹 流润滑理论指出 机械加工表面上形成的粗糙度 加工纹向等组成的表面形貌对于 润滑效果及承载能力都有很大的影响 因此人们设想在已加工表面人为地制造出微 凸体或微凹体的形貌 从而使摩擦及磨损都大为下降 并提高其承载能力 机械部 件中如内燃机中的活塞环 轴向密封圈 发动机汽缸 导轨等都可成为激光加工的 对象 采用 Nd YAG 脉冲激光器在球墨铸铁表面进行微孔化处理 来改变材料表 面特性 测试其不同载荷和速度条件下的摩擦学性能 2 2 2 分类 材料表改性的方法有很多 但主要有以下几种 1 表面渗扩处理 即在材料表面加入矿质元素来改变材料的性能 主要有 渗B N C共渗 软氮化 S N C共渗 多元共渗 该技术的主要优点是提高耐 磨性能和抗氧化性能 同时提高铁基材料的抗腐蚀性能 2 离子注入与等离子体源离子注入 离子注入技术是1种新的表面改性方 法 原则上任何元素都可以注入到任何基体金属中 离子注入在高真空 10Pa左右 和较低温度下进行 不会引起变形 退火和尺寸的变化 注入原子与基体金属没有 界面 注入层不存在剥落问题 该技术早期研究集中在N离子的注入 等离子体源 离子注入技术 Plasma immersion ion implanta tion Pil1 是1种既能提高表面硬度又 没有降低结合力的有效方法 它可以对模具进行快速 低成本改性 3 复合处理 即对材料表面进行两种表面改性处理 使这两种处理能互相 兼容 使的材料的表面性能更好 比如 Rodriguez Baracaldo R等人对H13钢进行 了2种表面改性处理 一种是在基体上直接PVD沉积TiA1N涂层 另一种是先在基 体上进行气体氮化处理 然后进行PVD沉积TiA1N涂层 形成复合层 研究表明 复合层的耐磨性能最好 单一氮化物涂层的耐磨性能较单一TiA1N涂层好 前者比 后者约高5倍左右 4 激光表面改性 激光表面改性是20世纪70年代发展起来的高新技术 可 有效地改善材料的表面性能 对于模具表面强化 修复及提高使用寿命效果显著 45钢激光表面改性是利用激光的高辐射 高亮度 高方向性 高单色性特点 使材 料的表面性能得到提高 特别是材料的摩擦系数 表面硬度 耐磨性 耐蚀性和耐 高温性的改进 提高了热作模具的使用寿命 激光是粒子通过受激辐射放大而得到的 即在泵浦源的泵浦作用下 使低能态 粒子吸收能量跃迁到高能态 而高能态的粒子很快又回到低能态或基态 同时释放 出大量的光子 光子在谐振腔的选模作用下通过输出聚焦镜以激光的方式输出 这 样的产生方式使得激光具有单色性 相干性 方向性和高亮度性 也是其它光源无 法比拟的 激光主要有四大特性 激光的高亮度 高方向性 高单色性和高相干性 激光表面改性又可以分四种 激光相变硬化 激光熔凝处理 激光表面非晶化 与微晶 激光毛化 激光淬火 激光淬火又称激光相变硬化 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快速加热金属表面使其达到相变温度以上形成奥氏 体 而金属材料内部保持冷态 在停止加热后 由于热传导使表层金属以10度急剧 冷却 形成表面相变硬化层 从而达到淬火的目的 其特点是 淬硬层组织硬化 硬度比常规高15 一20 耐磨性提高l 10倍 加热速度快 生产效率高 成 本低 自动化程度高 但硬化层深度受到限制 一般在1mm以下 再加上金属表面 对波长10 6m的激光反射严重 一般90 以上的激光被反射 因此 为增大材料 对激光的吸收 需作表面涂层或其它预处理 激光相变硬化技术从开始应用到现 在 已经历了30多年的发展历程 应用领域不断扩大 但由于这项工艺的技术含量 很高 工艺过程中影响因素太多 设备费用昂贵 除了对形状简单 工艺基本定型 且批量较大的工件可以专门建立生产线 并可获得稳定的加工质量外 在形状较为 复杂的工件中应用仍存在不少问题 基本上还是1种成本高 