当前位置:主页 > 科技论文 > 金属论文 >

基于激光冲击效应的微坑加工方法及其摩擦学性能研究

发布时间:2018-04-09 19:11

  本文选题:表面织构 切入点:激光冲击 出处:《上海交通大学》2015年博士论文


【摘要】:摩擦导致的磨损是机械设备失效的最主要原因。因此,控制摩擦、改善润滑与减少磨损已成为节约能源和原材料、综合提高机械系统运转效率和服役寿命的迫切需求。微坑阵列等表面织构能够有效改善摩擦副表面的摩擦学性能,延长摩擦副的使用寿命。基于激光冲击效应的微坑阵列加工方法是一种利用激光冲击力学效应的微坑加工新方法,目前人们对该工艺的工艺方法及所加工微坑阵列的摩擦学性能了解尚不系统和深入。本文以典型金属材料作为研究对象,系统分析了基于激光冲击效应的微坑阵列加工工艺机理、工艺适用性、激光冲击工艺参数对微坑阵列几何物理性能的影响规律以及微坑阵列的摩擦磨损性能,为激光冲击工艺参数选择提供优选策略。主要研究内容包括:一、激光冲击微造型工艺机理与工艺方法研究。结合激光诱导等离子体形成过程分析和高压冲击波作用下材料高应变率动态响应过程仿真建模,揭示了激光冲击微造型工艺机理,并对微坑塑性变形状态及残余应力状态进行了预测。通过考察典型金属材料在激光冲击微造型工艺中所制备微坑几何形貌与尺寸的一致性,发现激光冲击微造型工艺具有良好的工艺稳定性和材料适用性,从而为激光冲击微造型工艺规律分析奠定了重要的前提基础。基于激光冲击微造型工艺过程,提出了一种高应变率条件下材料动态硬度的测试方法。二、激光冲击微造型工艺影响规律研究。通过激光冲击微造型试验,系统研究了激光冲击微造型工艺参数(激光功率密度、光斑直径和重复冲击次数等)对微坑几何特征(直径、深度及深径比等)和微坑表面粗糙度、塑性变形层显微硬度、晶粒尺寸等表面完整性的影响规律。研究发现,随着激光功率密度的增大和激光重复冲击次数的增加,微坑直径、深度、深径比、塑性变形层的硬化程度以及晶粒细化程度均增大,但由于应变硬化作用,会表现出冲击饱和效应。随着激光光斑直径的增大,微坑直径也相应增大,但始终小于光斑直径。在激光单脉冲能量一定的情况下,存在一个激光光斑直径阈值,当光斑直径大于该阈值时,微坑深度、深径比、塑性变形层硬化程度以及晶粒细化程度均随着激光光斑直径的增大而减小。当光斑直径小于该阈值时,在等离子体屏蔽效应的作用下,随着光斑直径的增大,微坑深度、微坑塑性变形层硬化程度以及晶粒细化程度均随之增大,微坑深径比的变化因具体情况而异。激光冲击微造型工艺对微坑表面粗糙度的改变取决于材料的原始表面粗糙度及激光冲击参数。当材料原始表面粗糙度较大,且激光功率密度和重复冲击次数较小时,微坑表面粗糙度小于原始表面粗糙度。反之,则大于原始表面粗糙度。三、动压润滑条件下微坑阵列的摩擦性能研究。在流体动压润滑条件下,通过三维计算流体动力学仿真的方法研究了微坑密度、微坑深径比等微坑设计参数和雷诺数等流体特征参数对油膜的压力分布、无量纲平均油膜承载力、无量纲平均油膜剪切力和动压系数等摩擦性能参数的影响规律。研究发现,在流体动压润滑条件下,微坑提高摩擦副动压性能的机理是微坑楔形效应和涡流效应的综合作用;在本文研究的参数范围内,存在最优的微坑密度和微坑深径比使油膜具有最佳的动压性能;而且随着雷诺数的增大,最优微坑深径比呈逐渐减小的趋势,而最优微坑密度保持不变。四、贫油润滑条件下微坑阵列的摩擦学性能研究。在贫油润滑条件下,通过设计合理的摩擦学试验并建立摩擦性能评价方法,系统研究了不同转速和载荷等工况条件下不同密度和深度微坑阵列的摩擦磨损性能。研究发现,随着微坑密度的增大,摩擦副的摩擦系数、最大承载力及失效时间等摩擦性能呈现先提高后降低的趋势,说明存在一个最佳微坑密度范围使摩擦性能达到最优,其机理是由于固-固接触区域接触比压及固-液接触区域润滑作用的双重效应;随着微坑深度的增加,摩擦性能呈现逐渐提高的趋势;同时,通过对磨损表面形貌和能量谱图的分析发现,激光冲击微坑造型能够有效降低摩擦副表面的磨粒磨损和粘着磨损。综上所述,本文结合激光冲击效应形成过程分析和激光冲击压力作用下金属高应变率弹塑性动态响应过程仿真研究,分析了激光冲击微造型的工艺过程与机理。通过激光冲击微造型工艺试验,研究了激光冲击微造型工艺的适用性和激光工艺参数对微坑几何形貌、物理性能的影响规律。通过三维计算流体动力学数值仿真和摩擦学性能试验的方法,研究了流体动压润滑和贫油润滑条件下微坑阵列的摩擦磨损性能,为激光冲击微坑阵列参数的主动优化设计奠定了研究基础。
[Abstract]:Wear caused by friction is the main reason for mechanical equipment failure. Therefore, the control of friction, improve the lubrication and reduce wear has become save energy and raw materials, improve the comprehensive demand of mechanical system operation efficiency and service life. The micro surface texture pit array can improve the tribological properties of the friction surface of the friction, prolong service life. Based on laser shock effect of micro pit array processing method is a kind of micro pits by laser shock mechanical effect of new processing method, the tribological properties of understanding the current process and the process of machining micro pits array is not systematic and in-depth. Based on the typical metal materials as the research object, system analysis micro pits array processing mechanism based on the effect of laser shock process, the applicability of laser shock parameters influence on physical properties of micro pits array geometry. The friction and wear properties of law and the micro pit array, providing optimal strategy choice for laser shock parameters. The main research contents include: first, research on micro molding process and the mechanism of laser shock process. Combined with the analysis of the forming process of laser induced plasma shock wave and high pressure for materials under high strain rate dynamic process simulation modeling, reveals laser shock micro molding process and mechanism of micro pit plastic deformation stress state and residual state were predicted. By examining the consistency of typical metal materials produced in the molding process in the preparation of micro laser shock crater geometric morphology and size, it is found that the laser shock micro molding process has the process of stability and good applicability, which laid the foundation for the premise of laser shock analysis of micro molding process of laser shock. Micro molding process based on a high Test method of material dynamic hardness variation conditions. Two, the study on the micro molding process of laser shock. By laser shock texturing test system of laser shock micro molding process parameters (laser power density, beam diameter and number of repeated impact of micro pits etc.) geometric characteristics (diameter, depth and aspect ratio etc.) and micro hole surface roughness, the plastic deformation layer microhardness, influence of grain size and surface integrity. The study found that with the increase of laser power