钻头滑动轴承表面织构的激光加工工艺研究
发布时间：2021-11-08 13:30
基于仿生表面织构改善摩擦学性能的显著效果,如何将优选润滑减磨性能较好的凹槽型织构合理地布置于牙轮钻头滑动轴承轴颈表面是目前亟待解决的难题之一。本文通过纳秒激光微加工和非接触式三维光学表征方法,开展纳秒激光功率、扫描次数和扫描速度对钻头滑动轴承轴颈表面烧蚀凹槽织构几何尺寸和加工精度影响规律的实验研究,结果表明,纳秒激光烧蚀工况下,凹槽织构深度随激光扫描次数增加逐渐增加,而凹槽宽度基本保持不变;凹槽织构宽度随扫描速度的增加逐渐减小。宽度为478μm,深度为30μm凹槽织构初步优选的激光烧蚀参数为:功率35 W,扫面次数3次,扫描速度100 mm/s。该研究为优选凹槽织构布置于牙轮钻头轴承摩擦副表面提供了纳秒激光加工工艺与表征方法,其将推动仿生表面织构纳秒激光微加工技术在钻头滑动轴承减磨抗摩领域的工业化应用。
【文章来源】：激光与红外. 2020,50(12)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
环试件结构示意图
采用HM50激光烧蚀设备将凹槽型织构均与布置于环试件表面,设备主要参数:最大激光功率50 W,重复频率1～1000 kHz,波长1064 nm,加工范围100 mm×100 mm,深度≤1.2 mm,定位精度±3 μm,速度≤7000 mm/s,工作温度环境:15～35 ℃。纳秒激光加工系统的示意图如图2所示,由纳秒激光器发出的入射光束依次经过扫瞄镜X、振镜电机X、扫瞄镜Y、振镜电机Y,然后通过场镜聚焦到待打标工件表面。然后采用布鲁克公司生产的非接触式三维光学轮廓仪对已加工的织构化试件进行表面加工质量的测量,采用白光干涉仪对织构三维形貌及表面特征进行观察。3 激光参数对凹槽型织构几何参数的影响
图3为激光功率为25 W、30 W、35 W、40 W,扫描速度为100 mm/s时,扫描次数对凹槽深度和宽度的影响曲线图。结果表明,同一激光功率的条件下,随着扫描次数的增加,凹槽织构的深度逐渐增加而凹槽宽度基本保持不变;扫描次数一定时,凹槽深度和宽度均随着激光功率的增加而呈递增趋势。激光功率增加,单个脉冲光斑上所聚集的能量越多,对材料烧蚀能力增大,因此凹槽宽度和深度越大。其中激光功率为40 W时,凹槽深度为50 μm,凹槽的宽度最大为487 μm。为了研究扫描次数对凹槽几何形貌的影响,使用白光干涉仪对激光功率35 W、扫描速度为300 mm/s的凹槽织构进行三维扫描,具体见图4。当扫描次数为2次时,凹槽内壁粗糙,激光脉冲对材料的去除不完全,凹槽深度较浅;当扫描次数为3次时,如图4(b)所示,凹槽的深度增加且内壁较为光滑整洁,加工质量理想;当扫描次数增加到4次时,凹槽织构深度最深,但凹槽边缘有少量的金属堆积物。因此,对于不同激光加工功率,选择合适的扫描次数对凹槽织构的几何尺寸和加工质量显得尤为必要。
【参考文献】：
期刊论文
[1]脂润滑条件下PTFE/GCr15激光织构表面滑动摩擦性能研究[J]. 解玄,尹必峰,华希俊,王皓,朱翊航,许晟,朱伟. 表面技术. 2019(08)
[2]激光微加工在微织构技术中的应用及研究进展[J]. 葛良辰,马剑军,曹宇鹏,葛桂兰,花国然,王振刚,蒋苏州. 激光与红外. 2019(08)
[3]飞秒激光加工织构及织构对磨损的影响研究[J]. 何霞,廖文玲,王国荣,李梦媛,蒋龙. 激光与红外. 2017(10)
[4]超硬刀具激光表面织构化及织构形貌控制[J]. 苏永生,李亮,高洪,王建彬,王刚. 激光与光电子学进展. 2017(12)
[5]45钢表面激光织构加工及其摩擦性能测试[J]. 赵恩兰,陈华威. 热加工工艺. 2015(10)
[6]激光表面织构化对45#钢干摩擦特性的影响[J]. 王斌,常秋英,齐烨. 润滑与密封. 2013(12)
[7]激光功率对45碳钢表面组织及性能的影响[J]. 任晶鑫,唐明忠,郭鹏,郑国阔. 热加工工艺. 2012(16)
[8]表面织构对发动机活塞/缸套摩擦性能的影响[J]. 刘一静,袁明超,王晓雷. 中国矿业大学学报. 2009(06)
[9]三牙轮钻头滑动轴承失效分析[J]. 黄志强,王晓凤,涂小芳,李琴,谭力. 西南石油大学学报(自然科学版). 2008(03)
[10]激光织构仿生非光滑表面抗磨性能研究[J]. 韩志武,任露泉,刘祖斌. 摩擦学学报. 2004(04)