控制复杂但性能特殊 的实验室技术 但是 由于激光相变硬化技术所具有的独特优点 它仍是一项具有 广泛应用前景的高新技术 激光熔凝处理 激光熔凝是通过在模具表面覆盖一层具有一定性能的熔覆材料来改善表面性能 与等离子喷焊相比 激光熔凝可实现热输入的准确和局部控制 节省高性能材料 其涂层缺陷率低 组织细密均匀 成分稀释率小 热影响区小 涂层强韧性明显提 高 张春华等人采用高能束激光熔凝处理 在H13钢表面获得激光熔凝层 在不改 变模具钢表面成分的条件下 实现钢基表面的 自强化 最佳工艺参数为 输出 功率1200W 光斑直径3mm 焦距300mm 激光束扫描速率400mm min 大面积 激光扫描搭接率30 研究表明 采用激光熔凝处理 在H13钢表面获得了组织 致密 无孔洞及裂纹等缺陷的熔凝层 熔凝层厚度约为0 5 rum 其组织呈定向生 长形态 激光熔凝层的耐磨性能为H13钢基体的1 8倍 H13钢经激光熔凝处理后 其耐腐蚀性能得到改善 自腐蚀电位正移 维钝电流明显减小 激光熔凝处理技术 以其加工精度高等特点具有很大的潜在应用价值 但目前的研究只在实验室阶段 要实现大规模实际应用还需要进行大量的研究工作 激光表面非晶化与微晶 非晶是一种类似玻璃的结构 长程有序 短程有序 这种组织的特点是成分和 电化学性能极为均匀 并且没有晶界 位错等晶态缺陷 非晶材料以其优异的电学 机械和化学性能 日益受到国内外学者的关注 获得了广泛的应用 对非晶材料的 研究进而迅速发展成一门新兴的非晶态物理学 它对材料科的分支 对其今后的技 术发展有极重要的意义 制备非晶的一个最基本条件是将液态以大于某一临界冷却 速度急冷到低于某一特征温度 以抑制晶体形核核生长 激光非晶指将激光作用于 材料 是材料表面薄层融化形成极高的 温度梯度 急冷后形成非晶 激光毛化 激光毛化其实是通过一系列光学元件 把激光束聚集成一个极小的光斑 获得 的能量密度 温度达到 10000 以上 通过高频高能脉冲光束对材料加工 使得 表面形成均匀或可控分布的微坑如图 1 所示 从而能在千分之几秒甚至更短的时间 内使材料表面达到毛化的目的 激光毛化实质是激光斑点与基体材料相互作用而形 成的 激光毛化板的表面形貌是预定可控和有规则的排列 储油性能好 粗糙度调 节范围大 重复性好 冲压性能好 涂漆后的鲜映度高 毛化过程经过以下几个过 程 光斑冲击激光光斑短时间作用在基体材料的浅层上 材料在激光冲击作用 下产生局部压应力 表层熔融金属材料吸收的热使得表层熔化 形成熔池 表层蚀化随着表层吸收激光能量的增加 形成熔池的表面产生气化 产生蚀化效果 完成毛化加工 其图片如图 1 图 1 激光毛化球墨铸铁微观形貌 2 3 激光加工机理激光加工机理 激光表面改性是利用高能量激光照射工件时对工件表面快速的加热 将光能转 变为热能 进行表面处理的独特加工方法 激光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 该工艺的特点是能够有选择地处理局部表面 可以在不改变材料整体性能的情 况下在局部表面得到所需要的性能 它是激光加工领域中的重要组成部分 激光表 面改性用高能量激光束为热源加热工件 使工件表面在高功率密度激光的照射下扫 描 工件表面吸收激光照射的能量 光能转变为热能 表面迅速被加热到相变温度 以上 熔化温度以下 此时工件温度仍处于室温 当光束移开或光束的能量减少 时 能量又迅速以1O 一10 C s的冷却速度向金属内部传导 使加热部分迅速冷 却 此过程非常快 致使金属内部保持冷态 从而获得表面改性效果 实现不需要 额外冷却介质就可以实现相变硬化 达到激光自冷表面改性 当激光束照射到材料 表面的时候 如果材料表面局部区域温度超过材料的熔化温度 则该区域将会被熔 化而成为液体 相应的熔化区域被称为熔池 在激光材料表面改性过程中 激光熔 池形成与否主要取决于激光的强度和照射的时间 