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1、毕 业 设 计 专 业 机械制造及其自动化 班 级学生学 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 / 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
2、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。AbstractSurface morphology of the fine and profound impact on changing the objects surface friction properties, which prompted people to use various means of processing the surface of objects in fine shape to change the surface conditi
3、ons to achieve the required surface friction properties. In this paper, ductile iron laser in the shape of the surface processing technology and change its friction and wear properties of research. Ductile iron on the surface of the laser in the microscopic changes in the mechanism. Surface modeling
4、 a diamond-shaped logo, a round, and the grid. And a different distribution of the surface to do experiments. The results show that the rate of distribution patterns and the surface of the friction has a serious impact. Keyword: surface modeling; micro-topography; modeling geometric parameters; fric
5、tion performance.目录1 引言21.1本课题的选题背景21.2本文研究方法和目标41.3 研究路线42 激光表面处理技术52.1 激光表面处理的现状和发展趋势52.2激光表面处理特点和分类72.2.1特点82.2.2分类82.3激光加工机理112.3激光处理对材料表面摩擦、润滑的特性的影响122.4小结133 激光表面处理实验的器材与方法153.1实验器材153.1.1 HGL-LSY50系列激光打标机153.1.2万能摩擦磨损实验机163.2实验材料及试样183.3实验方案及步骤183.3.1实验方案183.3.2 实验步骤194 实验结果分析214.1圆与菱形不同分布率的影
6、响214.2不同间距的网格244.3实验结论285.1本文工作总结295.2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 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 /21 /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
7、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： 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。 由于高压造成汽缸的机械磨损发动机
8、在工作过程中, 活塞沿汽缸套表面往复运动, 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。 磨料磨损实践表明,由空气带入汽缸套的磨粒,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。 腐蚀磨损当冷却水温度低于
9、 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
10、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
11、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
12、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
13、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,
14、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
15、汽车公司进行的动力转向变速箱表面的激光淬火。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: 使相互平行的摩擦表面产生动压润滑; 减少摩擦表面的摩擦因数, 从而减少摩擦力或摩擦力矩; 提高
