激光表面微造型技术.doc

广东省教育部产学研结合项目（2008B090500081）发动机气缸套的激光表面微造型技术研究与工艺装备的开发工作总结报告江门市硕普科技开发有限公司五邑大学江苏大学广东工业大学2011年11月28日一、项目实施工作总结（项目实施总体情况描述，包括单位的基本概况、项目组织实施的管理机构、组织实施过程、项目中期进展汇报情况以及项目实施前后情况对比等。）本产学研结合项目（2008B090500081）“发动机气缸套的激光表面微造型技术研究与工艺装备的开发”由江门市硕普科技开发有限公司、五邑大学、江苏大学和广东工业大学共同承担完成。项目旨在研究激光微造型技术及其在发动机关键零部件上的应用，探索激光微造型加工的最佳工艺参数、微造型技术的减摩抗磨机理、微造型参数的精准调控装备等等。通过项目的研究，形成具有自主知识产权的工艺装备，建立培养激光微造型技术高级专门人才的培养基地。项目实施以来，基本达到了上述目的，获得了一批具有自己特色的成果。本项目由江门市硕普科技开发有限公司牵头组织实施。江门市硕普科技开发有限公司为外向型的股份制企业，主要从事高档越野摩托车的设计、制造和销售，另外还涉及发动机及零部件先进技术的研究开发。公司现有职工总数110人，技术人员30人，公司产品100%出口欧美，年产值折合人民币约4353万。硕普科技开发有限公司属江门市民营高科技企业，非常注重产学研合作，长期与地处江门市的五邑大学进行科研合作，先后攻克了多项摩托车领域的技术难题，开发的SP125-1越野摩托车于2007年获得江门市科学技术奖一等奖和广东省科学技术奖二等奖。公司设有“江门市工程技术研发中心”、“广东省知识产权示范单位”、“五邑大学产学研基地”和“五邑大学研究生工作站”等。五邑大学作为参与单位，主要依托学校的“摩托车研究院”以及江门市设立在校内的“江门市特种摩托车工程技术研发中心”。其中摩托车研究院由五邑大学与江门市硕普科技开发有限公司、国家摩托车及配件质量监督检验中心等多个单位共同组建，成立摩托车研究院的目的和宗旨是，充分利用各种资源，服务江门市摩托车产业集群，全面开展摩托车共性技术研究、产品研发、评价和人员培训，加速自主创新成果转化，推进企业技术升级和产品更新换代。摩托车研究院拥有各种仪器设备和各种大型工程分析软件，成立以来先后承担了国家、省部级等项目20余项，横向课题60余项，获部省级科技成果奖3项，申请或批准专利30余项，发表论文100余篇，其中被三大索引收录多篇。江苏大学是我国最早开展激光技术研究的高等院校之一，该校的机械工程学院拥有机械工程一级学科博士学位授权点和博士后流动站，现有教职工100余人，拥有激光技术研究所、精密与超精密加工技术研究所等12个研究所（中心），拥有省级重点学科机械设计及理论和机械制造及其自动化学科，拥有“江苏省光子制造科学与技术重点实验室”。近年来，先后承担国家863 项目、省部级项目100余项，横向课题200余项，获部省级科技成果奖17项，通过省科技成果鉴定40余项，获省部级科技成果奖30多项。出版学术专著、教材43部；发表论文1200 余篇，其中被SCI、EI、ISTP收录近百篇。广东工业大学是我省一所综合性大学，该校的机电工程学院拥有一支高素质的师资队伍，具有副高以上职称的教师比例达56.6%。机电工程学院在特种加工技术领域颇有建树，现拥有机械工程博士后流动站、机械工程一级学科博士点。另外学院还拥有机械工程省级重点一级学科，计算机集成制造省级重点实验室和2个省教育厅重点实验室（现代产品设计与制造实验室、先进设计技术实验室），机械设计制造及其自动化和工业工程专业为广东省名牌专业。为了较好地完成本项目，各承担单位协商成立了专门的项目组织实施管理机构，制定规章、指定专人负责、专款专用，做到组织落实、人员落实和经费落实。