CN112303125B - 一种在表面加工有微造型的滑动轴承及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种在表面加工有微造型的滑动轴承及其制备方法,涉及轴承表面处理技术领域,本发明采用激光冲击和激光刻蚀复合加工工艺在滑动轴承轴瓦表面加工出以连续网纹连接的凹坑阵列形貌,促进润滑油的流动使之更为均匀的分布在整个相对运动表面,凹坑阵列在滑动轴承稳定运转时可起到增强动压润滑的效果;连续网纹的微槽结构可以更加有效发挥启动阶段微凹坑的储油、供油功能,提高轴承的亲油性能,利于油膜的形成,降低干摩擦,减少启动力矩,在轴承表面形成流体动压润滑,从而改善润滑性能。
Description
技术领域
本发明涉及轴承表面处理技术领域,具体为一种在表面加工有微造型的滑动轴承及其制备方法。
背景技术
滑动轴承是许多机械中不可缺少的一部分,在液体润滑条件下,滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触,还可以大大减小摩擦损失和表面磨损,油膜还具有一定的吸振能力。为了改善轴瓦表面的摩擦性能而在其内表面上浇铸的减摩材料层形成轴承衬。轴承衬内壁需要生成储油结构,以储存润滑油,减少摩擦磨损,保证滑动轴承轴瓦—轴颈运动副的寿命。
目前滑动轴承表面改性的方法大致分为以下几种:(1)改变轴承材料的成分(2)在轴承表面加工沟槽或凹坑等储油织构,改善润滑性能(3)在轴承表面喷涂镀上涂层。申请号为CN201510864221.8的专利公开了一种改变轴承组成成分的制备方法,但是在轴承的相对运动表面没有设置储油结构,轴承储油及润滑效果不明显。申请号为CN201710036697.1的专利公开了一种轴承自润滑耐磨涂层,可提高轴承的自润滑及耐磨性能,但是涂层和基体在长期在高温高压腐蚀性较强的情况下工作,涂层易脱落。申请号为CN201611127161.2的专利存在微织构单一,形貌加工困难,启动阶段微凹坑储油、供油功能难以发挥,以及启动阶段润滑油流动困难的问题。
发明内容
发明目的:本发明针对现有技术的不足,提供一种在表面加工有微造型的滑动轴承及其制备方法,本发明采用激光冲击与激光烧蚀复合加工工艺在轴瓦表面加工出以连续网纹连接的凹坑阵列形貌,激光冲击利用高功率,短脉冲的激光束通过透明约束层照射在金属表面上的吸收层时产生远大于材料屈服强度的冲击波,使材料表面产生塑性形变,形成凹坑,可提高轴承运转时的动压润滑效果,并且材料内部出现亚晶界,晶粒细化,产生大量残余压应力,从而提高材料表面硬度,增强材料的抗磨损能力;连续网纹织构可以促进润滑油的流动使之更为均匀的分布在整个相对运动表面,更加有效地发挥微凹坑的储油、供油功能,降低干摩擦,减少启动力矩,提高轴承的亲油性能,利于油膜的形成,从而改善润滑性能。通过在轴瓦表面设置以连续网纹连接的凹坑阵列,以减小滑动轴承运行的摩擦力,达到减摩效果,提高滑动轴承的耐磨性能,改善其润滑性能,大大提升滑动轴承的使用寿命。
技术方案:
包括以下几个步骤:
步骤1:预处理:对轴承轴瓦表面进行抛光并清洗晾干,得到光滑的轴承轴瓦表面;
步骤2:激光冲击加工处理:在轴瓦表面喷涂一层0.05-0.1mm厚的黑漆作为能量吸收层,在能量吸收层黑漆上设有1-2mm厚的水帘作为约束层;将喷涂黑漆的轴瓦通过夹具固定,安装于载物台上;开启脉冲激光器,其波长为1064nm,脉冲宽度为8ns;设置激光冲击工艺参数:激光能量为0-2J,光斑直径为0.4-1mm。激光束从激光器由左至右水平地发出,与轴承的轴线方向垂直,通过聚焦透镜聚焦,照射在预先处理好的轴瓦上,通过控制XYZR三轴移动旋转平台运动调整轴瓦的位置,利用激光器在轴瓦表面加工出阵列式半球形凹坑,其直径d为0.4-1mm,深度h1为0.01-0.1mm,间距T1为1.2-1.8mm,位错k为0.5d-d。激光冲击加工完成,用丙酮清洗去除表面喷涂的能量吸收层黑漆,并经过超声波清洗得到干净的轴瓦表面。
