CN107775285A - 一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法，通过对砂粒尺寸范围作统计分析，确定砂粒尺寸的分布规律，根据砂粒的尺寸设计二层织构结构：第一层织构结构的作用是产生动压效应，形成动压油膜，有利于上下导轨表面的分隔；第二层织构结构的作用是储存润滑油及捕获砂粒，当第二层织构结构深度较大时，能够储存较多的润滑油，用于补给导轨表面所需的润滑油，同时也有利于捕获更多的砂粒，减轻磨粒磨损，二层织构结构包括二层沟槽型织构结构和二层凹坑型织构结构两种类型，本发明解决了现有技术中存在的砂芯造型机导轨耐磨性差的问题。

Description

一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法
技术领域
本发明属于砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构技术领域，具体涉及一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法。
背景技术
砂芯造型机是铸造行业的核心装备，砂芯造型机将松散的型砂填入砂箱中；并通过震实、压实、震压、射压等方法使松散的型砂紧实、获得高强度的砂型，最终将成型的砂芯从模具中取出。砂芯造型机的工作环境中存在大量砂粒，当砂粒嵌入到砂芯造型机的导轨表面时，会使上下导轨表面发生严重的磨粒磨损，同时砂粒会使润滑油膜破裂，并且降低润滑油的流动性，不良的润滑加剧导轨的磨损，降低导轨的尺寸精度和使用寿命。目前提高导轨耐磨性能的主要措施有：(i)提高导轨表面硬度。通过表面淬火、渗碳渗氮等措施可以在一定程度上提高导轨表面硬度，改善导轨表面的抗磨损性能。但是，摩擦副的表面硬度与材料的韧性是一对矛盾，硬度过高容易出现表面的应力集中和韧性降低，易造成表面疲劳磨损，甚至使得表面产生微裂纹，在导轨运动过程中发生脆性剥落，不利于抗磨损性能的改善。(ii)镀覆自润滑涂层。通过表面镀覆自润滑涂层可以将上下导轨表面分隔，避免导轨基体的直接接触，可有效降低导轨表面磨损。但是在有硬磨粒存在的情况下，涂层极易被磨穿，导致涂层失效。此外，涂层与基体的结合强度受喷涂工艺参数影响显著，工艺参数不合理会导致涂层残余应力过大，容易发生脱落现象。
针对因大量砂粒造成砂芯造型机导轨严重磨损的情况，需要采取针对性的表面改性技术，以改善导轨的摩擦学性能。导轨表面织构化是一种具有优良减摩、耐磨作用的导轨表面改性技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法，解决了现有技术中存在的砂芯造型机导轨耐磨性差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法，对砂粒尺寸范围作统计分析，确定砂粒尺寸的分布规律，根据砂粒的尺寸设计二层织构结构：第一层织构结构的作用是产生动压效应，形成动压油膜，有利于上下导轨表面的分隔；第二层织构结构的作用是储存润滑油及捕获砂粒，当第二层织构结构深度较大时，能够储存较多的润滑油，用于补给导轨表面所需的润滑油，同时也有利于捕获更多的砂粒，减轻磨粒磨损。
本发明的特点还在于，
二层织构结构包括二层沟槽型织构结构和二层凹坑型织构结构两种类型。
二层沟槽型织构结构包括若干依次排列的二层沟槽型织构结构体，每个二层沟槽型织构结构体包括上下两层沟槽，沟槽的具体参数设计如下：第一层沟槽宽度w1为砂粒直径的2.00～10.00倍，第二层沟槽宽度w2为砂粒直径的1.10～8.00倍，织构总深度h2为砂粒直径的1.30～5.00倍，第一层沟槽深度h1为油膜厚度的0.75～2.00倍，相邻两沟槽间距s为1.50～100.00mm。
二层凹坑型织构结构包括若干呈行列形式排列的二层凹坑型织构结构体，每个二层凹坑型织构结构体包括上下两层凹坑，凹坑的具体参数设计如下：第一层凹坑直径d1为砂粒直径的2.00～10.00倍，第二层凹坑直径d2为砂粒直径的1.10～8.00倍，织构总深度h4为砂粒直径的1.30～5.00倍，第一层凹坑深度h3为油膜厚度的0.75～2.00倍，凹坑面积率：Sp＝[(πd1 2n)/4A]，其中d1为第一层凹坑直径，n为凹坑数量，A为导轨面积。
