激光微造型表面摩擦磨损性能研究
采用声光调Q二级管泵浦固体光源(DPSS) Nd: YAG激光器对缸套试件表面进行了微造型网纹加工。在往复式活塞环-缸套摩擦磨损模拟试验机上进行了激光造型缸套试件与未造型光滑缸套试件的摩擦磨损性能对比试验研究。试验结果表明，在重载高速条件下，激光网纹试件与未造型试件相比，摩擦因数降低23 % ,磨损量降低66%，说明激光网纹沟槽具有贮油、积屑和动压润滑作用，同时激光加工的网纹淬火效应也有利于提高支承表面的耐磨抗擦伤性。
缸套和活塞环是内燃机一对重要的摩擦副，其摩擦学性能直接影响到内燃机的功率输出、使用寿命、油耗以及燃烧排放等重要指标。该摩擦副的工作环境恶劣，经常处于高温、高压、高速和高冲击负荷状态。在气缸与活塞环之间存在着从边界润滑、棍合润滑到完全流体润滑的各种状态，其磨损也包含着磨粒磨损、粘着磨损和腐蚀磨损等多种形式。理论研究和大量工程实践表明，摩擦副表面并非越光滑越好，一定的表面粗糙度反而有利于润滑油膜的形成从而减小摩擦磨损。但是，对于传统的机械珩磨和平台珩磨，其珩磨沟槽是随机形成的，紊乱无序，难以人为控制。激光表面微造型技术因其具有快速、低耗、清洁和易控制等一系列优点.被认为是一种特别适用的表面微造型手段。20世纪90年代后期，德国Gehring公司提出缸套激光珩磨技术概念(Laser Hoping)，利用高能量密度的激光束.进行工件表面的激光刻划，形成规则的珩磨沟槽，以显著改善润滑状况。德国Gehring公司和奥地利Opel Powertrain公司的应用研究表明，与采用平台珩磨缸套的发动机相比，采用激光珩磨缸套，可使发动机的磨损、排放及油耗等方面的性能指标得到明显的改善。近年来，先后有学者开展了激光微造型技术在一些重要摩擦副，如缸套活塞环、机械密封、以及推力轴承，等方面的应用研究。文献〔8〕研究表明摩擦副表面采用激光微造型处理能很好地适应高速、重载和高粘度润滑油场合。国内林子光研究了IAG激光网纹状淬火处理技术，通过在汽缸壁上形成诸多的”微油池”，有利于活塞环与汽缸壁间的润滑。为了考核激光微造型摩擦副表面的润滑减摩、耐磨性能，本文作者利用”往复式发动机缸套/活塞环摩擦磨损模拟试验装置”，分别对光滑缸套试件和激光网纹缸套试件，在3种不同工况条件下，进行摩擦磨损性能对比试验研究。
1 试验条件及方法
1.1 试件制备
本研究采用二极管泵浦Nd; YAG激光微造型设备激光器光束模式为TTM00输出波长有1 064 nm和532nm 2种。采用声光调Q控制产生脉冲激光，调Q重复频率1~50 kHz。光束质量系数M2< 2，发散角小于3 mrad，脉冲宽度小于或等于70 ns。该设备具有多维工作台联动，以及调Q开关、伺服电机、气阀、光闸联动控制等功能，可精确控制单个激光脉冲的输出。采用优化的激光工艺参数和特定的辅助工艺措施进行激光微造型加工。获得设计所要求的表面微观几何形貌，并经过抛光处理，以去除激光微加土产生的毛刺和熔渣试件种类及具休要求如表1所示试验用缸套磨损试件如图1所示。采用WykoNT1100测量的激光造型缸套试件表面网纹及三维形貌，结果如图2 (a)，(b)所示.
1.2 试验装置
试验采用合肥工业大学”往复式发动机缸套/活塞环摩擦磨损模拟试验装置”它是集压力、速度及供油可调节和摩擦力、温度测量等多种功能于一体的摩擦磨损实验设备。试验台主要结构如图3所示。用以实现往复运动的曲柄滑块机构取自一实际的内燃机曲轴一连杆一活塞系统，曲柄由电机驱动。活塞上固定一长杆及夹具带动上下活塞环试件与上下缸套试件作滑动摩擦.)润滑油由一可调节油量的油杯送至摩擦表面.