步骤3:激光刻蚀加工处理:采用激光刻蚀加工装置在轴瓦表面加工出连续网纹构成复合微造型,将轴瓦利用夹具安装在三爪卡盘旋转平台上进行定位夹紧,并设置好激光器的参数:激光波长为1064nm,激光功率为20W,脉冲宽度为100ns,频率为20kHz,扫描速度为500mm/s。所述连续网纹的单条微槽宽度为W=10-30μm,微槽深度h2<凹坑深度h1,微槽间距为T2=200-400μm。激光束从激光器由左至右水平地发出,与轴承的轴线方向垂直,照射在预先处理好的轴瓦上,通过计算机辅助设备控制XYZ三轴移动平台和三爪卡盘旋转平台,利用激光器在轴承轴瓦表面加工出连续网纹构成复合微造型。
采用激光加工技术在轴承轴瓦表面加工出复合微造型,可以通过调整激光的加工参数(如激光功率,扫描速度,频率,加工间距等)和运动平台的移动速度和转动速度,控制轴承轴瓦表面复合微造型的形状和尺寸。将微造型的面积占有率设置为S=10-30%,是在保证不影响轴承的使用性能的前提下最大限度地提高微造型的比例,提高轴承的减摩耐磨性能。当轴承微造型的面积占有率过高,大于30%会影响轴承的使用性能,使轴承的耐磨性能,承载能力下降;当轴承的微造型面积占有率过低,小于10%时无法在轴承轴瓦表面制备出足够的微造型结构,影响其储油,润滑,减摩的性能。因此将微造型的面积占有率设置为10-30%较为合适。
步骤4:轴承轴瓦表面后处理:将激光加工后的轴承轴瓦依次经过2000#、3000#的砂纸轻微打磨去除表面毛刺,并经过超声波清洗得到干净的轴瓦表面。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)通过高功率,短脉冲的激光束经过吸收层黑漆和约束层水的作用产生远大于材料屈服强度的冲击波,作用在金属材料表面并向内传播,使材料表面产生塑性变形,形成凹坑,提升轴承运转时的动压润滑作用,并且材料内部出现亚晶界,晶粒细化,产生大量残余压应力,从而提高材料表面硬度,增强材料的抗磨损能力。
(2)轴承轴瓦表面微凹坑及连续网纹内可预先储存一定量的润滑脂,使得轴承在工作中实现自润滑,提高轴承的减摩耐磨性能。
(3)在轴承轴瓦表面加工连通相邻微凹坑的连续网纹,解决了启动阶段润滑油无法流动,不能及时向贫油区域补充润滑油的问题,提高轴承的亲油性能,降低干摩擦,减少启动力矩,进一步提升轴承的润滑性能,减少磨损。
(4)在轴承轴瓦表面加工出微凹坑及连续网纹,可储存微小颗粒,减少磨粒磨损;同时也有助于抑制粘着磨损,提高滑动轴承的抗磨损性能。
(5)激光加工效率高,成本低廉,加工尺寸范围更大,效果更好。
(6)激光加工的复合微造型的面积占有率为10-30%,且加工的尺寸为微米级别,有助于保证轴承的整体机械强度,刚度。
附图说明:
图1为激光冲击加工装置示意图;
图2为激光刻蚀加工装置示意图;
图3为单个微凹坑形貌剖面示意图;
图4为连续网纹单条微槽形貌剖面示意图;
图5为复合微造型表面示意图。
其中:1为激光冲击激光器、2为聚焦透镜、3为滑动轴承轴瓦、4为工作台、5为XYZR三轴移动旋转平台、6为承载平台、7为激光刻蚀激光器、8为XYZ三轴移动平台、9为计算机辅助设备、10为三爪卡盘旋转平台。
具体实施方式:
下面对本发明技术方案进行详细说明,但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例:一种AlSn20Cu轴瓦表面复合微造型,如图4所示,在轴承的轴瓦表面上设置复合微造型,包括如下步骤:
(1)预处理:对轴瓦表面进行抛光并清洗晾干,得到光滑的轴瓦表面。
(2)激光冲击加工处理:在轴瓦表面3喷涂一层0.1mm厚的黑漆作为能量吸收层,在能量吸收层黑漆上设有2mm厚的水帘作为约束层;将喷涂黑漆的轴瓦3通过夹具固定,安装于工作台4上;开启脉冲激光器1,其波长为1064nm,脉冲宽度为8ns;设置激光冲击工艺参数:激光能量为1.6J,光斑直径为0.8mm,激光束从激光器由左至右水平地发出,与轴承的轴线方向垂直,通过聚焦透镜2聚焦,照射在预先处理好的轴瓦上,通过控制XYZR三轴移动旋转平台5运动调整载物台4上轴瓦3的位置,利用激光器在轴瓦表面加工出阵列式半球形凹坑,其直径d为0.8mm,深度h1为0.06mm,间距T1为1.2mm,位错k为0.6mm。激光冲击加工完成,用丙酮清洗去除表面喷涂的能量吸收层黑漆,并经过超声波清洗得到干净的轴瓦表面。