可见 激光表面改性是最简单的 表面改性 即用激光对着表面改性部位扫一遍即可完成 尽管如此 激光表面改性 也要遵循与普通表面改性同样的规律 即最大的加热温度大于钢的相变临界温度 冷却速度大于钢的表面改性临界冷却速度 只不过激光金属的加热和冷却都是以很 高的速度进行 因此它具有超快加热的相变特征 2 3 激光处理对材料表面摩擦 润滑的特性的影响激光处理对材料表面摩擦 润滑的特性的影响 Y AG脉冲激光虽然具有脉冲窄 峰值功率高 加工时对工件的热影响区小 金属重铸少等特点 但它毕竟也是通过热效应来加工的 如图 3所示 YAG激光加 工时有相当一部分热量到传输的加工区周围基体材料中 形成热影响区 降低了激 光能量的利用率 并可能带来微裂纹 金属重铸 切口不光滑的问题 因此 利用 Y AG激光对金属表面进行微造型 必须对激光工艺参数进行合理的选择和优化组合 以最大限度减少 消除这些不利因素的影响 从而使激光表面改性具有独特的优点 1 利用激光束可控性的特点 在工件工 作表面的整个工作长度上根据磨损状况和润滑性能要求进行表面微观造型 从而保 证在整个工作长度上磨损均衡 2 在工件整个工作表面上形成与润滑性能要求优化 匹配的 连续均匀的 并具有一定密度 宽度 深度 角度及形状的贮存和输送润 滑油的沟槽 凹腔 这些油路通过交叉点相互连通 且都均匀地分布于工件表面 为工件表面提供迅速有效的润滑 减少了贫油区的出现 降低了粘着磨损 3 由于 激光与材料独特的作用机理 使得要去除的金属 或非金属 被汽化掉 形成的油路 光滑清洁 从而保证油路畅通无阻 同时 在金属材料工件的油路周围和表面 因 淬火效应而硬度提高 4 在油路上设置的一系列凹腔 具有储油池和聚集微小颗粒 的双重作用 它一方面为周围附近区域提供润滑油 另一方面又能大大降低磨粒磨 损 5 激光表面造型属非接触式加工 不像机械加工会发生挤压 耕犁现象 从而 在金属表面不产生所谓的 金属疤皮 6 虽然激光表面造型在工件表面留下了纵 横交错的网格状油路 但就宏观效果而言 并不影响其支承面积 在摩擦过程中润滑效果和润滑油量密切相关 油膜分子覆盖在固体表面可以使 界面的自由能减小 密封端面的微孔如图2所示 当润滑油量很少达到图中的A时 首先在整个表面形成单分子吸附层使表面能达到最低 随着油量增加润滑膜的厚度 增加到充满粗糙峰谷 B C之间 这时的摩擦只发生在峰顶 润滑区域处于流体润滑 状态 润滑油量对摩擦因数的数值影响不大 对于表面微孔化的试样 每一个微孔 之中都预先存储了一定的油量 当表面粗糙峰顶的油膜发生破裂 峰谷的油依靠自 由能减少的趋势可以自动补充至峰顶 而光滑表面不存在这种规则的储油结构 随 着载荷的增加 润滑膜一旦破裂很容易失效 表面微孔的存在对润滑过程起到了补 充供油的作用 使流体润滑区域得以延长 但是当润滑油量只能达到峰谷A或是更 少时 这时润滑油很难发生流动 峰顶的油膜破坏后得不到补充 最终产生干摩擦 当摩擦副之间发生相对旋转时 盘表面的微孔周围形成收敛的流体润滑膜 每一个 孔都像一个微动力滑动轴承 在孔的周围和上方产生流体动压力 当载荷增加时 表面微孔可以作为存储器为接触面供油 同时可以捕捉摩擦过程中的磨损粒子 减少 犁沟起到减磨的作用 但微孔的存在也有不利的一面 当尺寸超出一定范围 表面 粗糙度的增加产生的负作用超出了微孔的减磨作用 反而磨损增大 因此 必须根 据实际摩擦工况和润滑要求 以润滑理论研究为基础 预先模拟 计算出表面微结构 的几何形状 深度 分布等参数的最佳值 以获得稳定的润滑状态 所以随着载荷 和速度的增大 微孔结构摩擦副和光滑摩擦副的摩擦因数都呈先减小后增大的趋势 但与光滑摩擦副相比 多孔端面密封可以将最大pv提高215倍 激光微孔技术是一 种增加润滑膜的使用寿命 减小磨损的有效方法 微孔作为润滑剂存储器在摩擦过 程中持续给接触面间供油 