考虑到项目的性质，做了适当的分工：江门市硕普科技开发有限公司作为总负责单位，负责协调各方，其任务为筹措补充经费、加工激光机的各种机架、采购控制系统、添置附件和易耗品、加工试件并负责试件的台架试验和装车路试；五邑大学负责激光设备的安装调试、实验室建设(激光设备及研究室设在五邑大学校内的摩托车研究院）、研究生培养及高级人才培训；江苏大学负责激光设备及核心部件的选型、配合五邑大学进行软件系统开发和调试、并升级和改造江苏大学内的激光微造型设备、加工部分样品试件、同时利用其博士点培养指导激光技术的博士生和硕士生；广东工业大学负责配合协作五邑大学完成激光微造型设备的系统调试、参数选配等。项目组织实施过程总体而言尚算顺利，省科技厅经费到位后，由江门市硕普科技开发有限公司组织各单位召开了多次专门会议，研究部署具体操作细节。会议决定激光微造型设备设立专门的实验室，并交由五邑大学筹建专门实验室；江苏大学利用其先前积累的经验，进行激光设备的选型并指导五邑大学进行硬件和软件设计。2008年-2009年，项目组先后三次在江苏大学召开会议并进行技术研讨，与此同时五邑大学派出硕士研究生到江苏大学学习专门知识。2008年-2011年，组织人员多次参加国内有关学术会议和国内相关设备展。项目的大致进程为：2008年完成设备选型，包括方案设计、样机功能定位、基本参数选配及关键设备的制式等；2009年进行专用实验室建设（在五邑大学内）、同时与供应商接洽购买设备，设计并制造专用台架，改造并升级江苏大学原有的初级激光设备、利用江苏大学激光机进行初步工艺参数调试、试打部分微造型样品；2010年完成专用实验室的建设工作、初步完成激光设备的安装、并完成软件初步设计；2010年至2011年，进行激光微造型工艺参数的研究。在项目实施的中期，也遇到了一些问题，主要是资金比较短缺，后由江门市硕普科技开发有限公司积极筹措终于度过资金难关，顺利完成了实验室建设和激光设备的安装调试，并能进入正常运行。本项目实施后，对参与企业、学校以及参与人员带来了巨大的和积极的变化：首先，对于江门市硕普科技开发有限公司来说，通过本项目的立项研究，已完全了解并掌握了激光加工设备的工艺及关键技术，公司也因此从传统的技术企业升格为掌握先进制造技术的高新技术企业，为公司的转型升级奠定了良好的基础；另外公司还培养了一批具有创新精神、协作精神和艰苦奋斗精神的科研骨干，为公司的未来发展拓展了巨大的空间和可能；以此为契机和平台，公司先后与北京航天航空大学、清华大学等国内一些知名学校院所进行富有成效的合作，先后承接了若干国家级项目的孵化和转化，如公司2009年成功立项广东省教育部产学研结合项目“新型高性能碳基制动材料产业化关键技术研究”（立项经费30万）、省经贸局“集成一体式液压无级变速摩托车发动机研发”（立项经费50万）、省科技攻关项目“全地形车关键技术的研发及先进工艺的开发”（立项经费10万），2010年广东省教育部产学研结合项目“新型变速结构摩托车发动机的研发”（立项经费40万）等；特别是由于公司由以前的劳动密集型、资金密集型的模式成功转变为依靠知识、依靠技术打天下的发展模式，不仅使公司成功度过金融危机，而且在金融危机期间还有所发展壮大。其次，对于地方院校五邑大学来说，本项目的实施给其带来的变化可以用惊人来形容，建立了激光技术实验室使其研究设备和研究手段有了质的飞跃，学科建设有了坚实的发展基础，并获得一批对学科乃至学校来说都是具有里程碑意义的成果：作为重要支撑硬件之一，2009年使学校成功立项广东省科技厅重大科技专项项目“广东省摩托车产业技术路线图研究及编制”（立项经费50万元）、2010年使学校成功立项为“广东省教育厅摩托车先进设计与制造工程技术中心”（立项经费90万元）、2010年与成都飞机工业（集团）有限公司签约项目“高强度钢激光冲击强化技术研究”（