圆凹坑-球凸复合织构激光铣削加工工艺研究

圆凹坑-球凸复合织构激光铣削加工工艺研究

表面织物结构是改善表面摩擦学特性的重要方法之一。常用的表面织构类型主要包括沟槽织构、圆凹坑织构、椭圆凹坑织构等，其中圆凹坑织构具有动压效应好、应力集中小、润滑油不易流失、各向摩擦学特性一致等优势，其应用更广泛最近，Gui等鉴于此，本文将球凸加到圆凹坑内形成一种圆凹坑-球凸复合的新型表面织构，利用球凸在圆凹坑内产生二次动压，进一步提升圆凹坑织构的摩擦学性能。相比圆凹坑织构，复合织构具有更复杂的三维结构，其加工存在一定难度。本文探讨了激光扫描路径、单脉冲能量和光斑间距对加工深度和表面形貌的影响，以优化激光铣削加工参数。加工了具有不同球凸高度的复合织构，与圆凹坑织构和光滑表面对比，分析球凸对圆凹坑织构摩擦磨损特性的影响。1圆凹洞-球凸复合织物结构及摩擦试验方法1.1次动压效应的增强圆凹坑可产生较大的流体动压力，收集磨粒，储存润滑油并防止流失，同时在相同织构面积下与接触面的应力集中最小。因此综合优势明显，适用于不同工况下摩擦副表面的减摩和抗磨。球凸织构同样具有较好的动压效应，在特定工况下甚至优于圆凹坑织构，但是存在应力集中和润滑油易流失的问题，特别是在润滑膜厚度较小时（冲击载荷或启停阶段）易导致磨损严重。若将球凸加入圆凹坑内，则可使球凸在圆凹坑内产生二次动压，进一步增强圆凹坑织构的摩擦学性能。因此，本文设计的圆凹坑-球凸复合织构截面轮廓如图1(a）所示，球凸的回转中心与圆凹坑相同。球凸底部直径96μm、圆凹坑直径200μm、深度20μm。球凸高度为研究变量，分别取0、10、15、20μm。将圆凹坑的截面形状设置为等腰梯形，以保证加入球凸后圆凹坑的深度不变。复合织构的分布如图1(b）所示，密度为10%，排布为正六边形。1.2织构盘和试验盘制备采用销-盘面接触试验研究球凸对圆凹坑织构摩擦学性能的影响。上试样为光滑销，材料为QT450-10球墨铸铁，尺寸准3.0mm×20.0mm，粗糙度Ra0.8μm；下试样为光滑或织构化盘，材料GCr15轴承钢，尺寸准35.0mm×6.6mm，粗糙度Ra0.05μm。织构盘激光加工后，使用4000目砂纸打磨去除凹坑边缘毛刺，在无水乙醇中超声清洗15min后迅速吹干，使用激光共聚焦显微镜测量织构深度和形貌。试验条件为摩擦半径10mm、载荷200N、转速200r/min、试验时间2h。试验开始前在试样盘上固定位置滴加50μL聚α烯烃（PAO6），试验开始后不再滴油。试验结束后，采用超景深显微镜观察试样盘的表面磨损形貌。2复合织构的加工采用纳秒激光逐层铣削方法加工圆凹坑-球凸复合织构。在激光铣削加工中保证加工形貌可预测的前提是单层烧蚀的深度均匀，但是由于光斑能量分布不均匀和材料重铸的原因，激光加工区域的材料去除一般是不均匀的。对于圆凹坑，可通过表征单个凹坑的平均深度或最大深度来降低形貌误差影响。对于复合织构，需要通过控制每层烧蚀材料去除的区域和深度来控制球凸的截面轮廓，若每层烧蚀的深度不均匀，则必然导致织构形貌难以控制，加工误差大。因此，需要研究激光扫描路径、单脉冲能量和光斑间距对织构深度和表面形貌的影响，获得实现均匀材料去除的铣削参数，以减小加工的复合织构实际形貌与设计的误差。