同时可以捕捉摩擦面间的磨损粒子 减少犁沟的形成 如图 2 润滑油量在 A 时 在整个表面形成单分子吸附层使表面能达到最低 随着油量增加润滑膜的厚度增加到充满粗糙峰谷 B C 之间 这时的摩擦只发生在 峰顶 润滑区域处于流体润滑状态 图 2 油膜分析图 2 4 小结小结 本章介绍了激光表面处理 特别是微造型技术概况进行了综述 并介绍了激光处 理技术的特点和分类 同时对激光加工机理作了说明 最后重点对激光处理材料后 其表面特性变化作了阐述 通过以上调查 分析与研究 制定本文研究方法和内容 研究滑动平面副的摩擦学特性 分析激光微造型后其摩擦磨损特性变化 制定一套 可行的实验方案 并利用合适的激光加工等设备 研究激光表面造型 激光珩磨 及其加工工艺来提高摩擦磨损性能特性 并在摩擦磨损试验机上做出实验证明 具 体试验方法 过程与结果在第三章和第四章给出 3 激光表面处理实验的器材与方法激光表面处理实验的器材与方法 3 1 实验器材实验器材 本实验采用的主要设备为华中科技大学激光研究所制造的 HGL LSY50 系列激 光打标机和我校机械实验室的万能摩擦磨损实验机 3 1 1 HGL LSY50 系列激光打标机 该系列机包括 HGL LSY50F 激光打标机 进口高速振镜头 和 HGL 50 激光 打标机 国产高速振镜头 振镜激光打标技术是上世纪末激光打标领域的一次突 破性变革 与绘图仪技术 转镜技术相比 振镜技术具有打标速度更快 精度更高 的特点 HGL LSY50F 激光打标机具有重复精度高 定位精度高 标记速度快 标记范 围大等优点 而且具有高可靠性 易于维护 操作简便等独特优势 可以用语电子 通讯 包装等行业大批量生产企业的在线打标 HGL LSY50F 激光打标机主要包括以下组件 1 进口高速振镜头 2 进口 D A 控制卡 3 进口 WINMARK 软件 4 YAG 激光器及 IGBT 恒流电源 5 声光 Q 开关及高功率驱动电源 6 PC 兼容电脑一台 7 恒温冷水机组 选件 性能参数 主要技术参数 激光介质 Nd YAG 波长 1064nm 声光调制频率 20 KHZ 功率 60W 供电 3 3KVA 标记速度 2000 3000mm s 约 200 个字符 s 标记深度 0 01 0 2 mm s 标记范围 70 70mm 110 110mm 外形体积 1500 720 1100mm 重量 120kg 其工作原理简图如图 3 所示 图 2图 3 图 3 激光打标机工作原理 3 1 2 万能摩擦磨损实验机 万能摩擦磨损试验机使由主轴驱动系统 各种摩擦副专用夹具 油盒与加热器 摩擦力矩测定系统摩擦副下副升降系统 弹簧式微机施力系统 操作系统 以及试 验机减震垫鉄等部分组成 它们都安装在以焊接机座为主体的机架中 机座的右上 部右工作台面和拉板滑道 工作时将工作台面拉出 置放台式双笔 250MM 精度快 速记录仪 通过摩擦力矩传感器和两组铂热电阻 可自动记录实验过程 摩擦力矩 时间和温度 时间曲线 该记录精度可达 0 25 灵敏度 5mv cm 记录笔数 1000mm s 记录仪采用折叠式记录纸 走纸速度 12 档 有 19 量程和 14 量程供测 定摩擦力矩和温度选用 机座的右上方是试验机面板操作系统 左上方是主轴驱动系统和油盒 摩擦副 各种一次传感器等 机座的 左下部是试验机弹簧式立系统和微机自动加荷系统 右下部是工具箱 试验机的吊装工具就放在其内 机座的前后及左侧有门 打开时 能清楚看到内部机构 以便进行调试检修 其使用步骤为 1 试验机的安装应在设有稳定电源和具有良好排风条件的实验室内进行 其外接电源为单向 220 伏 50Hz 交流电源 该试验机的主轴不可逆转 既从上到 下看主轴为顺时针旋转 2 实验机应可靠接地 目测检查各电器单元完整良好 接线无松动 脱落 即可接通电源 3 按下电源启动开关 试验机各测控显示单元的显示器均为应显亮 