合同经费30万元）、2011年获广东省自然科学基金“精密滚珠丝杠副动力学性能的分析与实验研究”（项目经费3万元）；另外，在学科建设上也有重大突破，“机械工程”成为了五邑大学首批一级学科硕士点、并成为该校首批获批“高级职称评审委员会”资格的两个校内单位之一，2010年“江门市工业设计中心”成功落户机电工程学院也与摩托车研究院的影响和成果密不可分；本项目的立项促成的“激光技术实验室”已成为五邑大学培养高级技术人才的重要基地之一，一批青年教师和研究生也因此脱颖而出，如项目组核心人员康献民老师在项目的精密控制方面获得杰出成果，他本人在“中国机械工程”等重要学术刊物上发表了多篇学术论文，并以此为课题获得西安理工大学的博士学位、项目组的另一位青年教师吴勇华获得了西北工业大学的博士学位并成功主持成都飞机工业（集团）的激光强化某型军用飞机核心部件的项目；除此之外，五邑大学基于该项目平台还培养毕业了多名硕士研究生，如马俊同学完成了题为“发动机缸套激光微造型理论与加工工艺参数研究”的硕士学位论文、周盈同学完成了题为“激光微造型加工控制系统的研究与实现”的学位论文，另外还有若干在读研究生正在做与激光技术相关的研究。发生改变的还有江苏大学，作为我国最早开展激光技术研究的高校，江苏大学亦通过本项目的立项而受益，主要表现在成功立项了多项国家级项目，包括国家自然科学资金和863项目，使得学校继续在激光技术研究领域保持领头羊的地位；通过本项目的研究，还获取了一批具有完全自主知识产权的成果，比如成功申请或者获得国家知识产权局授权的发明专利“发动机气缸表面激光微加工装置及加工方法”（201110081322.X）、“一种基于激光冲击波技术的复杂表面强化的方法和装置”（200910213599.6）、“一种汽车发动机气缸套内壁网纹加工方法及装置”（201110054176.1）以及“组合式多波长激光多用加工机”（201010149922.0）等等；在理论研究上也取得重要成果，如项目核心人员符永宏教授指导的博士学位论文“基于流体动压润滑理论的活塞环表面激光微造型技术研究”、硕士学位论文“基于特殊激光微加工方法的设备研究和开发”，张永康教授指导的博士学位论文“激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究”，可以说在项目申报和培养博士和硕士研究生方面均受益匪浅。图1-图8分别为利用本次产学研项目契机和基金建立或改造的激光微造型技术实验室，其中五邑大学激光微造型实验室为全新建立。图1 五邑大学激光微造型设备实物照片之一图2 五邑大学激光微造型设备实物照片之二图3 五邑大学激光微造型设备实物照片之三图4 五邑大学激光微造型设备实物照片之四图5 激光机座落在五邑大学摩托车研究院图6 江苏大学激光机微造型设备实物照片图7 江苏大学激光机正在对气缸套进行微造型加工图8 江苏大学激光微造型实验室照片（局部）二、项目研究开发总结（包括实施的方法、技术路线、攻克的关键技术以及项目技术攻关过程的总结）本项目实施的方法是虚实结合的研究方法，即采用理论研究、试验研究和计算机模拟相结合的研究方法。首先通过理论研究，分析研究对象的工作环境和运行状态，接着从摩擦学设计角度入手，通过表面形貌的摩擦学设计，根据气缸/活塞环的摩擦副的工作特性、活塞的运动学、动力学特性及发动机的各种工况，探索气缸套微造型的布局、形貌和分布密度的最佳形式；接着再研究激光与金属材料相互作用的机理，建立脉冲激光材料去除及材料相变的数学模型；深入探索具有激光微观造型特征的表面润滑磨损规律，建立该表面的润滑磨损理论模型，并在此基础上，分析计算微观形貌几何参数对润滑磨损性能的影响，从理论上获得最佳的造型网纹宽度、深度、分布及间距，并预先计算出与发动机性能相关的匹配情况。