博士论文
[1]牙轮钻头浮动套轴承工作机理研究[D]. 王国荣.西南石油学院 2004
硕士论文
[1]冲击滑动条件下激光织构化9Cr18表面的摩擦学行为研究[D]. 高雄开.哈尔滨工业大学 2017
[2]激光微织构发动机缸孔表面的润滑理论与试验研究[D]. 王林森.江苏大学 2016
本文编号：3483794
【文章来源】：激光与红外. 2020,50(12)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
环试件结构示意图
采用HM50激光烧蚀设备将凹槽型织构均与布置于环试件表面,设备主要参数:最大激光功率50 W,重复频率1～1000 kHz,波长1064 nm,加工范围100 mm×100 mm,深度≤1.2 mm,定位精度±3 μm,速度≤7000 mm/s,工作温度环境:15～35 ℃。纳秒激光加工系统的示意图如图2所示,由纳秒激光器发出的入射光束依次经过扫瞄镜X、振镜电机X、扫瞄镜Y、振镜电机Y,然后通过场镜聚焦到待打标工件表面。然后采用布鲁克公司生产的非接触式三维光学轮廓仪对已加工的织构化试件进行表面加工质量的测量,采用白光干涉仪对织构三维形貌及表面特征进行观察。3 激光参数对凹槽型织构几何参数的影响
图3为激光功率为25 W、30 W、35 W、40 W,扫描速度为100 mm/s时,扫描次数对凹槽深度和宽度的影响曲线图。结果表明,同一激光功率的条件下,随着扫描次数的增加,凹槽织构的深度逐渐增加而凹槽宽度基本保持不变;扫描次数一定时,凹槽深度和宽度均随着激光功率的增加而呈递增趋势。激光功率增加,单个脉冲光斑上所聚集的能量越多,对材料烧蚀能力增大,因此凹槽宽度和深度越大。其中激光功率为40 W时,凹槽深度为50 μm,凹槽的宽度最大为487 μm。为了研究扫描次数对凹槽几何形貌的影响,使用白光干涉仪对激光功率35 W、扫描速度为300 mm/s的凹槽织构进行三维扫描,具体见图4。当扫描次数为2次时,凹槽内壁粗糙,激光脉冲对材料的去除不完全,凹槽深度较浅;当扫描次数为3次时,如图4(b)所示,凹槽的深度增加且内壁较为光滑整洁,加工质量理想;当扫描次数增加到4次时,凹槽织构深度最深,但凹槽边缘有少量的金属堆积物。因此,对于不同激光加工功率,选择合适的扫描次数对凹槽织构的几何尺寸和加工质量显得尤为必要。
【参考文献】：
期刊论文
[1]脂润滑条件下PTFE/GCr15激光织构表面滑动摩擦性能研究[J]. 解玄,尹必峰,华希俊,王皓,朱翊航,许晟,朱伟. 表面技术. 2019(08)
[2]激光微加工在微织构技术中的应用及研究进展[J]. 葛良辰,马剑军,曹宇鹏,葛桂兰,花国然,王振刚,蒋苏州. 激光与红外. 2019(08)
[3]飞秒激光加工织构及织构对磨损的影响研究[J]. 何霞,廖文玲,王国荣,李梦媛,蒋龙. 激光与红外. 2017(10)
[4]超硬刀具激光表面织构化及织构形貌控制[J]. 苏永生,李亮,高洪,王建彬,王刚. 激光与光电子学进展. 2017(12)
[5]45钢表面激光织构加工及其摩擦性能测试[J]. 赵恩兰,陈华威. 热加工工艺. 2015(10)
[6]激光表面织构化对45#钢干摩擦特性的影响[J]. 王斌,常秋英,齐烨. 润滑与密封. 2013(12)
[7]激光功率对45碳钢表面组织及性能的影响[J]. 任晶鑫,唐明忠,郭鹏,郑国阔. 热加工工艺. 2012(16)
[8]表面织构对发动机活塞/缸套摩擦性能的影响[J]. 刘一静,袁明超,王晓雷. 中国矿业大学学报. 2009(06)
[9]三牙轮钻头滑动轴承失效分析[J]. 黄志强,王晓凤,涂小芳,李琴,谭力. 西南石油大学学报(自然科学版). 2008(03)
[10]激光织构仿生非光滑表面抗磨性能研究[J]. 韩志武,任露泉,刘祖斌. 摩擦学学报. 2004(04)
博士论文
[1]牙轮钻头浮动套轴承工作机理研究[D]. 王国荣.西南石油学院 2004
硕士论文
[1]冲击滑动条件下激光织构化9Cr18表面的摩擦学行为研究[D]. 高雄开.哈尔滨工业大学 2017
[2]激光微织构发动机缸孔表面的润滑理论与试验研究[D]. 王林森.江苏大学 2016
本文编号：3483794
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