提高机械零件的摩擦学性能的激光表面纹理

提高机械零件的摩擦学性能的激光表面纹理以色列机械工程系改进承载能力、耐磨损、摩擦系数等具有重大意义。机械部件表面上以微坑的形式形成形成规则的微表面结构造成表面摩擦。从理论上和实验上进行了一项可行性研究即使用激光微造型(LST)工艺生产微坑每个微小凹坑在全部或混合润滑的情况下可以作为微流体动力，在润滑剂的润滑状态条件的情况下或作为一个小型油藏孔。目前已经建立了理论模型，并在实验室试验中探讨了LST的潜力在机械密封摩擦元件、活塞环和推力轴承。整个实验室测试中，与原丝组件相比，带微小凹坑的构件大大减少了摩擦。关键词：激光微造型，机械密封、活塞环、推力轴承。改变表面纹理作为提高机械零件的摩擦学性能的一个手段已经众所周知。也许最熟悉的和最早的表面纹理是在缸套珩磨中的应用［12］。今天，现代磁存储设备的表面通常是纹理，当然表面纹理也被认为是克服在MEMS器件的粘附及迟滞的一个手段。在各种形式的表面纹理的摩擦学应用的基础研究工作已经全世界进行，最近的例子可以在参考文献中找到。各种纹理技术被用于一些研究包括电子束纹理，蚀刻技术和激光毛化。有趣的是，所有这些基本工程的实验，他们大部分都是出于这个原理：表面纹理提供微型容器，以加强储油。通常，纹理尺寸的优化是通过尝试和确定误差的方法。汉密尔顿等1966年［14］中提出的表面纹理作为磁流体动力轴承的微粗糙的形式。这个想法主要是促进平行滑动，如在机械密封件［1516］中应用。1996年，Etsion和伯斯坦提出了用常规微表面结构模型［17］形成机械密封。显示在联接密封件中的其中一个表面均匀分布的半球形微坑时密封性能大大改善。随即由激光加工多孔端面密封环实验的研究［18］，通过测试球形容器中的油表明，球形酒窝形状可以优化，最优酒窝深度和韧窝直径比存在最大化。气膜刚度和PV因素由连接副扣押以后决定。从上面的讨论可以看出各种形式的表面纹理可以用于增强摩擦的性能。然而，在所有实用的微表面图案化方法中，激光微造型似乎提供最有前途的概念。这是因为激光是速度极快，清洁环境，并提供优良的形状和大小的微坑控制，它允许实现优化设计。事实上，LST正在开始获得越来越多的关注，在摩擦学的学术界中出现越来越多的关于这一问题的出版物。自1996年以来，LST的使用主要在机械密封积累了丰富的经验。本文的目的是报告对这一进展以及目前正在进行的研究和发展工作，同时为发展其他实际机械组件，如活塞环和推力轴承等。Figure1.LSTRegularmicro-surfacestnictureintheformofmicro-dimples.2.LST机械密封早期关于LST机械密封简单的模型［17］和实验［18］进行了更深入的理论和实验研究。三个维度，它表征LST（见图1）是小坑直径、深度和面积，密度。在图1中所示的示例的酒窝直径约为100微米，他们的深度是10微米，区域密度约为20%。在这里需要指出的是，凸起形成凹坑边沿各地存在激光毛化过程中，必须清除这些凸起进行最后研磨。参考文献19中。发现对最佳性能最重要的参数是凹坑深度和直径的比值。建模是基于对动水压力分布求解雷诺方程，探索在各种工况下密封坝的平均压力。图2显示了一个示例平均压力的行为与密封的间隙水中4000与28毫米直径密封。图2给出了28毫米直径密封的平均压力与密封间隙在水中以4000转每分钟的条件下的关系。