预热 15 分钟后 调整试验力 摩擦力矩测控显示单元零点 4 按下主轴 启动 键 调节 调速 旋钮 使主轴低速空运转 检查主 轴旋转和转向是否正确 5 当试验机的报警显示单元有报警信号出现时 试验机的主轴不能启动 此时应按下相应测控显示单元的 复位 或 清零 按键 解除报警状态后 主轴 才能启动 6 试验力单元的操作 7 摩擦力矩单元的操作 8 主轴无级变速系统的操作 9 试验转数单元的操作 10 时间单元的操作 11 温度控制单元的操作 12 摩擦力矩与时间对双笔记录系统的操作 此次实验试块装夹在试块座内 试块座通过其刃口置于载荷杠杆之上 载荷杠 杆亦通过其刃口置于摩擦杠杆之上 试块座 载荷杠杆 摩擦杠杆及机体保持浮动 接触 通过调整三者之间的位置使摩擦杠杆上的水平器气泡在正中间位置 以保证 试环与试块的均匀线接触 在载荷杠杆右端施加载荷 载荷大小由传感器测得 环 块之间的摩擦力大小由摩擦杠杆右端相连的传感器采集 记录摩擦力矩 然后用公 式 u 755T P 求出相应摩擦系数 3 1 3 表面加工质量的检测与分析仪器 采用普通光学显微镜观察其标记形貌 测量标记图片 观察其外形结构 并在 数码相机下进行拍摄 采用 JSM 35C 扫描电镜观察其形貌 3 2 实验材料及试样实验材料及试样 本实验用球墨铸铁 牌号为 QT600 平均粗糙度为 Ra 0 01 0 02 球墨铸铁 试样材料成分为 C 3 0 Si 1 89 Mn 1 02 P 0 104 S 0 14 试样选用万能摩擦磨损实验机专用摩擦组套 大约 10 套 其尺寸为摩擦环为 28cm 被摩擦垫为 32cm 如图 4 图 4 试样零件图 3 3 实验方案及步骤实验方案及步骤 3 3 1 实验方案 1 图案 我做了三种图案 圆 菱形和网格 圆与菱形做三对 分别是表面分 布率是 5 10 和 15 圆的直径是 100um 菱形的边长是 50um 以锐角是 60 度 图 5 菱形部分试样 网格的标准是 1 激光珩磨轨迹呈网状交叉形状 油路通过交汇点而相互连接沟通 2 相邻的油路沟槽之间布置 3 12 条纹路 3 油路之间的夹角 为 20 70 4 油槽宽度一般为 10 70 m 深度为 5 15 m 5 油槽之间的间距 R 一般设置为 0 1 1 mm 6 在油路上设置一系列均匀排列的凹腔 相邻凹腔之间的间距为 0 1 1 mm 凹腔直径大小为 30 100 m 其深度为 25 50 m 7 油路沟槽与纹路的深度之比一般为 10 1 1 5 1 宽度之比为 20 1 2 11 我设计网格是间距为 50um 夹角 60 度 如下图 6 图 6 网格设计图 图 6 网格图案 2 分布率公式 采用 Nd YAG 固体激光器 波长 1060nm 频率为 3KHz 电 流为 12A 通过改变凹坑直径大小和间距来得到不同疏密度的表面形貌 改变激光 功率的大小来控制坑深 其疏密度用凹坑面积比率值来衡量 2 2 4 d r l 式中 r 凹坑面积比率值 d 凹坑直径 l 凹坑之间间距 3 3 2 实验步骤 1 激光加工 1 在电脑上用 AUTOCAD2006 绘制出图案 再存盘为 Auto R14 文件类型 格式为 dwg 的 cad 图 其大小不超过 5M 将图案输入打标机的电脑保存 2 熟悉 HGL LSY50F 激光打标机的使用并调整其焦距找到最合适的焦点 3 把预先准备好的摩擦组环套的摩擦垫部分放在调好的焦距下面对其进 行激光加工 4 对式样进行打标 主要的三个参数为 声光频率 3kz 电流强度 12A 打标速度 10mm s 5 激光加工出试样 2 摩擦磨损实验 1 先将试样摩擦环用汽油洗净 吹干 称重 2 在试样摩擦表面涂润滑油 上摩擦机 在转速相同 实验力不同下做摩 擦磨损实验 3 摩擦后 取出摩擦环 用汽油洗净润滑油 吹干 称重 3 用数码相机拍摄照片 4 