CN111687591A - 一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构及其制作方法，本发明设计了一种筝形表面织构，表面织构的基本单元结构为筝形形状的凹坑，排列方式可为矩阵型排布，圆形均匀排布或圆形射线排布。筝形表面织构是在机械零件表面加工筝形单元形状凹坑，润滑油经由织构而形成的流体动压效应，在机械的运动接触表面能够提高油膜承载力和减小摩擦。该表面织构制作方法简单，成本低，易实现，微织构的结构可根据实际情况进行调整，应用前景较广。

Description

一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构及其制作方法
技术领域
本发明属于机械摩擦学润滑技术领域，涉及一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构，还涉及该表面织构的制作方法。
背景技术
表面织构技术作为一种提高机械零件摩擦学性能的手段已为人们所熟知。目前，表面织构技术在缸套、轴承、密封及汽车发动机等领域被应用广泛，都表现出良好的摩擦学特性，并且有效改善了机械的摩擦磨损问题，延长了设备的使用寿命。随着现代加工技术的发展，表面织构是通过电化学、超声及激光加工等技术进行加工。目前应用的表面织构包括圆形、三角形、椭圆形及沟槽形等简单图案。然而简单规则织构形状的流体动压效应并非最优，并不能满足所有的摩擦问题的改善要求。以圆形为例，无论运动方向是哪个角度，它的流体动压效应都相同，并不能使流体动压效应最大化；并且在重载条件下，面积比相同的情况下，周长最小，那么织构边缘接触应力区面积就会最小；以三角形为例，运动方向从角到边会导致正压力区过于分散，减弱流体动压效应。因此，需要设计一种发散域和收敛域大小不同且合适的织构形状来增强流体动压效应，并且能够在同面积比条件下增大周长的织构形状，能够减少织构表面接触应力集中造成的不利于减摩、耐磨的反作用，提高油膜承载力和减小摩擦。
风筝升空是利用空气的动力，风筝以一定的倾角运动，下翼面的气流对风筝的作用力使风筝向上运动。此现象类似于微织构油膜流体动压效应的举升力，使得上下两表面分离。本发明依据风筝升空的原理设计了一种筝形表面织构，可实现增强流体动压效应，增大油膜承载力，减小摩擦。该表面织构制作方法简单，成本低，易实现，微织构的结构可根据实际情况进行调整，应用前景较广。
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发明内容
本发明的目的是提供一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构，具有可实现增强流体动压效应，增大油膜承载力，减小摩擦的特点。
本发明的另一个目的是提供一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，具有制作方法简单，成本低，易实现的特点。
本发明所采用的第一个技术方案是，一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构，表面织构的基本单元结构为筝形形状的凹坑，排列方式可为矩阵型排布，圆形均匀排布或圆形射线排布。
本发明所采用的另一个技术方案是，一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、是对基体表面进行表面处理，首先对基体表面的毛刺进行抛光处理，然后对抛光处理后的表面进行超声清洗；
步骤2、对基体进行激光加工，按照所需要加工的深度进行调节激光设备参数；
步骤3、根据所需表面织构排布方式的选择对应的加工工艺，加工即得具有减摩和提高油膜承载力的表面织构。
本发明的特点还在于：
表面织构的倾斜角度为筝形的长轴与接触体运动方向的夹角，倾斜角度θ的取值范围为0°到180°。
表面织构的面积率Sp为筝形织构的面积大小与单元正方向的比值，面积率Sp的取值范围为5％到36％。
表面织构的深度为基体表面与筝形凹坑底部的距离，深度大小的取值范围为5μm到30μm。
表面织构的边夹角为筝形中的一对相等对角的大小，边夹角A的取值范围为60°到140°。
筝形表面织构的大小为织构的整体大小，将织构的短边与长边的比值定义为比例系数γ，取值为2/3，短边a的取值范围为140μm到400μm。
步骤2中激光设备参数包括加工次数1次～4次，重复频率35kHz～40kHz，填充线间距0.001mm～0.003mm，扫描速度25mm/s～50mm/s，深度的参数范围为5μm到30μm。
加工工艺包括有加工筝形表面织构矩形阵排布方式工艺、加工筝形表面织构圆形均匀排布方式及加工筝形表面织构圆形射线排布方式工艺。
加工筝形表面织构矩形阵排布方式工艺具体为：将绘制好的图形设定中心为原点，将紫外线光点对准至矩阵对角线交点中央，进行标刻；