其次完善激光造型结构类型与激光参数间的数学模型，获得优化的激光参数及处理方式。再者通过制造实物试件进行试验研究，通过试验数据修正和优化数学模型，具体做法是将受试缸套分成两组，其中第一组作为对比组采用传统的机械珩磨处理，在台架上测试发动机的功率、扭矩、转速、排放物等性能参数，然后拆检气缸的磨损量；第二组为测试组，选定某种微造型工艺参数对气缸套进行微造型处理，其中处理采用四轴数控的激光系统进行激光造型，通过精珩磨去除激光加工所产生的毛刺，获得特别精细的平顶表面。通过600小时的台架试验，获得一系列的实验数据，如发动机的性能、缸套磨损量、活塞环磨损量、机油消耗量及颗粒或HC化合物排放量等，然后与对比组进行比照。需要指出的是，测试组的微造型工艺参数有多种方案，因此通过试验可以发现最佳效果的微造型工艺参数，并为修正理论模型提供可靠的依据。本项目的技术路线是：通过理论研究获得优化的气缸表面形貌确定激光表面微造型条件选择微造型表面形貌类型和分布规律加工处理试件并采用形貌仪记录原始数据装机试验测试发动机各种性能参数包括台架试验和道路试验检查受试后工件的最终形貌、磨损量等分析试验数据并反馈修正数学模型再制作优化后的缸套试件重复上述步骤直至获得最优参数建立实验数据库最后分析评价微造型工艺参数对发动机油耗、功率、排放、磨损量等的影响程度或效果。本项目攻克的关键技术问题是：如何精准调控激光微造型的具体形貌，包括激光束烧坑时的重复度精准控制，因为为了减少激光热量对气缸套的过度影响，常常需要对同一个坑点实施多次的、错时式和循环式烧坑处理，此时当气缸套回转一周后能否准确地按需重复打击某指定区域非常关键，这需要激光装置的调控必须做到非常精准，这个问题涉及软件编程和硬件机构精准控制，由于在对试件实施激光表面微造型过程中，不允许激光头、工作台及回转轴停顿，甚至不允许速度不均匀变化，否则就会出现过烧现象，这是过程控制的关键问题之一，必须通过数控系统确保激光微造型结构能灵活地适应不同的工作条件；激光微造型最佳形貌确定及其与激光参数的选取和匹配问题，缸套的微观形貌几何参数（深度、直径、间距、形状等）直接决定了润滑磨损性能，而气缸工作表面不同的激光造型所需的形貌参数（如交叉油路之间的夹角、油路宽度 及深度、不同部位油路之间的间隔、沿油路每间隔一定距离d 设置直径为D 及深度为 的油腔等）又与激光工作参数（激光功率P、扫描速度V、光斑直径D、激光束模式等）之间具有复杂的关系，如何选择形貌如何匹配优化不仅需要理论分析，更需要大量的试验数据和工作经验作为支撑。本项目技术攻关过程总体上来说比较顺利，当然也走了一些弯路。顺利特别表现在课题组的参与者中有相当一部分为资深激光专家，如江苏大学张永康教授、符永宏教授和五邑大学王大承教授等，另外还有长期从事发动机研究的人员，因此对发动机缸套表面形貌的分析选型、对激光参数的匹配及优化、对激光装置的调控等比较驾轻就熟。但是，对于新装配在五邑大学摩托车研究院的一台激光装置则多费了些周折，因经费所限致使所选配件不全是最顶级的，加上研究生操作技能较生疏，结果出现了好几次烧电源等事故，延迟了研究进展。江苏大学方面进展最为顺利，按时烧制出合格的微造型气缸套，并送江苏常柴进行了相应试验，五邑大学这边则比较迟缓，刚刚烧制出合格的气缸套，送广西玉柴进行试验但至今未反馈回结果。本项目做了大量的理论分析研究，如江苏大学博士学位论文“激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究”、硕士学位论文“基于流体动压润滑理论的活塞环表面激光微造型技术研究”、五邑大学硕士学位论文“发动机缸套激光微造型理论与加工工艺参数研究”即是这方面的贡献。