实验结果分析实验结果分析 4 1 圆与菱形不同分布率的影响圆与菱形不同分布率的影响 菱形和圆的表面发布率是 5 10 15 实验数据如下 表 4 1 菱形和圆型微造型摩擦磨损试验表 100 N 150 N 200 N 250 N 300 N 350 N 磨前重 G 磨后重 G 磨损 量 MG 圆16024032040048056037 746937 7442275 菱形18026034043050058035 695735 692235 圆14023029036043051036 587436 5867710 菱形16024031041048053037 056037 05519 圆17026033042049054035 486735 48333415 菱形19025032040047052036 380236 376438 由公式 u 755T P 计算出摩擦系数 T 外加载荷 单位 N P 摩擦力矩 单位 N mm 绘制曲线图如下 实 验 力 摩 擦 力 矩 规 格 图 7 菱形的三种分布率的摩擦系数对比图 a 曲线是 5 的菱形 b 曲线是 10 的菱形 c 曲线是 15 的菱形 图 8 圆的三种分布率的摩擦系数对比图 a 曲线是 5 的圆 b 曲线是 10 的圆 c 曲线是 15 的圆 从图 7 图 8 上可以看出 随着载荷的增加摩擦系数都在减小 但这些试样 摩 擦系数由一个增加到减小的过程 符合试验要求 在开始研磨时材料由于表面有划 痕和激光加工硬化没进行抛光处理 所以摩擦系数比较大 但随着时间的推移 表 面越来越光滑 所以摩擦系数减小 而面积占有率为 10 左右的圆和菱形 其摩擦 系数是最小的 说明表面分布率在 10 左右的表面激光造型对减小摩擦最有利 而 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 磨损量也是在面积占有率为 10 最小 所以对球墨铸铁来说面积占有率在 10 左 右是最佳的表面分布率的参数 观察发现 上两图中 紫线和黄线都交叉 黄线在大力矩下 下降的较快 黄 线是面积占有率是 15 的试件 由此发现 较大的表面造型分布率在较大力矩时有 更好的减磨性 但实验条件有限 这方面没继续研究下去 再对磨损量的分析发现 在三组中圆的磨损量都比菱形的小 就是说 圆形图 案比菱形图案更有减磨性 现分析其机理 菱形有锐角和钝角 在加润滑油后加力 摩擦在菱形沟槽里的润滑油在产生油膜时 受到角的刮破 使产生的油膜不是很完 整 而圆没有角 不妨碍油膜压力的冲击 所以产生的油膜完整 有利于减小摩擦 现在分析圆和菱形激光加工后 在摩擦实验前后的照片比较 1 圆 此图为材料表面造型图样为圆时加工出来的式样 由于激光加工使材料表面出 现硬化所以以圆为中心的周围出现熔覆现象 把式样放在万能摩擦磨损实验机上研 磨 发现有磨痕拉线现象 凹坑有储油功能 但凹坑存在也有不利的一面 比较密 集的凹坑的存在会使表面粗糙度增加 增加了表面接触压力 所以要求适合的加工 图案密度率才能很有效的起到储油润滑的效果 见下图9 图 9 放大 130 倍 2 菱形 菱形图案也有储油润滑的效果但比较于圆形还是有区别的 但就其表面研磨现 象来看是大同小意的 同样有拉伸划痕现象 菱形因其形状的关系没有圆形那么好 的储油 由于它有四个小交点 不像圆那种封闭连贯的外形 使的在局部加工周围 的毛刺比较大 所以相应的划痕拉伸也比较明显 见下图10 图 10 放大 130 倍 4 2 不同间距的网格不同间距的网格 我做了其间距分别为 30 50 70um 的网格的图案 加润滑油做摩擦磨损实验 得出如下数据 表 4 2 网格微造型摩擦磨损试验表 100 N 150 N 200 N 250 N 300 N 350 N 磨前重 G 磨后重 G 磨损 量 MG 网格 30um16025032042053059037