凹坑面积率Sp通过改变凹坑的横向间距s1及纵向间距s2调节，Sp＝10％～50％。
二层凹坑型织构结构的分布形式有：矩形阵列，发射线阵列及圆形阵列。
二层织构结构通过微细铣削或刻蚀工艺加工。
本发明的有益效果是，一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法，当导轨表面处于贫油润滑状态时，二层织构结构可以将织构内储存的润滑油补给到导轨表面，改善导轨表面的润滑状态，减轻磨损；当导轨表面处于流体润滑状态时，二层织构结构具有动压效应，提高油膜承载力，降低导轨表面的摩擦系数，提高耐磨性；当导轨表面有砂粒等磨粒存在时，二层织构结构可以捕获磨粒，减少参与犁切的砂粒数量，提高导轨表面的耐磨性。因此，通过表面织构化，可有效提高导轨表面的耐磨性和使用寿命。
附图说明
图1是本发明一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法中二层沟槽型织构结构示意图；
图2是本发明一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法中二层沟槽型织构结构俯视图；
图3是本发明一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法中图2的A-A向剖视图；
图4是本发明一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法中二层凹坑型织构结构示意图；
图5是本发明一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法中二层凹坑型织构结构的俯视图；
图6是本发明一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法中图5的B-B向剖视图；
图7是本发明一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法中无织构试样与二层沟槽织构试样的摩擦系数曲线对比图；
图8是本发明一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法中无织构试样与二层沟槽织构试样的磨痕轮廓对比图。
图中，1.第一层沟槽，2.第二层沟槽，3.导轨，4.第一层凹坑，5.第二层凹坑，6.二层沟槽型织构体，7.二层凹坑型织构体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法，对砂粒尺寸范围作统计分析，确定砂粒尺寸的分布规律，根据砂粒的尺寸设计二层织构结构：第一层织构结构的作用是产生动压效应，形成动压油膜，有利于上导轨与下导轨3表面的分隔；第二层织构结构的作用是储存润滑油及捕获砂粒，当第二层织构结构深度较大时，能够储存较多的润滑油，用于补给导轨3表面所需的润滑油，同时也有利于捕获更多的砂粒，减轻磨粒磨损。
二层织构结构包括二层沟槽型织构结构和二层凹坑型织构结构两种类型。
其中，如图1～图3所示，二层沟槽型织构结构包括若干依次排列的二层沟槽型织构结构体6，每个二层沟槽型织构结构体6包括上下两层沟槽，沟槽的具体的参数设计如下：第一层沟槽1宽度w1为砂粒直径的2.00～10.00倍，第二层沟槽2宽度w2为砂粒直径的1.10～8.00倍，织构总深度h2为砂粒直径的1.30～5.00倍，第一层沟槽1深度h1为油膜厚度的0.75～2.00倍，相邻两沟槽间距s为1.50～100.00mm，为了保证润滑油不从四面泄漏，提高储油功能，在端面边缘保留5～10mm的非加工尺寸，在加工织构之前，先对导轨3表面进行精加工，使表面粗糙度Ra在0.10μm左右，织构加工完成后进行磨削加工，以去除加工织构时产生的毛刺，要保证磨削之后织构总深度h2为砂粒直径的1.30～5.00倍，第一层沟槽深度h1为油膜厚度的0.75～2.00倍。