本项目还做了大量的激光控制装置的调控方面的研究，如硕士学位论文“激光微造型加工控制系统的研究与实现”、“基于特殊激光微加工方法的设备研究和开发”和“激光冲击强化控制系统的研究”、还有发表在中国机械工程期刊上的三篇论文“滚珠丝杠副转速对摩擦力矩波动影响的分析与测试”、“精密滚珠丝杠副摩擦力矩波动的分析与测试”和“精密丝杠副摩擦力矩波动及滚珠冲击的试验研究”均为这方面的工作。图9-图12为摘自马俊同学的硕士学位论文的部分计算图例，其中图12为五邑大学激光机在平面试件上试打的凹坑图样。图9 微造型凹坑半径对油膜的影响图10 微造型凹坑深度对油膜的影响图11 微造型凹坑分布对油膜压力的影响图12 激光机在平面试件上微造型凹坑图样（放大）江苏大学利用其激光机在常柴股份有限公司批量生产的4L88型车用增压柴油机上进行微造型，并在江苏常州柴油机厂进行过台架试验，其中表1是试验用柴油机主要参数，表2是所用测试仪器，表3是排放指标的比较，图13是发动机外特性比较，图14是其中一种激光微造型阵列图。表1 4L88柴油机主要技术参数项 目技 术 参 数型 号4L88型 式直喷、增压、水冷、四行程缸 数4缸径行程/mm95100排 量/ L2.83压 缩 比19:1标定功率/转速/kW/r/min65/3200最大扭矩/转速/N.m/ r/min227/2400气缸套型式干式润滑型式压力、飞溅复合式表2 测试用主要仪器设备序 号名 称型 号生产厂家1测功控制系统EIMO301杭州奕科机电技术有限公司2水涡流测功器WE 110杭州奕科机电技术有限公司3排放气体分析仪CEB200奥地利AVL公司4颗粒分析仪AVL 472奥地利AVL公司5漏气量仪AVL 442奥地利AVL公司6烟度计AVL 415奥地利AVL公司表3 激光缸套与原机比排放比较排放物单位方 案NOxCOHC颗粒（PM）g/kW.hg/kW.hg/kW.hg/kW.h原 机6.5551.3150.4260.159激光缸套方案6.5461.3180.3850.129变化量 / %0.14-0.239.6218.87表13 激光缸套与原机性能比较表14 激光缸套微造型凹坑阵列图不难发现，采用激光表面微造型技术加工的缸套，具有减小摩擦、减少机油消耗以及改善发动机颗粒和HC有害排放等方面的良好能力。其中显著改善的性能指标有：HC的平均比排放量减少约10%、颗粒减少约19%、燃油消耗率平均下降大约4%、平均漏气量减少大约20%，负面指标没有。项目组核心成员江苏大学的符永宏教授、张永康教授在CA6DF2-26型柴油机上的试验表明：激光微造型缸套与传统机械珩磨缸套相比较，机油油耗降低53%、漏气量降低近50%（见中国机械工程2007年12月第24期“内燃机缸套激光珩磨技术及其性能试验研究”）；另外课题组成员符永宏、王霄等在6110ZLQ增压中冷重型车用柴油机上亦做过试验，再次证实采用激光微造型缸套后，与比传统缸套相比发动机的机油消耗比降低了48.1% ,活塞漏气量下降了49.2%（见内燃机工程2008年第1期“激光微造型柴油机缸套的试验研究”）。此外课题组成员符永宏、王霄等做过激光微造型对缸套磨损量的影响试验（见润滑与密封2007年第5期），发现缸套磨损量减少100%以上，换言之缸套的寿命可提高一倍以上。三、产学研合作情况（包括产学研合作模式特别是产学研合作创新机制的详细叙述、产学研合作典型案例、高校（研究机构）人才引入情况、科技人才的培养、产学研合作中的经验教训等。）本项目是一个典型的产学研合作项目，它充分发挥了高校和企业的各自优势。比如高校在前沿技术方面比较敏锐、理论水平比较高、研究比较系统，而企业则在成果转化、资金筹措、产品制造等方面具有优势。两者的结合能够互补，是快出成果、出好成果以及成果转化快的行之有效的研究合作方式，可获得一加一大于二的效果。通过本项目的合作，我们认为减少磨合期的一个办法是，高校最好派出教师到企业担任实职，如担任其研究部门的负责人，这样能更加高效地运作产学研机构。