加工工艺包括有加工筝形表面织构圆形均匀排布方式及筝形表面织构圆形射线排布方式工艺，具体为：将绘制好的图形设定中心为原点，将紫外线光点对准至基体圆心，进行标刻。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用筝形织构上游的油压降低形成负压区，下游油膜压力增大形成正压区，产生额外的正压力来提高油膜承载力和减小摩擦。该织构可用于运动接触表面的在润滑条件下减小摩擦的措施，如导轨，轴承等。
2、本发明的表面织构制作方法简单，成本低，易实现，微织构的结构可根据实际情况进行调整，应用前景较广。
附图说明
图1是本发明一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的筝形织构形状设计图；
图2是一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的三维单元筝形织构图；
图3是一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的筝形织构矩阵型排布图；
图4是一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的筝形织构圆型均匀排布图；
图5是一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的筝形织构圆型射线排布图；
图6是一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的不同面积率摩擦系数变化曲线。
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。
一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构，如图1、2所示，表面织构的基本单元结构为筝形形状的凹坑，排列方式可为矩阵型排布，圆形均匀排布或圆形射线排布。
表面织构的倾斜角度为筝形的长轴与接触体运动方向的夹角，倾斜角度θ的取值范围为0°到180°。
表面织构的面积率Sp为筝形织构的面积大小与单元正方向的比值，面积率Sp的取值范围为5％到36％。
表面织构的深度为基体表面与筝形凹坑底部的距离，深度大小的取值范围为5μm到30μm。
表面织构的边夹角为筝形中的一对相等对角的大小，边夹角A的取值范围为60°到140°。
筝形表面织构的大小为织构的整体大小，将织构的短边与长边的比值定义为比例系数γ，取值为2/3，短边a的取值范围为140μm到400μm。
本发明是一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构，其有益效果在于：
1、筝形的表面织构可根据实际情况调整发散域和收敛域的大小，发散域范围小于收敛域大小产生的额外的油膜承载力大于发散域范围大于收敛域的油膜承载力。
2、筝形的表面织构能够在同面积比下增大周长的织构形状，能够减少织构表面接触应力集中，从而增强织构的油膜承载力和减摩作用。
本发明是一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构，其工作原理：
筝形织构具有两个大小不同的尖端，一般无论从哪个方向经过筝形织构，都能达到提升油膜承载力的效果，但若是运动方向从小尖端到大尖端会形成小的发散域和大的收敛域，由于流体动压效应的作用，会使收敛域产生额外的正压力，提升油膜承载力。并且在面积率、深度、边夹角和织构大小合适的情况下会使流体动压效应最大化，那么油膜承载力就会最大。同面积率下筝形织构的周长较大，织构边缘接触应力区面积较大，能够减少织构表面接触应力集中造成的不利于减摩、耐磨的反作用。筝形织构的制作方法比较简单，容易实现。
一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、是对基体表面进行表面处理，首先对基体表面的毛刺进行抛光处理，然后对抛光处理后的表面进行超声清洗；
步骤2、对基体进行激光加工，按照所需要加工的深度进行调节激光设备参数；
步骤3、根据所需表面织构排布方式的选择对应的加工工艺，加工即得具有减摩和提高油膜承载力的表面织构。
步骤2中激光设备参数包括加工次数1次～4次，重复频率35kHz～40kHz，填充线间距0.001mm～0.003mm，扫描速度25mm/s～50mm/s，深度的参数范围为5μm到30μm。
加工工艺包括有加工筝形表面织构矩形阵排布方式工艺、加工筝形表面织构圆形均匀排布方式及加工筝形表面织构圆形射线排布方式工艺。
加工筝形表面织构矩形阵排布方式工艺具体为：将绘制好的图形设定中心为原点，将紫外线光点对准至矩阵对角线交点中央，进行标刻；