density and laser repetition times of shock, crater diameter, depth, aspect ratio, degree of hardening plastic deformation layer and grain refinement increased, but due to the strain hardening effect, will show the impact saturation effect. With increasing the laser spot diameter, micro pit diameter also increases, but is always less than the spot diameter. In a single pulse laser energy Under the condition of the existence of a laser spot diameter threshold, when the spot diameter is greater than the threshold value, the crater depth, aspect ratio, plastic deformation hardening degree and grain refinement were decreased with increasing the laser spot diameter. When the spot diameter is less than the threshold value, the plasma shielding effect. With the increase of spot diameter, the depth of micro hole, micro hole plastic deformation hardening degree and grain size are increased, the micro pit depth diameter ratio variation due to laser shock varies according to the specific situation. The original surface texturing process of micro hole surface roughness change depends on the material roughness and laser shock parameters. When the original material surface roughness is larger, and the laser power density and the number of repeated impact is small, micro hole surface roughness is smaller than the original surface roughness. On the other hand, is greater than the original surface roughness. Three, hydrodynamic lubrication Study on friction properties of micro pits array conditions. In hydrodynamic lubrication conditions, through the method of three-dimensional computational fluid dynamics simulation of micro pit density, micro pit depth to diameter ratio of micro pit design parameters and Reynolds number fluid flow parameters on the oil film pressure distribution, the dimensionless average oil film bearing capacity. The dimensionless average oil film shear force and dynamic friction parameters of pressure coefficient are analyzed. The study found that in hydrodynamic lubrication conditions, improve the dynamic mechanism of micro pit friction pressure performance is the comprehensive effect of micro pit wedge effect and eddy current effect; the parameters in this paper, the existence of micro pit density the optimal and micro pit depth diameter ratio of the oil film dynamic pressure has the best performance; and with the increase of Reynolds number, the optimal crater depth diameter ratio decreases, and the optimal crater density remained unchanged. In four, poor lubrication conditions of micro pits Study on the tribological properties of array. In poor lubrication condition, the tribological experiment design and to establish a reasonable performance evaluation method of friction, friction and wear properties of the system were studied in different depth and density of different speed and load conditions of micro pits array. The study found that with the increase of micro pit density, friction coefficient. The maximum bearing capacity and the failure time of the friction performance increases at first and then decreased, indicating the existence of an optimum crater density range of the friction to achieve optimal performance, its mechanism is due to the dual effects of the solid solid contact area contact pressure and contact area of solid liquid lubrication; with the increase of micro hole depth, friction the performance showed a gradual increasing trend; at the same time, through the analysis of wear surface morphology and energy spectrum of the laser impact crater shape can effectively reduce the friction on the surface of abrasive grains Wear and adhesive wear. In conclusion, this paper combined with the effect of laser shock forming process analysis and laser shock metal pressure high strain plastic dynamic response simulation of elastic ratio, analysis of the laser shock process and micro molding mechanism. By making the micro laser shock process test, applicability and laser parameters of laser the impact of micro molding process of micro pit geometry, influence of physical properties. Through the method of three-dimensional computational fluid dynamics numerical simulation and experimental study of tribological properties, friction and wear properties of fluid lubrication and poor lubrication condition of micro pit array, active optimization for laser shock micro pit array parameter design for the basis of the research.