另外，企业必须开明并耐得住寂寞，不幻想一天建成罗马。在经费使用上须有监督，但其使用方向应该由负责技术的人确定，企业不应干预太多。高等院校是产学研项目实施的一个受益方，通过立项增强了学校的硬件基础，提升了研究实力，并为培养青年教师和研究生搭建了一个高水平的平台。高校在项目的实施过程中逐渐走出象牙塔，学会了与企业与市场打交道，并为其科研选题拓宽了道路和视野，同时还了解了理论成果、实验室成果与社会需要的差距，使其辛苦研发的成果不再束之高台，理论联系实际进一步落实到实处。本次产学研项目合作也有一些经验教训，主要是企业与高校方面均不够抓得紧，企业忙于应付主业生产，而高校又过于按部就班，结果造成项目进行时间有点延迟，导致后面被动，这是一个比较普遍的现象，说明项目确有重申报轻实施的苗头，应引起各方的重视。四、项目的实施对企业的影响如前所述，本项目的实施对承担企业江门市硕普科技开发有限公司的影响是巨大的。首先是观念的改变，江门市硕普科技开发有限公司虽然从成立之初就比较重视技术研发，但从设计、制造和销售等方面还无法彻底摆脱传统的经营理念和发展路径，如依赖人力密集型和资金密集型的经营方式。本项目的立项使得公司管理层认识到了科学技术是第一生产力的道理，只有发展具有高技术含量的产品才能使企业壮大发展，实现永续经营的目标。其次，本项目的立项把企业引入了高新技术企业的门槛，企业为此培养了一批具有创新精神和掌握高技术的专门人才，并以此为契机结交了一大批实力雄厚的高等院校和科研院所，通过它们引入了若干项高新技术、工艺和产品，如前面提到的“新型高性能碳基制动材料产业化关键技术研究”就是与北京航天航空大学和清华大学合作的结果，现已经出能够生产出合格的样品并进入量产前的准备，又比如2010年立项的广东省教育部产学研结合项目“新型变速结构摩托车发动机的研发”及省经贸局立项的“集成一体式液压无级变速摩托车发动机研发”也是公司研发的又一高新技术成果，已经试制出合格样机，并在江门市气派摩托车集团（重庆力帆集团核心成员）和重庆宗申集团进行试用，效果良好，还有公司承担的省科技攻关项目“全地形车关键技术的研发及先进工艺的开发”等也已经初步完成并进入产品生产。毋庸置疑，上述技术的引入和开发与本项目的研究有着千丝万缕的联系，也可以这么说本项目的立项为其起到了抛砖引玉的作用，它使得公司的发展迈上了一个新台阶，极大地增强了企业的市场竞争力和抗风险能力，公司在金融危机中仍然发展以及公司能成功转型就是明证，目前公司已成为国内众多同业纷纷追仿的对象。五、项目研发成果的市场前景（包括国内外市场情况、潜在用户、风险预测、经济效益和社会作用等。）本项目的研究成果其应用前景是非常广泛的。由于采用激光微造型技术能够大幅度改善摩擦副的减摩抗磨性能，因此理论上对于使用有金属摩擦副的机器及装置均有积极作用，这对于节能减排以及延长机器的使用寿命意义重大，故本项目符合国家产业精神。本项目的潜在用户主要为发动机制造业以及依靠气缸进行工作的其他机械产品制造业如摩托车、汽车、拖拉机、铁路机车、农用运输车、船舶发动机和压缩机等，同时在相关的配件制造业（缸体及缸套）和维修市场中也有大量的需求。另外，这种新技术还适合于各种需要润滑减磨的所有摩擦副部件。换句话说本项目行业的覆盖面非常广泛，因此市场应用前景十分良好。本项目的风险主要有技术风险和市场风险两大部分。特别地就技术风险而言，由于激光微造型技术的巨大潜在利益，国内外一些相关企业巨头纷纷投入资金进行研发，如以制造珩磨机著名的德国格林公司，早在1998年就开展了激光技术在发动机方面的应用研究，基于保密原因，这些公司对其研发的技术讳莫如深，鲜有报道。从这个方面看，我们研发的技术不能落后于他们的研究，否则就会被边缘化。就市场风险来说，激光处理设备价格昂贵，技术含量高，维护使用要求严格，因此