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1.3 试验方法
摩擦磨损性能对比试验在3种不同工况下进行，具体如表2所示。磨损实验前所有试件经抛光处理后，超声清洗，用丙酮清洗试样块，吹干后用天平称重(取2次称重均值)。试验通过杠杆作用加载，试件上实际作用的载荷为68.6 N。首先加载9. 8 N，曲柄转速600 r/min，跑合1h。跑合完成后调速至所需值，逐级加载至所需值。每次载荷增加4. 9 N，每级载荷至少运行30 min。载荷加到设定值后再持续运转10 h。在整个加载和正常磨损的过程中记录摩擦温度变化和摩擦力的变化。每次试验结束后，将试件用丙酮清洗吹干后称重。整个实验过程中保持润滑油供应速度不变(4-5 s/滴)。
2 试验结果与分析
2. 1 试验工况对摩擦因数的影响
在不同工况条件下，摩擦因数随载荷变化情况分别如图4-6所示。从图4可看出，在低速条件下，对于未造型缸套试件，摩擦因数随载荷的增大而增大而对于造型缸套试件，摩擦因数随载荷的增大而减小。说明随着载荷的增大，末造型光滑缸套试件表面的压强增大，出现由润滑油的挤出效应引起的贫油现象，造成摩擦因数增大。从图4, 5可看出在开始逐渐加载的过程中，造型表面的摩擦因数要大于未造型表面，这是由于低载时，虽然表面润滑油较充足，但中低速时动压润滑作用不明显，激光微加工带来的微小网纹毛刺会增大摩擦阻力;随着载荷的增加，网纹毛刺逐渐磨平，由于造型缸套表面的网纹沟槽具有储油作用，其改善润滑，降低摩擦的效果越来越显著;在中速条件下，造型缸套表面摩擦因数略低于未造型缸套试件
从图6可看出当滑动速度进步增大后，由于网纹储油的动压润滑效应更加显著，使得造型缸套的摩擦因数明显小于未造型缸套试件(如图6所示)，与未造型试件相比，摩擦因数降低23 %。试验中还发现，在高速条件下，对于未造型缸套试件，当加载至4 ~6 N时，出现了擦伤现象，故停止继续加载。说明造型缸套较未造型缸套试件具有更高的承载能力通过比较图4~6还可看出，随着滑动速度的增加，未造型缸套的贫油现象加剧，摩擦因数呈增大趋势。而对于造型缸套，由于网纹沟槽的储油、供油作用，滑动速度的增加反而有利于增强动压润滑效应。
2. 2 试验工况对摩擦温度的影响
试验工况对摩擦温度的影响如图7所示。对于激光造型试件，随着载荷或滑动速度的增加，摩擦功耗增加，因而摩擦温度也逐渐增大。
2. 3 试验工况对试件磨损的影响
试验工况对试件磨损的影响如图8所示。重载高速情况下造型缸套试件表面的磨损形貌如图9所示。可以看出试件表面仍保持光洁平整，磨痕较轻，网纹沟槽边缘未出现崩裂脱落现象。在各种工况下，造型缸套的磨损量均低于未造型缸套，在重载高速条件下，磨损量可降低66%。研究表明在摩擦副表面进行激光微造型，能显著改善润滑，降低磨损，其作用机制在于:(1)在摩擦副表面形成的激光网纹沟槽有利于形成具有一定厚度、稳定的动压油膜，从而形成动压润滑;(2)激光网纹沟槽油路，通过交义点相互连通，减少了贫油区的出现，降低了粘着磨损;(3)网纹沟槽具有收集磨粒作用.大大降低磨粒磨损;(4)在激光微加工网纹沟槽的同时，周围材料也得到了激光相变硬化处理，从而提高了抗磨性能。
3 结论
通过摩擦磨损性能对比试验，表明激光造型后，缸套表面产生的网纹沟槽具有储油、积屑和动压润滑作用，可以显著改善润滑状况，大大减少摩擦磨损，可望用于内燃机缸套内表面的巧磨处理，以降低摩擦，提高内燃机的机械效率和环保性能。激光微造型技术具有较大的技术优势.在凸轮、曲轴、推力轴承和密封环等重要摩擦副表面具有较好的推广应用前景。
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