0.3—TheoreticalV.•Experimental\\••50.10.0550234Clearance(gm)Figure2.Comparisonoftheoretical0.3—TheoreticalV.•Experimental\\••50.10.0550234Clearance(gm)在小于1微米的间隙中观察到一层高刚度流体膜，这与理论和实验相吻合。主要密封制造商之一在3600转每分钟的实际密封在水下的进一步测试［20］显示大幅减少摩擦力矩（见图3），因此，面对温度和能耗。如图3所示，减少了高达65的摩擦力矩，得到了在低负载范围内的实验结果。在较高的密封压力相应较高的单位负荷，LST的影响正在逐渐减少。为了克服在高压力下表现不佳，制定了特殊处理，提高了静水压作用在高压密封件［21】，这种处理由应用高密度LST在一个密封坝毗邻高压侧的部分和剩余质地不平的部分。图4展示了完整LST和部分LST治疗之间的区别。图5显示了得到的非常简单的不平衡密封的结果，被制造商规定最大工作压力为12巴。与非纹理密封相比，部分LST密封产生实质性的降低摩擦扭矩。在一个密封的5巴的压力减少摩擦是在50%以上。随着密封压力增大，这两条线发散，表明在高压力下对静压有更大的影响。与非多孔端面密封试验了在12巴由于太高的摩擦而终止扭矩读数为5毫微米，表明严重面接触的开始。在12巴的纹理密封的摩擦转矩力臂相对应的是只有0.16纳米，因此，减少在90以上的摩擦。纹理密封可以很容易地在试验台操作到23巴限制，在这相对较高的压力摩擦扭矩力臂只有0.5纳米，是与原丝密封低于11巴获得的一个值。因此，从以上观点来看纹理密封保持相同的摩擦转矩的的压力能力远远大于非纹理部分。在另一项研究［22］表明，全部和部分LST密封件微表面纹理对碳纤维机械密封端面最小开机扭矩和水泡形成具有潜在积极作用的。LST的优势并非仅限于液体润滑，而且干气密封也可以借鉴LST［23］。主要的区别是最佳的凹坑直径与深度的比值，不同之处是气体的最佳值小于液体的最佳值。干气密封的应用中的LST的好处如图6所示。在这里，在12,000的转速的条件下进行了试验随着的单位负载的增加比较LST密封件与非纹理的基准线密封摩擦力矩。可以看出，LST转子相对于基线平均摩擦扭矩在17.24kPa单位负荷以下低0.010-0.015毫微米。这些差异表示最低的单位负载的3.45kpa的条件下约40%摩擦力的减少和在13.79kpa单位负荷的条件下减少了约15%的摩擦。一个有趣的发现是在一篇报道，是从德语翻译［24］的关于纹理只有利于有一个或两个相对的密封表面。如图4所示的论文表示表面的纹理摩擦减少40%相比与标准标准无纹理的表面。在另一方面相对的两个纹理表面的摩擦增加100%，相比标准无摩擦的表面情况。最近，以色列的最大的石油化工公司之一通过比较泵送碳氢化合物液体的相同泵性能来评估LST的好处，即一个装有LST处理密封，和另一个标准的非LST的密封件。LST处理密封机构操作超过10,000h在为期38个月直到因为o型圈失败的而被替换。在同一时间，未经处理的密封更换了四次。LST密封的硬质合金密封环的磨损率只是每10,000h磨损1微米。.LST处理能增加密封构建三倍的寿命。Figure4.Twosealringfacesshowingpartial(ondieright)andfull(ondieleft)facelasertexturing.Thetwosamplesshownherehavelhesamefacewidth.3.在活塞环和推力轴承的LSTLST应用于活塞环的潜在好处（见图7）在理论上［25］和实验上在实验室测试中得到证明［26］。优化纹参数充分的LST充分的润滑柱塞环发现［25］最小摩擦力减少了约30%，相比非纹理在充分的润滑条件下的柱塞环。发现与实验结果吻合较好。此外，结果表明，优化LST凹坑是有益的在使凹坑成为润滑剂的微型油槽的情况下。图8给出了充分的LST处理应用到模拟活塞环的样本实验结果［26］，在条件变化时即从缺少润滑到充分润滑状态通过控制润滑油流量的过程中实现滑动接触。这是在滴油润滑的过程中改变滴油的时间来实现的。结果显示LST能在不足润滑和完全润滑的条件下实现减少摩擦。对LST中动压推力轴承的分析发现［27］在最简单形式即两个平行滑动的圆有对LST的应用的潜力。这些简单的轴承通常发现在磁传动缺少密封的泵中，工艺流体作为水泵轴承的润滑剂。结果表明，部分LST可以大大提高这些简单的轴承的承载能力，使他们能与更先进的锥度或跨步滑块相媲美。具有部分LST的构件承载能力的概念由图9所示。滑块的纹理的部分比非纹理部分提供种更大的有效间隙，因此，该滑块充当一个阶梯的滑块。图10是一个用于测试这个概念的一个平行的推力轴承的照片。转子和定子磁盘是碳化硅制成，有一个40毫米内径和85毫米的外径。定子被分成六个部分每个部分都有纹理的部分在照片中以哑光表面出现。图11所示在3000和1500rpm的水这两个标准的非纹理轴承和局部LST轴承的测试结果。可以看出，整个测试的负载范围内纹理的轴承比非纹理的轴承游隙大约大三倍。

/.5bI.EiSitrrt；iiJtffr&viriginnotogieatpTexturedFrictionSurfaceFullTexturedPistonPartiallyTexturedPistonRingSegmenlRingSegmentFigure7.SchematicoffullandpartialLSTpistonringsegments.KimebetweenSuccessivel>rops»secFigure8.Effectofoilstaxationondieaveragefrictionforceat900rpmforvariousdimpledepths,hv.[26].4.结论近年来出现了激光表面处理技术作为提高机械部件摩擦学性能的可行手段。大量的基本研究工作仍将在世界范围内的探讨LST下各种操作条件下的好处。在同一时间，LST已应用于机械密封方面有了伟大的成功。实验室和现场试验表明，LST可以大量减少摩擦和增加三倍密封寿结构的命。这一成功是归因于LST的理论建模在充满流体膜条件允许优化LST参数。这种建模已被到目前为止对活塞环和推力轴承有很好的效果，实验室测和机械部件的应用结果有很好的一致性。未来几年的持续努力，预计许多更多的机械组件在摩擦学应用中可能会受益于LST。bearingperfonnai