基于激光复合微织构技术的滑动导轨减摩防爬行研究

发布时间：2020-04-26 22:21

【摘要】：随着工业技术的飞速发展,制造业高精度、高效率、高柔性化发展的趋势日益凸显。机床作为装备制造业的核心组成部分,其产品性能、精度、寿命等要求也越来越高。然而,在低速、重载等工况条件下,机床导轨进给系统会出现爬行跳动现象,影响机床定位精度和灵敏度,降低其运动平稳性,进而对产品加工质量产生不利影响。因此提出一种有效抑制机床导轨爬行现象,减小摩擦磨损,提高使用寿命的表面处理方法具有重要的理论意义和实际应用价值。本文以机床导轨摩擦副为研究对象,系统开展了激光表面复合织构相关理论与试验研究。首先,开展了激光表面复合织构工艺试验,采用SPI光纤脉冲激光器对GCr15轴承钢表面进行激光微织构加工,考察激光功率、脉冲宽度、重复次数等激光参数对织构点形貌的影响,探究不同织构形貌的形成机理。其次,建立机床进给系统简化模型,推导出机床爬行临界速度的计算模型,并模拟分析动静摩擦系数差对机床爬行振动情况的影响。再次,在RETC摩擦磨损试验机中模拟实际导轨接触情况,进行销-盘摩擦磨损试验,模拟机床起始工况,探究不同织构形貌对爬行现象的抑制效果。在此基础上,针对毛化织构形貌开展系统研究,探究激光毛化作用对导轨材料试样表面金相组织、硬度、残余应力等性能的影响,同时,针对不同密度的毛化织构试样进行摩擦磨损试验,考察毛化织构对试样表面摩擦磨损性能的影响。最后,为进一步改善导轨表面润滑状态,进行了销-块往复摩擦磨损试验,考察固体润滑添加剂与微织构表面结合对表面润滑状态的影响。得到了以下主要结论:(1)采用SPI纳秒光纤激光器,单次激光作用时,在不同的功率条件下,脉宽较小(1000μs)时可加工出毛化凸起形貌,增大脉宽到一定值,凸起形貌消失,凹坑形貌逐渐形成。在功率脉宽一定时,增大重复次数到一定范围,会形成较光整的凹坑形貌,但重复次数过大,则会导致热效应累积,形成大量熔渣堆积。(2)推导出机床进给系统爬行临界速度数学模型,结果表明爬行临界速度主要受动静摩擦系数差、系统刚度、阻尼、工作台质量等因素影响。其中,动静摩擦系数差影响最大,ADAMS软件中的模拟结果也验证了这一结论。(3)在光滑试样表面加工出不同的表面织构形貌对爬行现象均有较为明显的抑制效果,毛化织构爬行抑制效果显著优于凹坑织构和网纹织构;凹坑四周存在熔渣凸起结构的表面对爬行现象的抑制效果优于凹坑四周光滑的表面;润滑油量对于凹坑织构和网纹织构的爬行抑制效果有一定的影响,而对于凸起织构表面爬行抑制效果无明显影响;织构密度过大或过小都不利于爬行现象的抑制,28.2%织构密度的毛化形貌抑制爬行的效果最佳。(4)激光毛化作用后,毛化熔凝区晶粒细化,毛化点最大硬度较基材区增大约4倍,毛化作用区表现出一定的残余拉应力;不同织构密度的毛化试样在油润滑条件下,摩擦系数均小于未织构试样,摩擦系数随织构密度的增大而减小;毛化试样在油润滑介质中表现出较好的耐磨性,相同条件下,毛化织构试样最大磨痕深度远低于未织构试样。(5)对于光滑表面和织构表面而言,在润滑油中添加一定含量的纳米固体润滑添加剂均有一定的减摩效果,且含纳米MoS_2添加剂的润滑油润滑效果优于含纳米Gr添加剂的润滑油;纳米固体润滑添加剂与微织构表面结合,有较佳润滑抗磨效果;控制载荷一定,往复运动频率越大,微织构表面与纳米固体润滑添加剂复合减摩效果越显著;在往复运动频率一定的条件下,载荷越大,微织构表面与纳米固体润滑添加剂耦合润滑减摩效果相对越好。
【图文】：

曲线,曲线,阶段,润滑状态

图 1.1Stribeck 曲线Fig.1.1 Stribeck curveck 曲线，两个相互接触的表面之间的润滑状态随速静摩擦状态（图中 I 阶段）相对运动开始之前，摩擦力为静摩擦力，摩擦力主的作用下运动系统不会发生能量损失，两物体之间只运动。边界润滑状态（图中 II 阶段）刚开始阶段，速度较低，两表面还未完全分离，接触小油膜，称为边界膜，此时所形成的摩擦称为边界界润滑状态。此阶段摩擦力的运动特性取决于固态性不稳定，在此阶段较容易产生爬行现象。

形貌,激光毛化,形貌,毛化

（a）球冠状形貌（b）火山口状形貌（c）W 状形貌图 1.2 三种典型的激光毛化形貌Fig.1.2 Threetypicalmicrostructuresoflaser texturing在此之后，大量国内外学者针对毛化形貌的形成机理做了大量的理论和试验工作，万大平[31]等利用有限元法，对脉冲激光毛化过程中的应力场、温度场、液动状态等进行了数值模拟分析。D.DU[32]、刘莹[33]等利用 YAG 激光器在轧辊表工出球冠状毛化形貌，并分析了不同工艺参数对形貌尺寸的影响规律。S.C.CD.Bennett 等[34-35]分析了球冠状、火山口状和 W 状毛化形貌的各自形成机理。激光毛化技术由于其良好的技术效果，在工程上得到了良好的应用。首先，型是由于材料受激光作用熔凝形成，在此过程中材料发生局部重熔，溶化和凝极快，熔池内部金属凝固后获得比较致密的显微组织，表面机械力学性能大大。其次，毛化形貌具有微凸起的结构特征，，可以改变两个接触表面的摩擦特性可以分开两接触表面，降低材料之间的粘着与吸附。目前，激光毛化技术已在
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665;TN249

【参考文献】