加工工艺包括有加工筝形表面织构圆形均匀排布方式及筝形表面织构圆形射线排布方式工艺，具体为：将绘制好的图形设定中心为原点，将紫外线光点对准至基体圆心，进行标刻。
图3为筝形织构矩阵型排布图，在零件基体表面利用激光进行矩阵型光刻，以整体的织构布置为矩形，将紫外线的原点与矩形对角线交点重合后进行加工。
图4为筝形织构圆型均匀排布图，在零件基体表面利用激光进行圆型均匀光刻，对织构之间的距离及阵列角度严格计算，将激光的紫外线原点对准基体圆心进行加工。
图5为筝形织构圆型射线排布图，与圆型均匀排布方式加工过程的不同是在设计时将整列织构进行阵列。
图6为不同面积率摩擦系数变化曲线，从图6中可以看出：具有筝形表面织构的表面相对于无织构表面(即面积率为0)的摩擦系数明显较小，说明筝形表面织构能够提高油膜承载力，具有较为明显的减摩作用。
实施例1
一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、是对基体表面进行表面处理，首先对基体表面的毛刺进行抛光处理，然后对抛光处理后的表面进行超声清洗；
步骤2、对基体进行激光加工，按照所需要加工的深度进行调节激光设备参数；
步骤3、根据所需表面织构排布方式的选择筝形表面织构矩形阵排布方式工艺，加工即得具有减摩和提高油膜承载力的表面织构。
步骤2中激光设备参数包括加工次数1次，重复频率35kHz，填充线间距0.001mm，扫描速度50mm/s，深度的参数范围为5μm。
加工筝形表面织构矩形阵排布方式工艺具体为：将绘制好的图形设定中心为原点，将紫外线光点对准至矩阵对角线交点中央，进行标刻。
实施例2
一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、是对基体表面进行表面处理，首先对基体表面的毛刺进行抛光处理，然后对抛光处理后的表面进行超声清洗；
步骤2、对基体进行激光加工，按照所需要加工的深度进行调节激光设备参数；
步骤3、根据所需表面织构排布方式的选择加工筝形表面织构圆形均匀排布方式工艺，加工即得具有减摩和提高油膜承载力的表面织构。
步骤2中激光设备参数包括加工次数1次，重复频率40kHz，填充线间距0.001mmmm，扫描速度25mm/s，深度的参数范围为8μm。
加工筝形表面织构圆形均匀排布方式具体为：将绘制好的图形设定中心为原点，将紫外线光点对准至基体圆心，进行标刻。
实施例3
一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、是对基体表面进行表面处理，首先对基体表面的毛刺进行抛光处理，然后对抛光处理后的表面进行超声清洗；
步骤2、对基体进行激光加工，按照所需要加工的深度进行调节激光设备参数；
步骤3、根据所需表面织构排布方式的选择加工筝形表面织构圆形射线排布方式工艺，加工即得具有减摩和提高油膜承载力的表面织构。
步骤2中激光设备参数包括加工次数2次，重复频率35kHz，填充线间距0.001mm，扫描速度25mm/s，深度的参数范围为13μm。
筝形表面织构圆形射线排布方式工艺，具体为：将绘制好的图形设定中心为原点，将紫外线光点对准至基体圆心，进行标刻。
实施例4
一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、是对基体表面进行表面处理，首先对基体表面的毛刺进行抛光处理，然后对抛光处理后的表面进行超声清洗；
步骤2、对基体进行激光加工，按照所需要加工的深度进行调节激光设备参数；
步骤3、根据所需表面织构排布方式的选择筝形表面织构矩形阵排布方式工艺，加工即得具有减摩和提高油膜承载力的表面织构。
步骤2中激光设备参数包括加工次数4次，重复频率35kHz，填充线间距0.001mm，扫描速度50mm/s，深度的参数范围为22μm。
加工筝形表面织构矩形阵排布方式工艺具体为：将绘制好的图形设定中心为原点，将紫外线光点对准至矩阵对角线交点中央，进行标刻；
实施例5
一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、是对基体表面进行表面处理，首先对基体表面的毛刺进行抛光处理，然后对抛光处理后的表面进行超声清洗；
步骤2、对基体进行激光加工，按照所需要加工的深度进行调节激光设备参数；
步骤3、根据所需表面织构排布方式的选择筝形表面织构圆形均匀排布方式，加工即得具有减摩和提高油膜承载力的表面织构。
步骤2中激光设备参数包括加工次数3次，重复频率37.5kHz，填充线间距0.001mm，扫描速度25mm/s，深度的参数范围为30μm。
加工筝形表面织构圆形均匀排布方式具体为：将绘制好的图形设定中心为原点，将紫外线光点对准至基体圆心，进行标刻。
实施例6
一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、是对基体表面进行表面处理，首先对基体表面的毛刺进行抛光处理，然后对抛光处理后的表面进行超声清洗；