如图4～图6所示，二层凹坑型织构结构的参数设计如下：第一层凹坑4直径d1为砂粒直径的2.00～10.00倍，第二层凹坑5直径d2为砂粒直径的1.10～8.00倍，织构总深度h4为砂粒直径的1.30～5.00倍，第一层凹坑4深度h3为油膜厚度的0.75～2.00倍，凹坑面积率：其中d1为第一层凹坑4直径，n为凹坑数量，A为导轨3面积，凹坑面积率Sp通过改变凹坑的横向间距s1及纵向间距s2调节，Sp＝10％～50％。在加工织构之前，先对导轨3表面进行精加工，使表面粗糙度Ra在0.10μm左右，织构加工完成后进行磨削加工，以去除加工织构时产生的毛刺，磨削之后保证织构总深度h4为砂粒直径的1.30～5.00倍，第一层凹坑深度h3为油膜厚度的0.75～2.00倍。
二层凹坑型织构结构的分布形式有：矩形阵列，发射线阵列及圆形阵列。
本方法中，二层织构结构通过微细铣削或刻蚀工艺加工。
实施例1
本发明一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法，通过微细铣削加工二层沟槽型织构结构，织构形貌如图2、图3所示，织构参数如下：第一层沟槽1的沟槽深度h1＝0.02mm，沟槽总深度h2＝0.42mm；第一层沟槽宽度w1＝1.50mm；第二层沟槽2的沟槽宽度w2＝1.00mm；沟槽间距s＝3.05mm，先对待加工导轨3表面进行精加工，使导轨表面粗糙度Ra在0.10μm左右，导轨3表面精加工之后，在高速微细铣床通过直径的微细铣刀，加工沟槽织构，先加工第一层沟槽1：对刀完成后，铣刀以40000r/min的速度高速旋转，同时铣刀相对导轨表面沿铣刀轴线下降0.12mm，对导轨表面进行铣削加工；之后铣刀沿Y方向以0.50mm/s的速度走刀，在距离导轨边缘5.00mm时停止，并以相同的进给速度沿X方向走刀0.50mm；再沿Y负向走刀，回到起始位置，第一层沟槽加工完成。再加工第二层沟槽2，二层沟槽织构加工完成后，对导轨3表面进行磨削加工，去除铣削过程中形成的毛刺，磨削余量0.10mm，保证h1＝0.02mm，h2＝0.42mm。
实施例2
通过微细铣削加工二层凹坑型织构结构，织构形貌如图4、图5所示。织构参数如下：第一层凹坑4的凹坑深度h3＝0.02mm，凹坑总深度h4＝0.42mm；第一层凹坑直径d1＝Φ1.50mm，第二层凹坑5的直径d2＝Φ1.00mm；X向与Y向间距s1＝s2＝3.05mm。先对待加工导轨3表面进行精加工，使导轨表面粗糙度Ra在0.10μm左右。加工第一层凹坑4：对刀结束后，直径Φ1mm的铣刀以40000r/min的速度高速旋转，以0.50mm/s的进给速度沿Z负向相对于导轨表面下降0.12mm，之后铣刀以当前刀具轴线为回转中心，铣削直径Φ1.50mm的第一层凹坑。第一层凹坑4加工完成后，铣刀沿第一层凹坑4中线向Z负向进给0.40mm，进给速度0.50mm/s，加工第二层凹坑5。第二层凹坑5加工完成后，铣刀沿Z向移动0.60mm退刀，再沿X或Y向移动3.05mm加工下一个二层凹坑型织构结构。当所有二层凹坑型织构结构加工完成后，对导轨3表面进行磨削加工，去除铣削毛刺，磨削余量0.10mm，保证h3＝0.02mm，h4＝0.42mm。
对本发明一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法进行摩擦学性能分析如下：
根据实施例1的二层沟槽织构参数，在QT450圆盘表面加工二层沟槽织构。加工完成后分别通过600#、800#、1000#、1200#砂纸打磨试样表面，去除加工毛刺，获得表面粗糙度Ra＝0.07μm的盘试样表面。打磨之后，在无水乙醇中超声波清洗试样10min，以去除盘试样表面油脂、污渍等。试样清洗结束后烘干备用。
针对上述织构试样，在销-盘摩擦磨损试验机上进行摩擦学性能试验。销试样固定，盘试样做旋转运动。对磨的销试样直径Φ2.00mm，材料Q235。试验条件如下：载荷500g，盘试样的旋转速度100r/min，润滑剂为混合有砂粒的润滑油，砂粒浓度5％，砂粒直径≤0.30mm，试验时间30min，试验温度为室温。在相同试验条件下，对无织构试样进行试验，作为对照组。试验结果如图7和图8所示。
