表面形貌表征及激光微造型表面摩擦特性研究

论文摘要

三维表面形貌的微观结构对表面的摩擦、润滑及密封等性能有着重要的影响。为了研究表面形貌的结构特征与表面摩擦学特性的相关性,本文针对具有规则微凹坑的激光微造型缸套表面,分别用表面连通性分析和封闭空体体积分析两种方法对表面形貌特性进行了表征,并基于试验探讨了几种激光微造型缸套表面形貌在往复运动中的摩擦学性能。采用数字图像处理技术,对规则凹坑表面进行了模拟。选择模拟图像承载面积比为80%的截面,作为评价连通性和计算封闭空体体积的基准面。连通性计算的结果表明,规则凹坑表面的连通性系数主要受凹坑半径与凹坑间距的影响,并且随凹坑半径的增加而增大;随凹坑间距的增加而减小。表面连通性分析方法,可以对不同表面形貌结构的连通程度进行比较准确的描述。封闭空体体积的计算结果表明,封闭空体体积受凹坑表面参数变化的影响比较复杂,两者的综合影响还需要更多的深入分析。采用光纤激光加工设备,在缸套的上下止点表面上加工出了具有不同尺寸的规则分布的圆形凹坑,并对凹坑表面形貌进行测量和表征。将几种尺寸的凹坑表面及无凹坑结构的原始缸套表面,在缸套—活塞环往复磨损试验机上,进行了面接触条件下的摩擦试验。结果表明:表面微凹坑大小、凹坑间距等参数直接影响着接触区域内的凹坑数量及油膜压力的分布,凹坑间距约为凹坑直径的2倍时,摩擦系数和磨损量均较小。表面激光微造型之后,试样摩擦温升有所增加,磨损量明显减少。本文的试验研究结果将会对诸如滑动导轨、滑动轴承、活塞环—缸套等面接触机械零件的润滑设计问题起到积累试验数据和设计依据的作用。对于其它接触形式的摩擦副,具有一定的参考价值,研究结果具有一定的理论和实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 表面微造型方法
• 1.1.2 激光表面微造型的特点与应用
• 1.1.3 激光微造型表面摩擦学特性研究的现状
• 1.2 激光微造型表面形貌表征的研究现状
• 1.3 课题的来源
• 1.4 本论文的研究目的和主要内容
• 第二章 表面形貌的表征研究
• 2.1 引言
• 2.2 表面形貌模拟及数字化
• 2.2.1 表面形貌模拟
• 2.2.2 表面数字图像处理
• 2.3 表面形貌的三维表征
• 2.3.1 三维表面的连通性表征
• 2.3.2 三维表面的封闭空体体积表征
• 2.4 激光微造型表面的连通性计算
• 2.5 小结
• 第三章 表面激光微制造研究
• 3.1 引言
• 3.2 光纤激光器的特点
• 3.3 激光微造型对摩擦副表面的影响
• 3.3.1 对表面结构的影响
• 3.3.2 对表面摩擦学特性的影响
• 3.4 本次试验的表面试样加工参数
• 3.4.1 激光微造型设备简介
• 3.4.2 激光加工区域与凹坑尺寸设计
• 3.5 表面形貌的测量
• 3.5.1 轮廓形貌
• 3.5.2 表面图像
• 3.5.3 三维表面形貌测量
• 3.6 小结
• 第四章 激光微造型表面的摩擦磨损试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验装置与测量设备介绍
• 4.2.1 试验台架结构
• 4.2.2 检测原理
• 4.3 摩擦磨损试验准备
• 4.3.1 试验中试样的装夹
• 4.3.2 润滑油的选择
• 4.4 试验条件与试验过程
• 4.4.1 试验条件
• 4.4.2 试验过程
• 4.5 试验结果
• 4.5.1 对比试验的结果
• 4.5.2 试验结果及讨论
• 4.6 对相关试验结果的分析
• 4.7 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 总结
• 5.2 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文