圆柱副的激光表面处理方法的基础试验研究.docx
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圆柱副的激光表面处理方法的基础试验研究
毕业设计（论文）
专业机械制造及其自动化
班级
学生姓名
学号
课题圆柱副的激光表面处理方法的基础试验研究
指导教师
2008年6月10日
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：
表面微造型;微观形貌;造型几何参数;摩擦性能。
Abstract
Surfacemorphologyofthefineandprofoundimpactonchangingtheobject'ssurfacefrictionproperties,whichpromptedpeopletousevariousmeansofprocessingthesurfaceofobjectsinfineshapetochangethesurfaceconditionstoachievetherequiredsurfacefrictionproperties.Inthispaper,ductileironlaserintheshapeofthesurfaceprocessingtechnologyandchangeitsfrictionandwearpropertiesofresearch.Ductileirononthesurfaceofthelaserinthemicroscopicchangesinthemechanism.Surfacemodelingadiamond-shapedlogo,around,andthegrid.Andadifferentdistributionofthesurfacetodoexperiments.
Theresultsshowthattherateofdistributionpatternsandthesurfaceofthefrictionhasaseriousimpact.
Keyword:
surfacemodeling;micro-topography;modelinggeometricparameters;frictionperformance.
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
3.1.1HGL-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
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引言
1.1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
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
2.1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1000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10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（Plasmaimmersionionimplanta—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．BaracaldoR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。
①激光淬火：
激光淬火又称激光相变硬化，它是以10～10W／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。
②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
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