2.1b路径下圆凹坑深度和厚度分布本节在单脉冲能量17μJ、光斑间距2μm、分层数28层的条件下，研究不同扫描路径对织构形貌的影响。图2表示不同的激光扫描路径。A是往复水平线扫描、B是往复垂直线扫描、C是变角度直线扫描（每层扫描完成进行下一层扫描时路径方向旋转45°）、D是由外到内的螺旋线扫描。不同扫描路径下的圆凹坑形貌如图3所示。可看出，A扫描路径下圆凹坑中间存在明显的方形凸起，在凸起的下方凹坑深度较浅，而凸起左右和上方凹坑深度较深，加工深度极不均匀。圆凹坑深度由下到上增加的原因是激光加工圆凹坑下方时，光斑边缘对圆凹坑上方待加工材料起预热作用，且越靠近上方区域预热次数越多，温度越高，导致加工深度越大。由于高温下材料飞溅和堆积严重，且圆凹坑上方的中间加工面积比两边大，因此出现中间方形凸起。B路径下形貌与A类似，进一步证明深度分布的差异是扫描方向不同导致的。C路径下底部形貌较A和B平坦，原因是在前后两层扫描中路径方向旋转45°，底部形貌变化也会随之旋转，多次旋转路径加工后形成的底部较平坦。D路径下深度分布呈“V”字形，这与螺旋线外侧光斑重叠率始终小于螺旋线内侧导致能量分布由边缘到中间逐渐增加有关。圆凹坑边缘由于重叠率较低，能量始终无法达到材料烧蚀阈值，因此实际直径比设计的小。为保证材料去除的均匀性，复合织构的加工应选用变角度直线扫描路径。2.2预热加工区域的影响本节在变角度直线扫描路径和28分层数下，研究激光单脉冲能量和光斑间距对深度和表面形貌的影响。在单脉冲能量10～40μJ，光斑间距在1～6μm时，圆凹坑深度的变化如图4所示。可看出，随光斑间距增大和单脉冲能量减小，凹坑深度逐渐下降，且下降的幅度逐渐减小，这与激光能量难以达到材料的烧蚀阈值有关。在大间距和低能量脉冲作用下，光斑经过时表层材料吸收的能量不足以达到气化温度，材料只发生熔化。在光斑经过后，熔化材料的能量会向周围材料传递而温度迅速下降重新凝固，造成能量损耗。实现材料的去除需要多次地预热待加工区域，使吸收的能量达到材料的烧蚀阈值。间距越大，脉冲能量越低，需要的预热次数更多，预热时间更长，导致能量向加工区域周围材料传递导致的损耗增加，因此深度变化逐渐趋于平缓。图5为单脉冲能量和光斑间距对底部形貌的影响。选取织构深度接近20μm的4组参数分析单脉冲能量和光斑间距对底部形貌的影响。可发现，4组参数下织构的底部形貌均呈中间略微不规则凸出的特征，不同单脉冲能量下底部轮廓的最大高度差相差较小，而不同光斑间距下的差别较大。在激光扫描中，由于低能量的光斑边缘对待加工区域的预热作用，必然导致扫描后的凹坑深度不均匀，多次改变扫描路径方向虽然可在一定程度上降低不均匀性，但是无法彻底消除相关的因素，因此凹坑必然呈中间略突的特征。光斑间距不变，单脉冲能量增加时，光斑经过加工区域不同位置的时刻不变只是输出的能量增大，整体上不同位置吸收的能量成比例增加，因此，加工后凹坑的深度增加但是底部高度差不变。在激光频率固定时，光斑间距与扫描速度有关，激光达到扫描速度需要经过加速过程，因此存在加速段光斑较密集，能量密度较大的问题。在单脉冲能量不变，光斑间距增大时，织构边缘与中间接收能量差异越大，因此材料去除不均匀更明显。然而，光斑间距过小，将导致织构深度显著增加，分层数减小，形貌拟合程度下降。