【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TG665;TH117.1

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 张永康;余承业;;激光冲击提高航空材料的疲劳寿命概述[J];电加工;1993年05期

2 ;激光冲击处理的新活力[J];激光与光电子学进展;1996年12期

3 范静怡;激光冲击处理[J];激光与光电子学进展;1997年04期

4 肖爱民,杨继昌,张永康;激光冲击强化原理及应用概述[J];电加工与模具;2000年06期

5 全宏声;激光冲击强化提高构件疲劳强度[J];材料工程;2001年12期

6 谢颂京;张伟;;激光冲击效果的影响因素及其发展趋势[J];新技术新工艺;2006年10期

7 马壮;李应红;张永康;任旭东;张凌峰;;激光冲击处理对304不锈钢力学性能的影响[J];材料热处理学报;2007年03期

8 罗新民;马辉;张静文;张永康;;激光冲击中的“应变屏蔽”和“约束击穿”[J];材料导报;2010年05期

9 罗新民;苑春智;任旭东;陈康敏;张永康;;激光冲击超高应变率对钛板形变微结构的影响[J];材料热处理学报;2010年06期

10 徐国建;李挺;王虹;杭争翔;邢飞;;激光冲击处理的应用[J];电焊机;2010年11期

相关会议论文 前10条

1 吴先前;宋宏伟;魏延鹏;王曦;黄晨光;段祝平;;激光冲击强化诱导的冲击波压力特征研究[A];第十届全国冲击动力学学术会议论文摘要集[C];2011年

2 阮亮;张文武;焦俊科;;激光冲击强化研究现状与发展[A];第15届全国特种加工学术会议论文集(下)[C];2013年

3 邹世坤;吴树辉;曹子文;费群星;;激光冲击处理焊接区在核反应堆上的应用[A];第13届全国特种加工学术会议论文集[C];2009年

4 邹世坤;曹子文;;钛合金整体叶盘的激光冲击强化[A];2009年先进光学技术及其应用研讨会论文集(上册)[C];2009年

5 汪诚;李应红;马壮;赵双成;周鑫;;航空部件激光冲击强化系统与工艺研究[A];大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集[C];2007年