由图7可见，在启动阶段，无织构试样摩擦系数从0.42迅速下降到0.2左右，摩擦系数出现剧烈突变，之后摩擦系数稳定在0.19左右。摩擦系数突变不利于摩擦系统的平稳启动，当造型机导轨的摩擦系数有突变时，易导致导轨在启动或低速运动时的爬行现象。二层沟槽织构试样在启动阶段未出现摩擦系数的剧烈突变，在磨合期摩擦系数有小幅波动，摩擦系数最终稳定在0.15左右。相比无织构试样，二层沟槽织构试样的摩擦系数减小21.05％。故二层沟槽织构表面可满足导轨表面低摩擦的需求。
由图8可见，在砂粒存在的情况下，无织构试样磨痕区的表面粗糙度Ra＝0.391μm，二层沟槽织构试样磨痕区的表面粗糙度Ra＝0.169μm。无织构试样磨痕区的表面粗糙度为二层沟槽织构试样的2.31倍，这说明无织构试样的磨损更为严重，二层沟槽织构改善了试样的耐磨性。当试样表面有砂粒存在时，砂粒始终犁切无织构试样表面，造成严重的磨粒磨损；当试样表面加工有二层沟槽织构时，砂粒在运动过程中被织构捕获，减少了参与犁切的砂粒数量，因此二层沟槽织构试样的耐磨性得到改善。
对本领域内的技术人员来说，在不脱离本方法的实质范围内，对上述实施例进行适当的替换或修改都将落在本发明权利要求的范围内，实施例仅仅是例证性，而不是对本发明的限定，本发明的范围由所附的权利要求所定义。

Claims (7)

1.一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法，其特征在于，对砂粒尺寸范围作统计分析，确定砂粒尺寸的分布规律，根据砂粒的尺寸设计二层织构结构：第一层织构结构的作用是产生动压效应，形成动压油膜，有利于上导轨与下导轨(3)表面的分隔；第二层织构结构的作用是储存润滑油及捕获砂粒，当第二层织构结构深度较大时，能够储存较多的润滑油，用于补给导轨(3)表面所需的润滑油，同时也有利于捕获更多的砂粒，减轻磨粒磨损。
2.根据权利要求1所述的一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法，其特征在于，所述二层织构结构包括二层沟槽型织构结构和二层凹坑型织构结构两种类型。
3.根据权利要求2所述的一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法，其特征在于，所述二层沟槽型织构结构包括若干依次排列的二层沟槽型织构结构体(6)，每个二层沟槽型织构结构体(6)包括上下两层沟槽，沟槽的具体参数设计如下：第一层沟槽(1)宽度w1为砂粒直径的2.00～10.00倍，第二层沟槽(2)宽度w2为砂粒直径的1.10～8.00倍，织构总深度h2为砂粒直径的1.30～5.00倍，第一层沟槽(1)深度h1为油膜厚度的0.75～2.00倍，相邻两沟槽间距s为1.50～100.00mm。
4.根据权利要求2所述的一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法，其特征在于，所述二层凹坑型织构结构包括若干呈行列形式排列的二层凹坑型织构结构体(7)，每个二层凹坑型织构结构体(7)包括上下两层凹坑，凹坑的具体参数设计如下：第一层凹坑(4)直径d1为砂粒直径的2.00～10.00倍，第二层凹坑(5)直径d2为砂粒直径的1.10～8.00倍，织构总深度h4为砂粒直径的1.30～5.00倍，第一层凹坑(4)深度h3为油膜厚度的0.75～2.00倍，凹坑面积率：Sp＝[(πd1 2n)/4A]，其中d1为第一层凹坑(4)直径，n为凹坑数量，A为导轨(3)面积。
5.根据权利要求4所述的一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法，其特征在于，获得所述不同的凹坑面积率Sp通过改变凹坑的横向间距s1和纵向间距s2，Sp＝10％～50％。
6.根据权利要求4所述的一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法，其特征在于，所述二层凹坑型织构结构的分布形式有：矩形阵列，发射线阵列及圆形阵列。
7.根据权利要求1～6所述的任一项一种提高砂芯造型机导轨耐磨性的表面织构化方法，其特征在于，所述二层织构结构通过微细铣削或刻蚀工艺加工。
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