激光微造型表面摩擦磨損性能研究

1、激光微造型表面摩擦磨損性能研究         缸套和活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)一對(duì)重要的摩擦副，其摩擦學(xué)性能直接影響到內(nèi)燃機(jī)的功率輸出、使用壽命、油耗以及燃燒排放等重要指標(biāo)。該摩擦副的工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常處于高溫、高壓、高速和高沖擊負(fù)荷狀態(tài)。在氣缸與活塞環(huán)之間存在著從邊界潤(rùn)滑、棍合潤(rùn)滑到完全流體潤(rùn)滑的各種狀態(tài)，其磨損也包含著磨粒磨損、粘著磨損和腐蝕磨損等多種形式。理論研究和大量工程實(shí)踐表明，摩擦副表面并非越光滑越好，一定的表面粗糙度反而有利于潤(rùn)滑油膜的形成從而減小摩擦磨損。但是，對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械珩磨和平臺(tái)珩磨，其珩磨溝槽是隨機(jī)形成的，紊亂

2、無(wú)序，難以人為控制。激光表面微造型技術(shù)因其具有快速、低耗、清潔和易控制等一系列優(yōu)點(diǎn).被認(rèn)為是一種特別適用的表面微造型手段。20世紀(jì)90年代后期，德國(guó)Gehring公司提出缸套激光珩磨技術(shù)概念(Laser Hoping)，利用高能量密度的激光束.進(jìn)行工件表面的激光刻劃，形成規(guī)則的珩磨溝槽，以顯著改善潤(rùn)滑狀況。德國(guó)Gehring公司和奧地利Opel Powertrain公司的應(yīng)用研究表明，與采用平臺(tái)珩磨缸套的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，采用激光珩磨缸套，可使發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損、排放及油耗等方面的性能指標(biāo)得到明顯的改善。近年來(lái)，先后有學(xué)者開(kāi)展了激光微造型技術(shù)在一些重要摩擦副，如缸套活塞環(huán)、機(jī)械密封、以及推力軸承，等方面的

3、應(yīng)用研究。文獻(xiàn)8研究表明摩擦副表面采用激光微造型處理能很好地適應(yīng)高速、重載和高粘度潤(rùn)滑油場(chǎng)合。國(guó)內(nèi)林子光研究了IAG激光網(wǎng)紋狀淬火處理技術(shù)，通過(guò)在汽缸壁上形成諸多的"微油池"，有利于活塞環(huán)與汽缸壁間的潤(rùn)滑。為了考核激光微造型摩擦副表面的潤(rùn)滑減摩、耐磨性能，本文作者利用"往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)缸套/活塞環(huán)摩擦磨損模擬試驗(yàn)裝置"，分別對(duì)光滑缸套試件和激光網(wǎng)紋缸套試件，在3種不同工況條件下，進(jìn)行摩擦磨損性能對(duì)比試驗(yàn)研究。1試驗(yàn)條件及方法1.1試件制備    本研究采用二極管泵浦Nd;  YAG激光微造型設(shè)備激光器光束模式為T(mén)TM0

4、0輸出波長(zhǎng)有1 064 nm和532nm 2種。采用聲光調(diào)Q控制產(chǎn)生脈沖激光，調(diào)Q重復(fù)頻率150 kHz。光束質(zhì)量系數(shù)M2< 2，發(fā)散角小于3 mrad，脈沖寬度小于或等于70 ns。該設(shè)備具有多維工作臺(tái)聯(lián)動(dòng)，以及調(diào)Q開(kāi)關(guān)、伺服電機(jī)、氣閥、光閘聯(lián)動(dòng)控制等功能，可精確控制單個(gè)激光脈沖的輸出。采用優(yōu)化的激光工藝參數(shù)和特定的輔助工藝措施進(jìn)行激光微造型加工。獲得設(shè)計(jì)所要求的表面微觀(guān)幾何形貌，并經(jīng)過(guò)拋光處理，以去除激光微加土產(chǎn)生的毛刺和熔渣試件種類(lèi)及具休要求如表1所示試驗(yàn)用缸套磨損試件如圖1所示。采用WykoNT1100測(cè)量的激光造型缸套試件表面網(wǎng)紋及三維形貌，結(jié)果如圖2 (a)，(b)所示.1.

5、2試驗(yàn)裝置    試驗(yàn)采用合肥工業(yè)大學(xué)"往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)缸套/活塞環(huán)摩擦磨損模擬試驗(yàn)裝置"它是集壓力、速度及供油可調(diào)節(jié)和摩擦力、溫度測(cè)量等多種功能于一體的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)設(shè)備。試驗(yàn)臺(tái)主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。用以實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)取自一實(shí)際的內(nèi)燃機(jī)曲軸一連桿一活塞系統(tǒng)，曲柄由電機(jī)驅(qū)動(dòng)?；钊瞎潭ㄒ婚L(zhǎng)桿及夾具帶動(dòng)上下活塞環(huán)試件與上下缸套試件作滑動(dòng)摩擦.)潤(rùn)滑油由一可調(diào)節(jié)油量的油杯送至摩擦表面.1.3試驗(yàn)方法    摩擦磨損性能對(duì)比試驗(yàn)在3種不同工況下進(jìn)行，具體如表2所示。磨損實(shí)驗(yàn)前所有試件經(jīng)拋光處理后，超聲清洗，用丙酮清洗試樣塊，吹干后用天平稱(chēng)重(取2次稱(chēng)重均值)。試驗(yàn)通過(guò)杠桿作用加載，試件上實(shí)際作用的載荷為68.6 N。首先加載9. 8 N，曲柄轉(zhuǎn)速600 r/min，跑合1h。跑合完成后調(diào)速至所需值，逐級(jí)加載至所需值。每次載荷增加4. 9 N，每級(jí)載荷至少運(yùn)行30 min。載荷加到設(shè)定值后再持續(xù)運(yùn)