6 任旭东;张永康;周建忠;李国杰;;激光冲击提高钛合金机械性能研究[A];光子科技创新与产业化——长三角光子科技创新论坛暨2006年安徽博士科技论坛论文集[C];2006年

7 任旭东;张永康;冯爱新;张西良;;激光冲击中残余应力对链篦机零件裂纹的影响[A];2008全国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2008年

8 胡永祥;姚振强;;基于高斯过程回归的激光冲击加工可靠建模方法研究[A];第15届全国特种加工学术会议论文集(下)[C];2013年

9 罗龙锦;任志强;张宗林;;激光冲击强化与喷丸提高不锈钢疲劳性能对比研究[A];第十五届中国科协年会第13分会场:航空发动机设计、制造与应用技术研讨会论文集[C];2013年

10 聂祥樊;臧顺来;何卫锋;;激光冲击“残余应力洞”敏感性分析与抑制方法研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

相关重要报纸文章 前4条

1 记者 张梅;首条激光冲击强化生产线落户航空基地[N];陕西日报;2008年

2 张梅;中国首条激光冲击强化生产线在西安落户[N];陕西科技报;2008年

3 陈军;我国激光冲击强化应用技术取得重大突破[N];中国高新技术产业导报;2009年

4 邹世坤;激光冲击强化:新一代抗疲劳表面强化技术[N];中国航空报;2013年

相关博士学位论文 前10条

1 鲁金忠;激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究[D];江苏大学;2010年

2 苏孺;基于X射线衍射技术的金属材料受限形变行为研究[D];北京理工大学;2015年

3 王江涛;铝合金及其焊接件激光冲击强化抗环境损伤工艺与机理研究[D];江苏大学;2015年

4 李康妹;基于激光冲击效应的微坑加工方法及其摩擦学性能研究[D];上海交通大学;2015年

5 郑超;激光冲击微成形工艺数值模拟及其实验研究[D];山东大学;2011年

6 胡永祥;激光冲击处理工艺过程数值建模与冲击效应研究[D];上海交通大学;2008年

7 罗开玉;激光冲击不锈钢抗腐蚀性能及微观强化机理研究[D];江苏大学;2012年

8 车志刚;微尺度激光冲击强化金属靶材数值模拟与实验研究[D];华中科技大学;2009年

9 丁华;金属板料激光冲击变形机理及铝板校形研究[D];江苏大学;2010年

10 葛茂忠;AZ31B变形镁合金及其焊接件激光冲击处理研究[D];江苏大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 黄婉婉;稠油热采智能转换接头设计及抗腐蚀性能研究[D];江苏大学;2016年

2 李振;基于激光冲击的钛合金小孔构件残余应力分布及疲劳性能研究[D];江苏大学;2016年

3 宣婷;激光冲击表面微造型的理论和实验研究[D];江苏大学;2016年

4 邵伟;激光冲击强化对AZ80镁合金微观组织和电化学腐蚀的影响[D];江苏大学;2016年

5 徐士东;GH2036合金激光冲击晶粒细化及耐腐蚀性能优化研究[D];江苏大学;2016年

6 鲍士喜;耐热马氏体不锈钢ЭП866激光冲击强化组织与性能研究[D];江苏大学;2016年

7 邢佳;镁合金激光冲击植入纳米SiC颗粒工艺与性能研究[D];江苏大学;2016年

8 王长雨;压铸镁合金双面激光冲击强化残余应力和拉伸性能研究[D];江苏大学;2016年

9 杜金星;基于激光冲击强化的挤压模具延寿方法及机理研究[D];江苏大学;2016年

10 吴浩;基于激光冲击的导轨表面形貌及性能研究[D];江苏大学;2016年



本文编号:1727760

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/1727760.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户1f5af***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com