为保证加工精度，单脉冲能量和光斑间距应分别设置为23μJ和2μm。2.3圆形非加工区域利用变角度直线扫描路径，在单脉冲能量23μJ和光斑间距2μm条件下，调整分层数便可以精确控制深度。球凸的加工可通过在扫描路径中设置不同直径的圆形非加工区域实现。不同球凸高度的复合织构激光铣削形貌如图6所示，虚线表示理想轮廓。织构侧面的轮廓与理想轮廓拟合较好，织构底部和球凸的轮廓则存在一定的加工误差。原因一方面是激光扫描直线若经过球凸会中断，所以激光加速段能量密度过大会影响实际烧蚀范围和深度；另一方面是加工过程中飞溅材料在球凸上堆积导致轮廓改变。整体上，实际与设计轮廓的误差较小，证明单层材料的均匀去除可保证激光铣削加工轮廓与设计相符。3摩擦学性能试验的结果与分析3.1表面织构化的影响图7为光滑、圆凹坑和复合织构表面试验过程的摩擦系数变化。可看出，光滑表面的摩擦系数在初始阶段较稳定，在30min后逐渐上升到0.7左右且出现较大波动，整个试验过程的平均摩擦系数是0.0670。在试验中，摩擦副的光滑表面之间逐渐磨合贴紧，导致润滑油难以进入接触界面，表面粗糙峰直接接触，二体磨损加剧，因此摩擦系数较大，甚至出现急剧上升和剧烈波动的情况。圆凹坑织构表面摩擦系数较光滑表面小且稳定，平均摩擦系数为0.0420，较光滑表面下降37.3%，说明圆凹坑织构可以产生附加流体动压力，增大膜厚，降低摩擦系数。在试验前30min，复合织构表面的摩擦系数较圆凹坑织构表面的小，且随着球凸高度增大，减摩性能增强。在试验30min后，球凸高度10μm的复合织构表面摩擦系数上升到超过圆凹坑织构的；并在70min后再次上升到与光滑表面相当，其试验过程的平均摩擦系数较圆凹坑织构的大22.6%。而球凸高度15、20μm的复合织构表面摩擦系数呈下降趋势且前者的下降速度更快。这可能是前者的摩擦系数较大，在摩擦热和剪切作用下试样销表面的石墨析出较多，因此摩擦系数下降更快。球凸高度15、20μm的复合织构表面摩擦系数较圆凹坑织构表面的分别下降36.7%和41.0%，证明适当高度的球凸可产生二次动压，增大圆凹坑织构产生的附加动压力。3.2接触界面分析试样盘的磨损形貌如图8所示。由图8(a）可知，光滑表面的磨痕两侧存在大量的深犁沟，这是试验过程中接触界面产生的金属磨损颗粒难以及时排出导致的；中间存在严重的材料粘着，原因是试样销中间部分与试样盘的接触面积更大，在接触表面磨合贴紧后干摩擦更剧烈，温度升高更快，因此接触表面发生冷焊和材料剥落。由图8(b）可知，圆凹坑织构表面存在均匀分布的石墨，证明存在接触表面粗糙峰的直接接触导致的二体磨损；织构内无明显的磨粒堆积，磨损较轻微，证明圆凹坑可以有效降低磨损。由图8(c）可知，球凸高度10μm的复合织构表面存在犁沟，织构内存在大量的磨粒，表面磨损较严重，原因可能是球凸高度过低，织构内的金属磨粒易在润滑流体作用下通过球凸重新回到接触界面加重磨损。由图8(d）可知，球凸高度20μm的复合织构表面无明显黑色石墨，织构内未见磨粒，表面无明显磨损痕迹，可以推断动压润滑状态占主导。对比图8(b）、（d）可推断，合适高度的球凸可增强圆凹坑织构的动压效应，产生更大的膜厚，从而减小二体磨损。4圆凹坑-球凸复合织构的特点(1）为进一步提升圆凹坑织构表面的摩擦学性能，提出一种圆凹坑-球