(3)激光烧蚀加工处理:采用激光烧蚀加工装置在AlSn20Cu轴瓦表面加工出复合微造型,将轴瓦3利用夹具安装在三爪卡盘旋转平台10上进行定位夹紧,并设置好激光器7的参数,激光束从激光器7由左至右水平地发出,与轴承的轴线方向垂直,照射在预先处理好的轴瓦3上,通过计算机辅助设备控制XYZ三轴移动平台8和三爪卡盘旋转平台10,利用激光器7在轴承轴瓦3表面加工出连续网纹构成复合微造型。采用的激光波长为1064nm,激光功率为20W,脉冲宽度为100ns,频率为20kHz,扫描速度为500mm/s,所加工的连续网纹的单条微槽宽度为10μm,微槽间距为200μm。
(4)轴承表面后处理:将激光加工后的轴承轴瓦依次经过2000#、3000#的砂纸轻微打磨去除表面毛刺,并经过超声波清洗得到干净的轴承轴瓦表面。
以上所述仅为本发明的优选实施例,但并不限制本发明。显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种在表面加工有微造型的滑动轴承的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)预处理:对轴承轴瓦表面进行抛光并清洗晾干,得到光滑的轴承轴瓦表面;
(2)激光冲击加工处理:在轴瓦表面喷涂一层黑漆作为能量吸收层,在能量吸收层黑漆上设有水帘作为约束层;将喷涂黑漆的轴瓦通过夹具固定,安装于工作台上;开启脉冲激光器,设置激光冲击工艺参数,通过控制三轴移动旋转平台运动调整轴瓦的位置,利用激光器在轴瓦表面加工出阵列式半球形凹坑,凹坑之间通过连续网纹相连;所述的凹坑深度为h1=0.01-0.1mm,凹坑直径为d=0.4-1mm,两凹坑间距为T1=1.2-1.8mm,位错为0.5d-d;所述的连续网纹单条微槽宽度W=10-30μm,微槽间距T2=200-400μm,微槽深度h2<微凹坑深度h1;激光冲击加工完成,用丙酮清洗去除表面喷涂的能量吸收层黑漆,并经过超声波清洗得到干净的轴瓦表面;
(3)激光烧蚀加工处理:采用激光烧蚀加工装置在轴瓦表面加工出连续网纹,将轴瓦利用夹具安装在三爪卡盘旋转平台上进行定位夹紧,并设置激光器的加工参数,通过计算机辅助设备控制三轴移动平台和三爪卡盘旋转平台,利用激光器在轴承轴瓦表面加工出连续网纹;
(4)轴承轴瓦表面后处理:将激光加工后的轴承轴瓦表面依次经过2000#、3000#的砂纸轻微打磨去除表面毛刺,并经过超声波清洗得到干净的轴承轴瓦表面。
2.根据权利要求1所述的一种在表面加工有微造型的滑动轴承的制备方法,其特征在于:步骤(2)中所述的激光冲击加工微造型的工艺参数为:其波长为1064nm,脉冲宽度为8ns,重复率1-10Hz,光束发散角≤0.5mrad,能量稳定性在±1%之间;激光能量为0-2J,光斑直径为0.4-1mm。
3.根据权利要求1所述的一种在表面加工有微造型的滑动轴承的制备方法,其特征在于:步骤(2)中所述的能量吸收层黑漆厚度为0.05-0.1mm,所述约束层水厚度为1-2mm。
4.根据权利要求1所述的一种在表面加工有微造型的滑动轴承的制备方法,其特征在于:步骤(3)中所述的激光烧蚀加工的工艺参数为:激光波长为1064nm,激光功率为20W,脉冲宽度为100ns,频率为20kHz,扫描速度为500mm/s。
5.根据权利要求1所述的一种在表面加工有微造型的滑动轴承的制备方法,其特征在于,所述的连续网纹所夹角度为30°-90°。
6.根据权利要求1所述的一种在表面加工有微造型的滑动轴承的制备方法,其特征在于,所述的凹坑形状为半球形或半椭球形。
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