步骤2、对基体进行激光加工，按照所需要加工的深度进行调节激光设备参数；
步骤3、根据所需表面织构排布方式的选择筝形表面织构矩形阵排布方式工艺，加工即得具有减摩和提高油膜承载力的表面织构。
步骤2中激光设备参数包括加工次数2次，重复频率38kHz，填充线间距0.002mm，扫描速度29mm/s，深度的参数范围为25μm。
加工筝形表面织构矩形阵排布方式工艺具体为：将绘制好的图形设定中心为原点，将紫外线光点对准至矩阵对角线交点中央，进行标刻。
实施例7
一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、是对基体表面进行表面处理，首先对基体表面的毛刺进行抛光处理，然后对抛光处理后的表面进行超声清洗；
步骤2、对基体进行激光加工，按照所需要加工的深度进行调节激光设备参数；
步骤3、根据所需表面织构排布方式的选择筝形表面织构矩形阵排布方式工艺，加工即得具有减摩和提高油膜承载力的表面织构。
步骤2中激光设备参数包括加工次数3次，重复频率36kHz，填充线间距0.003mm，扫描速度45mm/s，深度的参数范围为17μm。
加工筝形表面织构矩形阵排布方式工艺具体为：将绘制好的图形设定中心为原点，将紫外线光点对准至矩阵对角线交点中央，进行标刻。

Claims (10)

1.一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构，其特征在于，所述表面织构的基本单元结构为筝形形状的凹坑，排列方式可为矩阵型排布，圆形均匀排布或圆形射线排布。
2.根据权利要求1所述的一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构，其特征在于，所述表面织构的倾斜角度为筝形的长轴与接触体运动方向的夹角，所述倾斜角度θ的取值范围为0°到180°。
3.根据权利要求1所述的一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构，其特征在于，所述表面织构的面积率Sp为筝形织构的面积大小与单元正方向的比值，所述面积率Sp的取值范围为5％到36％。
4.根据权利要求1所述的一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构，其特征在于，所述表面织构的深度为基体表面与筝形凹坑底部的距离，所述深度大小的取值范围为5μm到30μm。
5.根据权利要求1所述的一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构，其特征在于，所述表面织构的边夹角为筝形中的一对相等对角的大小，所述边夹角A的取值范围为60°到140°。
6.根据权利要求1所述的一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构，其特征在于，所述筝形表面织构的大小为织构的整体大小，将织构的短边与长边的比值定义为比例系数γ，取值为2/3，短边a的取值范围为140μm到400μm。
7.一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、是对基体表面进行表面处理，首先对基体表面的毛刺进行抛光处理，然后对抛光处理后的表面进行超声清洗；
步骤2、对基体进行激光加工，按照所需要加工的深度进行调节激光设备参数；
步骤3、根据所需表面织构排布方式的选择对应的加工工艺，加工即得具有减摩和提高油膜承载力的表面织构。
8.根据权利要求7所述的一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，其特征在于，所述步骤2中激光设备参数包括加工次数1次～4次，重复频率35kHz～40kHz，填充线间距0.001mm～0.003mm，扫描速度25mm/s-50mm/s，深度的参数范围为5μm到30μm。
9.根据权利要求7所述的一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，其特征在于，所述加工工艺包括有加工筝形表面织构矩形阵排布方式工艺、加工筝形表面织构圆形均匀排布方式及加工筝形表面织构圆形射线排布方式工艺。
10.根据权利要求7所述的一种具有减摩和提高油膜承载力的表面织构的制作方法，其特征在于，所述加工筝形表面织构矩形阵排布方式工艺具体为：将绘制好的图形设定中心为原点，将紫外线光点对准至矩阵对角线交点中央，进行标刻；
加工筝形表面织构圆形均匀排布方式及筝形表面织构圆形射线排布方式工艺，具体为：将绘制好的图形设定中心为原点，将紫外线光点对准至基体圆心，进行标刻。
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